JP6435431B2 - Alloy member, cell stack and cell stack apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、合金部材、セルスタック及びセルスタック装置に関する。 The present invention relates to an alloy member, a cell stack, and a cell stack apparatus.
従来、複数の燃料電池セルが集電部材によって電気的に接続されたセルスタックと、各燃料電池セルを支持するマニホールドとを備えたセルスタック装置が知られている(特許文献1及び2参照)。集電部材及びマニホールドには、合金部材が用いられる。
2. Description of the Related Art Conventionally, a cell stack device is known that includes a cell stack in which a plurality of fuel cells are electrically connected by a current collecting member, and a manifold that supports each fuel cell (see
特許文献1のマニホールドでは、ステンレス鋼によって構成される基材からCr(クロム)が揮発することを抑制するために、基材の表面を覆う被覆膜が設けられている。
In the manifold of
特許文献2の集電部材では、Fe−Cr系合金やNi−Cr系合金などによって構成される基材からCrが揮発することを抑制するために、基材の表面を覆う被覆膜が設けられている。 The current collecting member of Patent Document 2 is provided with a coating film that covers the surface of the base material in order to suppress the volatilization of Cr from the base material composed of an Fe—Cr alloy or Ni—Cr alloy. It has been.
また、特許文献2では、基材と被覆膜の間に形成される酸化クロム膜の一部が、基材表面の凹部に入り込むことによって、被覆膜が基材から剥離することを抑制できるとされている。 Moreover, in patent document 2, when a part of chromium oxide film | membrane formed between a base material and a coating film enters into the recessed part of the base material surface, it can suppress that a coating film peels from a base material. It is said that.
しかしながら、特許文献2の集電部材では、セルスタック装置の運転中、凹部に埋設された酸化クロムを取り囲む基材の酸化が進行することによって、酸化クロムが大きく成長してしまう。 However, in the current collecting member disclosed in Patent Document 2, during the operation of the cell stack apparatus, the oxidation of the base material surrounding the chromium oxide embedded in the concave portion proceeds, so that the chromium oxide grows greatly.
その結果、運転開始前には先細り形状であった酸化クロムが、運転中には丸みを帯びた形状になりアンカー効果が低下してしまうため、基材から被覆膜が剥離するおそれがある。 As a result, the chromium oxide having a tapered shape before the start of operation becomes a rounded shape during the operation and the anchor effect is lowered, so that the coating film may be peeled off from the base material.
本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、被覆膜の剥離を抑制可能な合金部材、セルスタック及びセルスタック装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide an alloy member, a cell stack, and a cell stack device that can suppress peeling of a coating film.
本発明に係る合金部材は、表面に凹部を有し、クロムを含有する合金材料によって構成される基材と、凹部に配置され、マンガンを含む酸化物を含有するアンカー部と、アンカー部に接続される酸化クロム膜と、酸化クロム膜の少なくとも一部を覆う被覆膜とを備える。 The alloy member according to the present invention has a base having a concave portion on the surface and made of an alloy material containing chromium, an anchor portion disposed in the concave portion and containing an oxide containing manganese, and connected to the anchor portion. And a coating film covering at least a part of the chromium oxide film.
本発明によれば、被覆膜の剥離を抑制可能な合金部材、セルスタック及びセルスタック装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the alloy member, cell stack, and cell stack apparatus which can suppress peeling of a coating film can be provided.
本実施形態に係るセルスタック装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。 An embodiment of a cell stack device according to the present embodiment will be described with reference to the drawings.
[セルスタック装置100]
図1は、セルスタック装置100の斜視図である。セルスタック装置100は、マニホールド200と、セルスタック250とを備える。
[Cell stack device 100]
FIG. 1 is a perspective view of the
[マニホールド200]
図2は、マニホールド200の斜視図である。マニホールド200は、「合金部材」の一例である。
[Manifold 200]
FIG. 2 is a perspective view of the
マニホールド200は、燃料ガス(例えば、水素など)を各燃料電池セル300に分配するように構成されている。マニホールド200は、中空状であり、内部空間を有している。マニホールド200の内部空間には、導入管204を介して燃料ガスが供給される。
The
マニホールド200は、天板201と、容器202とを有する。天板201は、平板状に形成される。容器202は、コップ状に形成される。天板201は、容器202の上方開口を塞ぐように配置される。
The
天板201は、接合材103(図2では不図示、図6参照)によって容器202に接合される。接合材103としては、例えば、結晶化ガラス、非晶質ガラス、ろう材、及びセラミックスなどが挙げられる。本実施形態において、結晶化ガラスとは、全体積に対する「結晶相が占める体積」の割合(結晶化度)が60%以上であり、全体積に対する「非晶質相及び不純物が占める体積」の割合が40%未満のガラスである。このような結晶化ガラスとしては、例えば、SiO2−B2O3系、SiO2−CaO系、又はSiO2−MgO系が挙げられる。
The
天板201には、複数の挿入孔203が形成されている。各挿入孔203は、燃料電池セル300の配列方向(z軸方向)に並べられる。各挿入孔203は、互いに間隔をあけて配置される。各挿入孔203は、マニホールド200の内部空間と外部に連通する。
A plurality of
マニホールド200の詳細な構成については後述する。
The detailed configuration of the
[セルスタック250]
図3は、セルスタック装置100の断面図である。セルスタック250は、複数の燃料電池セル300と、複数の集電部材301とを有する。
[Cell stack 250]
FIG. 3 is a cross-sectional view of the
各燃料電池セル300は、マニホールド200から延びている。詳細には、各燃料電池セル300は、マニホールド200の天板201から上方(x軸方向)に延びている。各燃料電池セル300の長手方向(x軸方向)の長さは、100〜300mm程度とすることができるが、これに限られるものではない。
Each
各燃料電池セル300の基端部は、マニホールド200の挿入孔203に挿入されている。各燃料電池セル300は、接合材101によって挿入孔203に固定されている。燃料電池セル300は、挿入孔203に挿入された状態で、接合材101によってマニホールド200に固定されている。接合材101は、燃料電池セル300と挿入孔203の隙間に充填される。接合材101としては、例えば、結晶化ガラス、非晶質ガラス、ろう材、及びセラミックスなどが挙げられる。
The base end portion of each
各燃料電池セル300は、長手方向(x軸方向)及び幅方向(y軸方向)に広がる板状に形成されている。各燃料電池セル300は、配列方向(z軸方向)に間隔をあけて配列されている。隣り合う2つの燃料電池セル300の間隔は特に制限されないが、1〜5mm程度とすることができる。
Each
各燃料電池セル300は、内部にガス流路11を有している。セルスタック装置100の運転中、マニホールド200から各ガス流路11に燃料ガス(水素など)が供給されるとともに、各燃料電池セル300の外周に酸化剤ガス(空気など)が供給される。
Each
隣接する2つの燃料電池セル300は、集電部材301によって電気的に接続されている。集電部材301は、接合材102を介して、隣接する2つの燃料電池セル300それぞれの基端側に接合される。接合材102は、例えば、(Mn,Co)3O4、(La,Sr)MnO3、及び(La,Sr)(Co,Fe)O3などから選ばれる少なくとも1種である。
Two
[燃料電池セル300]
図4は、燃料電池セル300の斜視図である。図5は、図4のQ−Q断面図である。
[Fuel battery cell 300]
FIG. 4 is a perspective view of the
燃料電池セル300は、支持基板10と、複数の発電素子部20と有する。
The
(支持基板10)
支持基板10は、支持基板10の長手方向(x軸方向)に沿って延びる複数のガス流路11を内部に有している。各ガス流路11は、支持基板10の基端側から先端側に向かって延びている。各ガス流路11は、互いに実質的に平行に延びている。
(Supporting substrate 10)
The
図5に示すように、支持基板10は、複数の第1凹部12を有する。本実施形態において、各第1凹部12は、支持基板10の両主面に形成されているが、一方の主面にだけ形成されていてもよい。各第1凹部12は支持基板10の長手方向において互いに間隔をあけて配置されている。
As shown in FIG. 5, the
支持基板10は、電子伝導性を有さない多孔質の材料によって構成される。支持基板10は、例えば、CSZ(カルシア安定化ジルコニア)から構成され得る。或いは、支持基板10は、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)とから構成されてもよいし、NiO(酸化ニッケル)とY2O3(イットリア)とから構成されてもよいし、MgO(酸化マグネシウム)とMgAl2O4(マグネシアアルミナスピネル)とから構成されてもよい。支持基板10の気孔率は、例えば、20〜60%程度である。
The
(発電素子部20)
各発電素子部20は、支持基板10に支持されている。本実施形態において、各発電素子部20は、支持基板10の両主面に形成されているが、一方の主面にだけ形成されていてもよい。各発電素子部20は、支持基板10の長手方向において、互いに間隔をあけて配置されている。すなわち、本実施形態に係る燃料電池セル300は、いわゆる横縞型の燃料電池セルである。長手方向に隣り合う発電素子部20は、インターコネクタ31によって互いに電気的に接続されている。
(Power generation element part 20)
Each power
発電素子部20は、燃料極4、電解質5、空気極6及び反応防止膜7を有する。
The power
燃料極4は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。燃料極4は、燃料極集電部41と燃料極活性部42とを有する。
The
燃料極集電部41は、第1凹部12内に配置されている。詳細には、燃料極集電部41は、第1凹部12内に充填されており、第1凹部12と同様の外形を有する。燃料極集電部41は、第2凹部411及び第3凹部412を有している。第2凹部411内には、燃料極活性部42が配置されている。また、第3凹部412には、インターコネクタ31が配置されている。
The fuel electrode
燃料極集電部41は、電子伝導性を有する。燃料極集電部41は、燃料極活性部42よりも高い電子伝導性を有していることが好ましい。燃料極集電部41は、酸素イオン伝導性を有していてもよいし、有していなくてもよい。
The fuel electrode
燃料極集電部41は、例えば、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)とから構成され得る。或いは、燃料極集電部41は、NiO(酸化ニッケル)とY2O3(イットリア)とから構成されてもよいし、NiO(酸化ニッケル)とCSZ(カルシア安定化ジルコニア)とから構成されてもよい。燃料極集電部41の厚さ、及び第1凹部12の深さは、50〜500μm程度である。
The fuel electrode
燃料極活性部42は、酸素イオン伝導性を有するとともに、電子伝導性を有する。燃料極活性部42は、燃料極集電部41よりも酸素イオン伝導性を有する物質の含有率が大きい。詳細には、燃料極活性部42における、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合は、燃料極集電部41における、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合よりも大きい。
The fuel electrode
燃料極活性部42は、例えば、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)とから構成され得る。或いは、燃料極活性部42は、NiO(酸化ニッケル)とGDC(ガドリニウムドープセリア)とから構成されてもよい。燃料極活性部42の厚さは、5〜30μmである。
The fuel electrode
電解質5は、燃料極4上を覆うように配置されている。詳細には、電解質5は、あるインターコネクタ31から隣のインターコネクタ31まで長手方向に延びている。すなわち、支持基板10の長手方向(x軸方向)において、電解質5とインターコネクタ31とが交互に連続して配置されている。電解質5は、支持基板10の両主面を覆うように構成されている。
The
電解質5は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料から構成される焼成体である。電解質5は、例えば、YSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)から構成され得る。或いは、電解質5は、LSGM(ランタンガレート)から構成されてもよい。電解質5の厚さは、例えば、3〜50μm程度である。
The
空気極6は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。空気極6は、電解質5を基準にして、燃料極4と反対側に配置されている。空気極6は、空気極活性部61と空気極集電部62とを有している。
The
空気極活性部61は、反応防止膜7上に配置されている。空気極活性部61は、酸素イオン伝導性を有するとともに、電子伝導性を有する。空気極活性部61は、空気極集電部62よりも酸素イオン伝導性を有する物質の含有率が大きい。詳細には、空気極活性部61おける、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合は、空気極集電部62における、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合よりも大きい。
The air electrode
空気極活性部61は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O3(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)から構成され得る。或いは、空気極活性部61は、LSF=(La,Sr)FeO3(ランタンストロンチウムフェライト)、LNF=La(Ni,Fe)O3(ランタンニッケルフェライト)、又は、LSC=(La,Sr)CoO3(ランタンストロンチウムコバルタイト)等から構成されてもよい。空気極活性部61は、LSCFから構成される第1層(内側層)とLSCから構成される第2層(外側層)との2層によって構成されてもよい。空気極活性部61の厚さは、例えば、10〜100μmである。
The air electrode
空気極集電部62は、空気極活性部61上に配置されている。また、空気極集電部62は、空気極活性部61から、隣の発電素子部に向かって延びている。燃料極集電部41と空気極集電部62とは、発電領域から互いに反対側に延びている。発電領域とは、燃料極活性部42と電解質5と空気極活性部61とが重複する領域である。
The air electrode
空気極集電部62は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。空気極集電部62は、空気極活性部61よりも高い電子伝導性を有していることが好ましい。空気極集電部62は、酸素イオン伝導性を有していてもよいし、有していなくてもよい。
The air electrode
空気極集電部62は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O3(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)から構成され得る。或いは、空気極集電部62は、LSC=(La,Sr)CoO3(ランタンストロンチウムコバルタイト)から構成されてもよい。或いは、空気極集電部62は、Ag(銀)、Ag−Pd(銀パラジウム合金)から構成されてもよい。空気極集電部62の厚さは、例えば、50〜500μm程度である。
The air electrode
反応防止膜7は、緻密な材料から構成される焼成体である。反応防止膜7は、電解質5と空気極活性部61との間に配置されている。反応防止膜7は、電解質5内のYSZと空気極6内のSrとが反応して電解質5と空気極6との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するために設けられている。
The
反応防止膜7は、希土類元素を含むセリアを含んだ材料から構成されている。反応防止膜7は、例えば、GDC=(Ce,Gd)O2(ガドリニウムドープセリア)から構成され得る。反応防止膜7の厚さは、例えば、3〜50μm程度である。
The
インターコネクタ31は、支持基板10の長手方向(x軸方向)に隣り合う発電素子部20を電気的に接続するように構成されている。詳細には、一方の発電素子部20の空気極集電部62は、他方の発電素子部20に向かって延びている。また、他方の発電素子部20の燃料極集電部41は、一方の発電素子部20に向かって延びている。そして、インターコネクタ31は、一方の発電素子部20の空気極集電部62と、他方の発電素子部20の燃料極集電部41とを電気的に接続している。インターコネクタ31は、燃料極集電部41の第3凹部412内に配置されている。詳細には、インターコネクタ31は、第3凹部412内に埋設されている。
The
インターコネクタ31は、電子伝導性を有する緻密な材料から構成される焼成体である。インターコネクタ31は、例えば、LaCrO3(ランタンクロマイト)から構成され得る。或いは、インターコネクタ31は、(Sr,La)TiO3(ストロンチウムチタネート)から構成されてもよい。インターコネクタ31の厚さは、例えば、10〜100μmである。
The
[マニホールド200の詳細構成]
次に、マニホールド200の詳細構成について、図面を参照しながら説明する。図6は、図2のP−P断面図である。図7は、図6の領域Aの拡大図である。
[Detailed configuration of manifold 200]
Next, a detailed configuration of the manifold 200 will be described with reference to the drawings. 6 is a cross-sectional view taken along the line PP in FIG. FIG. 7 is an enlarged view of region A in FIG.
天板201と容器202は、接合材103によって接合されている。天板201と容器202の間には、燃料ガスが供給される内部空間S1が形成されている。
The
天板201は、基材210と、酸化クロム膜211と、被覆膜212と、アンカー部213とを有する。容器202は、基材220と、酸化クロム膜221と、被覆膜222と、アンカー部223とを有する。
The
天板201及び基材210は、それぞれ「合金部材」の一例である。基材210及び基材220は、それぞれ「基材」の一例である。酸化クロム膜211及び酸化クロム膜221は、それぞれ「酸化クロム膜」の一例である。被覆膜212及び被覆膜222は、それぞれ「被覆膜」の一例である。アンカー部213及びアンカー部223は、それぞれ「アンカー部」の一例である。
The
容器202の構成は、天板201の構成と同様であるため、以下においては、図7を参照しながら、天板201の構成について説明する。
Since the configuration of the
基材210は、板状に形成される。基材210は、平板状であってもよいし、曲板状であってもよい。基材210の厚みは特に制限されないが、例えば0.5〜4.0mmとすることができる。
The
基材210は、表面210aと凹部210bとを有する。表面210aは、基材210の外側の表面である。凹部210bは、表面210aに形成される。凹部210bは、穴状であってもよいし、溝状であってもよい。
The
凹部210bの個数は特に制限されないが、表面210aに広く分布していることが好ましい。また、凹部210bどうしの間隔は特に制限されないが、均等な間隔で配置されていることが特に好ましい。これによって、後述するアンカー部213によるアンカー効果を、酸化クロム膜211全体に対して均等に発揮させることができるため、基材210から被覆膜212が剥離することを特に抑制できる。
The number of the
また、基材210の表面210aに垂直な厚み方向における凹部210bの垂直深さL1(後述する、アンカー部213の垂直長さと同じ。)は、厚み方向に垂直な面方向における凹部210bの幅Wより大きいことが好ましい。これによって、後述するアンカー部213の食い込み深さを大きくしたり、或いは、アンカー部213の断面形状を鋭利にしたりできるため、アンカー部213によるアンカー効果をより向上させることができる。
Further, the vertical depth L1 of the
凹部210bの垂直深さL1は特に制限されないが、0.5〜300μmとすることができ、1.0〜250μmが好ましく、1.5〜200μmがより好ましい。凹部210bの幅Wは特に制限されないが、0.1〜100μmとすることができ、0.15〜70μmが好ましく、0.2〜50μmがより好ましい。また、凹部210bの垂直深さL1に対する幅Wの比(W/L)は特に制限されないが、0.5以下が好ましく、0.3以下がより好ましい。
The vertical depth L1 of the
図7では、断面形状が楔形の凹部210bが図示されており、凹部210bの最深部が鋭角的であるが、これに限られるものではない。凹部210bの最深部は、鈍角状であってもよいし、丸みを帯びていてもよい。従って、凹部210bの断面形状は、例えば、半円形、矩形、及びその他の複雑形状であってもよい。また、凹部210bは、基材210の内部に向かって真っ直ぐに延びていなくてもよく、例えば、厚み方向に対して斜めに形成されていてもよいし、部分的に曲がっていてもよい。図7では、凹部210bの一例として、断面形状が直線状楔形の第1凹部210bxと、断面形状が湾曲状楔形の第2凹部210byとが図示されている。
In FIG. 7, the
基材210は、Cr(クロム)を含有する合金材料によって構成される。このような金属材料としては、Fe−Cr系合金鋼(ステンレス鋼など)やNi−Cr系合金鋼などを用いることができる。基材210におけるCrの含有率は特に制限されないが、4〜30質量%とすることができる。
The
基材210は、Ti(チタン)やAl(アルミニウム)を含有していてもよい。基材210におけるTiの含有率は特に制限されないが、0.01〜1.0at.%とすることができる。基材210におけるAlの含有率は特に制限されないが、0.01〜0.4at.%とすることができる。基材210は、TiをTiO2(チタニア)として含有していてもよいし、AlをAl2O3(アルミナ)として含有していてもよい。
The
酸化クロム膜211は、アンカー部213に接続される。酸化クロム膜211は、基材210の表面210aとアンカー部213の表面213aとを覆うように配置される。酸化クロム膜211は、基材210の表面210aの少なくとも一部を覆っていればよいが、表面210aの略全面を覆っていてもよい。酸化クロム膜211は、アンカー部213の表面213aの少なくとも一部を覆っていればよいが、表面213aの略全面を覆っていることが好ましい。酸化クロム膜211は、基材210の凹部210bの開口を塞ぐように形成される。酸化クロム膜211の厚みは、0.5〜10μmとすることができる。
The
被覆膜212は、酸化クロム膜211の少なくとも一部を覆う。詳細には、被覆膜212は、酸化クロム膜211のうちセルスタック装置100の運転中に酸化剤ガスと接触する領域の少なくとも一部を覆う。被覆膜212は、酸化クロム膜211のうち酸化剤ガスと接触する領域の全面を覆っていることが好ましい。被覆膜212の厚みは特に制限されないが、例えば3〜200μmとすることができる。
The
被覆膜212は、基材210の表面210aからCrが揮発することを抑制する。これにより、各燃料電池セル300の電極(本実施形態では、空気極6)がCr被毒によって劣化することを抑制することができる。
The
被覆膜212を構成する材料としては、セラミックス材料を用いることができる。セラミックス材料の具体的な種類は、適用箇所に応じて適宜好適選択することができる。本実施形態では、被覆膜212が絶縁性を求められるマニホールド200に適用されているため、セラミックス材料として、例えばアルミナ、シリカ、ジルコニア、及び結晶化ガラスなどを用いることができる。また、被覆膜212を導電性が求められる集電部材などに適用する場合には、セラミックス材料として、LaおよびSrを含有するペロブスカイト形複合酸化物、及びMn,Co,Ni,Fe,Cu等の遷移金属から構成されるスピネル型複合酸化物などを用いることができる。ただし、被覆膜212は、Crの揮発を抑制できればよく、被覆膜212の構成材料は上記セラミックス材料に限られるものではない。
As a material constituting the
アンカー部213は、基材210の凹部210bに配置される。アンカー部213は、凹部210bの開口部付近において被覆膜212に接続される。これにより、アンカー部213が凹部210bに係止されることでアンカー効果が生まれるため、被覆膜212の基材210に対する密着力を向上させることができる。その結果、被覆膜212が基材210から剥離することを抑制できる。
The
アンカー部213は、凹部210bの内表面の少なくとも一部と接触していればよいが、凹部210bの内表面の略全面と接触していることがより好ましい。
The
基材210の表面210aに垂直な厚み方向におけるアンカー部213の垂直長さL1は特に制限されないが、例えば0.1μm以上300μm以下とすることができる。垂直長さL1は、基材210の厚み方向におけるアンカー部213の全長である。図7では、第1凹部210bx内に配置された第1アンカー部213xと、第2凹部210by内に配置された第2アンカー部213yとが例示されている。第1アンカー部213xは、断面形状が直線状楔形であって、基材210の内部に向かって真っ直ぐに延びている。第2アンカー部213yは、断面形状が湾曲状楔形であって、基材210の内部に向かって斜めに湾曲しながら延びている。図7に示す例では、第1アンカー部213xの垂直長さL1xが、第2アンカー部213yの垂直長さL1yより短い。
The vertical length L1 of the
アンカー部213の延在方向におけるアンカー部213の実長さL2は特に制限されないが、例えば0.2μm以上600μm以下とすることができる。実長さL2は、基材210の表面210aに平行な面方向におけるアンカー部213の中点を、基端部から先端部まで連ねた線の全長である。従って、実長さL2は、垂直長さL1とは異なる概念である。図7に示す例では、第1アンカー部213xの実長さL2xは、第1アンカー部213xの垂直長さL1xと同等であるのに対して、第2アンカー部213yの実長さL2yは、第2アンカー部213yの垂直長さL1yより長い。
The actual length L2 of the
アンカー部213は、Mn(マンガン)を含む酸化物を含有する。Mnを含む酸化物としては、例えば、MnO、MnCr2O4などが挙げられるが、これに限られるものではない。Mnは、Cr(クロム)よりも平衡酸素圧の低い元素であり、Crよりも酸素との親和力が大きいため、セルスタック装置100の運転中、被覆膜212及び酸化クロム膜211を透過してくる酸素をアンカー部213に優先的に取り込むことができる。従って、基材210のうちアンカー部213を取り囲む領域に含まれるCrが酸化することを抑制できるため、アンカー部213の形態を長期間に亘って維持することができる。その結果、アンカー部213によるアンカー効果が長期間に亘って得られるため、被覆膜212が基材210から剥離することを長期間に亘って抑制できる。
アンカー部213におけるMnの含有率は、全構成元素のうち酸素を除く元素の総和に対する各元素のモル比をカチオン比と定義した場合、カチオン比で0.01以上が好ましい。これによって、Crが酸化することをより抑制でき、アンカー部213の形態をより長期間に亘って維持することができる。アンカー部213におけるMnの含有率は、カチオン比で0.05以上がより好ましく、0.10以上が特に好ましい。
The content ratio of Mn in the
天板201に形成された複数のアンカー部213におけるMnの含有率は、以下のように得られる。まず、無作為に選出した20個のアンカー部213ごとに、EDS(エネルギー分散型X線分光器)を用いて、実長さL2を11等分する10点におけるMnの含有率をカチオン比で測定する。次に、20個のアンカー部213ごとに、10点で測定されたMnの含有率から最大値を選択する。次に、20個のアンカー部213ごとに選択されたMnの含有率の最大値を算術平均する。この算術平均によって得られた値が、アンカー部213におけるMnの含有率である。なお、一断面において20個のアンカー部213を観察できない場合には、複数断面から20個のアンカー部213を選択すればよい。
The Mn content in the plurality of
アンカー部213は、Mnを含む酸化物のほか、Al(アルミニウム)、Ti(チタン)、Ca(カルシウム)、Si(シリコン)などを含む酸化物を含有していてもよい。これらの元素は、Crよりも平衡酸素圧の低い元素であるため、上述したMnを含む酸化物と同様、アンカー部213の形態維持効果を期待できる。
The
また、アンカー部213は、酸化クロムを部分的に含有していてもよい。ただし、アンカー部213におけるクロムの含有率は、カチオン比で0.95以下が好ましく、0.90以下がより好ましい。
Moreover, the
アンカー部213の個数は特に制限されないが、基材表面の断面観察で10mm長さあたり100個以上観察されることが好ましく、10mm長さあたり200個以上観察されることがより好ましい。これによって、アンカー部213によるアンカー効果を十分大きくすることができるため、被覆膜212が基材210から剥離することをより抑制できる。
The number of
[マニホールド200の製造方法]
マニホールド200の製造方法について、図面を参照しながら説明する。なお、容器202の製造方法は、天板201の製造方法と同様であるため、以下においては、天板201の製造方法について説明する。
[Manufacturing method of manifold 200]
A method for manufacturing the manifold 200 will be described with reference to the drawings. In addition, since the manufacturing method of the
まず、図8に示すように、基材210の表面210aに凹部210bを形成する。例えばサンドブラストを用いることによって、楔状の凹部210bを効率的に形成することができる。この際、研磨剤の粒径を調整したり、又は、適宜ローラーで表面を均したりすることによって、凹部210bの垂直深さL1及び幅Wを調整することができる。
First, as shown in FIG. 8, a
次に、図9に示すように、基材210の表面210a上にMnを含む酸化物のペーストを塗布する。これにより凹部210bの内部にMnを含む酸化物のペーストを充填する。なお、Mnを含む酸化物のペーストは、Mnを含む酸化物の粉末にエチルセルロースとテルピネオールを添加することによって調製できる。
Next, as shown in FIG. 9, an oxide paste containing Mn is applied on the
次に、図10に示すように、表面210a上に塗布された余分なペーストを例えばスキージで除去することによって、凹部210bの内部にだけペーストを残す。
Next, as shown in FIG. 10, the excess paste applied on the
次に、図11に示すように、基材210を大気雰囲気で熱処理(800〜900℃、5〜20時間)することによって、凹部210bにアンカー部213を形成するとともに、アンカー部213を覆う酸化クロム膜211を形成する。
Next, as shown in FIG. 11, the
次に、図12に示すように、酸化クロム膜211上に絶縁性のセラミックス材料ペーストを塗布して、熱処理(800〜900℃、1〜5時間)することによって、被覆膜212を形成する。
Next, as shown in FIG. 12, an insulating ceramic material paste is applied on the
(他の実施形態)
本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications or changes can be made without departing from the scope of the present invention.
上記実施形態では、本発明に係る合金部材をマニホールド200に適用することとしたが、これに限られるものではない。本発明に係る合金部材は、セルスタック装置100及びセルスタック250の一部を構成する部材として用いることができる。例えば、本発明に係る合金部材は、隣接する2つの燃料電池セル300を電気的に接続する集電部材301などにも好適に用いることができる。
In the above embodiment, the alloy member according to the present invention is applied to the manifold 200, but the present invention is not limited to this. The alloy member according to the present invention can be used as a member constituting part of the
ここで、合金部材のアンカー部213は、上記実施形態で説明したとおり、Mnを含む酸化物を含有しており、このMnを含む酸化物の電気抵抗率は、酸化クロム(Cr2O3)の電気抵抗率よりも低い。そのため、アンカー部213が酸化クロムによって構成される場合に比べて、合金部材内の電流の流れがアンカー部213によって阻害されることを抑制できる。従って、特定の箇所に電流が集中して合金部材(基材210)が局所的に発熱することを抑制できるため、合金部材の劣化が抑制される。このように、本発明に係る合金部材を集電部材として用いた場合には、上記実施形態で説明した被覆膜212の剥離抑制効果に加えて、合金部材の劣化抑制効果も期待できる。
Here, as described in the above embodiment, the
上記実施形態では、図7に示したように、アンカー部213の表面213aは、基材210の表面210aと略面一であることとしたが、これに限られるものではない。例えば、図13に示すように、アンカー部213は、凹部210bのうち最深部のみに配置されていてもよい。この場合、酸化クロム膜211は、凹部210bの内部に入り込んでいればよい。また、図14に示すように、アンカー部213は、凹部210bの開口部の外部に突出していてもよい。この場合、酸化クロム膜211は、アンカー部213のうち凹部210bから突出した部分を覆うように配置されていればよい。
In the above embodiment, as shown in FIG. 7, the surface 213 a of the
上記実施形態において、セルスタック250は、横縞型の燃料電池を有することとしたが、いわゆる縦縞型の燃料電池を有していてもよい。縦縞型の燃料電池は、導電性の支持基板と、支持基板の一主面上に配置される発電部(燃料極、固体電解質層及び空気極)と、支持基板の他主面上に配置されるインターコネクタとを備える。
In the above-described embodiment, the
上記実施形態では、凹部210b内にアンカー部213が配置されることとしたが、基材210が複数の凹部210bを有する場合、アンカー部213が配置されていない凹部210bが存在していてもよい。
In the above embodiment, the
上記実施形態では、アンカー部213が酸化クロム膜211に接続されることとしたが、複数のアンカー部213が存在する場合、酸化クロム膜211に接続されていないアンカー部212が存在していてもよい。
In the above embodiment, the
以下において本発明に係る合金部材の実施例について説明するが、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。 Examples of the alloy member according to the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the examples described below.
(実施例1〜26)
以下のようにして、図7に示した構成を有する合金部材を作製した。
(Examples 1 to 26)
An alloy member having the configuration shown in FIG. 7 was produced as follows.
まず、基材として表1に示す金属製の板部材を準備した。 First, a metal plate member shown in Table 1 was prepared as a base material.
次に、基材の表面にサンドブラスト加工を施すことによって、基材の表面に複数の凹部を形成した。 Next, a plurality of recesses were formed on the surface of the substrate by sandblasting the surface of the substrate.
次に、Mnを含む酸化物にエチルセルロースとテルピネオールを添加することによってアンカー部用ペーストを調製した。この際、実施例ごとにMnの添加量を調整することによって、表1に示すように、アンカー部におけるカチオン比でのMn含有率を調整した。 Next, an anchor part paste was prepared by adding ethyl cellulose and terpineol to an oxide containing Mn. At this time, by adjusting the amount of Mn added for each example, the Mn content in the cation ratio in the anchor portion was adjusted as shown in Table 1.
次に、基材の表面上にアンカー部用ペーストを塗布することによって、各凹部にアンカー部用ペーストを充填し、表面上に残った余分なアンカー部用ペーストをスキージで除去した。 Next, the anchor portion paste was applied onto the surface of the base material, so that each concave portion was filled with the anchor portion paste, and excess anchor portion paste remaining on the surface was removed with a squeegee.
次に、基材を大気雰囲気で熱処理(850℃、5時間)することによって、凹部に充填されたアンカー部用ペーストを固化してアンカー部を形成するとともに、アンカー部を覆う酸化クロム膜を形成した。 Next, by heat-treating the base material in the air atmosphere (850 ° C., 5 hours), the anchor portion paste filled in the recesses is solidified to form the anchor portion, and a chromium oxide film covering the anchor portion is formed. did.
次に、表1に示す被覆膜用の材料粉末にエチルセルロースとテルピネオールを添加することによって被覆膜用ペーストを調製した。 Next, a coating film paste was prepared by adding ethyl cellulose and terpineol to the coating film material powder shown in Table 1.
次に、酸化クロム膜上に被覆膜用ペーストを塗布して熱処理(850℃、2時間)することによって、被覆膜を形成した。 Next, a coating film was formed by applying a coating film paste on the chromium oxide film and performing heat treatment (850 ° C., 2 hours).
(比較例1〜6)
比較例1〜6では、アンカー部用ペーストを各凹部に充填せずに基材を熱処理して凹部内に酸化クロム膜を形成した以外は、実施例1〜26と同じ工程にて比較例1〜6に係る合金部材を作製した。
(Comparative Examples 1-6)
In Comparative Examples 1 to 6, Comparative Example 1 was performed in the same process as Examples 1 to 26, except that the base material was heat-treated without filling the concave portion with the anchor portion paste to form a chromium oxide film in the concave portion. The alloy member which concerns on -6 was produced.
(剥離試験)
実際の使用環境を模して、実施例1〜26及び比較例1〜6それぞれに剥離試験を実施した。
(Peel test)
A peeling test was carried out on each of Examples 1 to 26 and Comparative Examples 1 to 6 to simulate actual use environments.
具体的には、合金部材を電気炉に入れ、大気雰囲気中において、850℃×30minと100℃×30minとの加熱・冷却サイクルを昇降温速度200℃/hで50回繰り返した。 Specifically, the alloy member was put into an electric furnace, and a heating / cooling cycle of 850 ° C. × 30 min and 100 ° C. × 30 min was repeated 50 times at a temperature rising / falling rate of 200 ° C./h in an air atmosphere.
さらに、合金部材を850℃に加熱された炉中に1000時間保持した後、更に850℃×30minと100℃×30minとの加熱・冷却サイクルを昇降温速度200℃/hで50回繰り返した。 Furthermore, after holding the alloy member in a furnace heated to 850 ° C. for 1000 hours, a heating / cooling cycle of 850 ° C. × 30 min and 100 ° C. × 30 min was further repeated 50 times at a heating / cooling rate of 200 ° C./h.
その後、剥離試験前後における実施例1〜26及び比較例1〜6の重量変化を測定するとともに、電子顕微鏡で断面を観察することによって被覆膜の剥離有無を確認した。 Then, while measuring the weight change of Examples 1-26 and Comparative Examples 1-6 before and after a peeling test, the presence or absence of peeling of a coating film was confirmed by observing a cross section with an electron microscope.
表1では、重量変化を伴う剥離が観察されたものを×、重量変化は伴わないが電子顕微鏡で観察すると微小な剥離が観察されたものを○、剥離が観察されなかったものを◎と評価した。 In Table 1, the case where peeling with weight change was observed was evaluated as x, the case where fine peeling was observed when observed with an electron microscope without weight change was evaluated as ◯, and the case where peeling was not observed was evaluated as ◎. did.
(Mn含有率の測定)
まず、基材表面に対して垂直な断面において20個のアンカー部を無作為に選出し、EDS(オックスフォード社製、型式x−act)を用いて、各アンカー部の実長さ(図7の「実長さL2」)を11等分する10点におけるMnの含有率をカチオン比で測定した。次に、10点で測定されたMnの含有率の最大値をアンカー部ごとに選択して、この最大値の算術平均値を当該合金部材に形成されたアンカー部におけるMnの含有率とした。
(Measurement of Mn content)
First, 20 anchor portions were randomly selected in a cross section perpendicular to the substrate surface, and the actual length of each anchor portion (see FIG. 7) using EDS (manufactured by Oxford, model x-act). The "Mn content" at 10 points that divide "actual length L2" into 11 equal parts was measured by a cation ratio. Next, the maximum value of the Mn content measured at 10 points was selected for each anchor part, and the arithmetic average value of this maximum value was taken as the Mn content in the anchor part formed in the alloy member.
実施例1〜26及び比較例1〜6それぞれのアンカー部におけるMnの含有率は、表1に示すとおりであった。表1に示すとおり、比較例1〜6では、Mnの含有率が「0.01未満」と表示されているが、これはEDSの測定下限値であり、実質的にMnを含有していないことを意味する。 The contents of Mn in the anchor portions of Examples 1 to 26 and Comparative Examples 1 to 6 were as shown in Table 1. As shown in Table 1, in Comparative Examples 1 to 6, the Mn content is indicated as “less than 0.01”, but this is a measurement lower limit value of EDS and substantially does not contain Mn. Means that.
表1に示すように、Mnを含む酸化物を含有するアンカー部を設けた実施例1〜26では、被覆膜の剥離を抑制できた。これは、被覆膜及び酸化クロム膜を透過してくる酸素をアンカー部に優先的に取り込むことによって、基材のうちアンカー部周辺の領域に存在するCrが酸化することを抑制して、アンカー部の形態を長期間に亘って維持できたからである。 As shown in Table 1, in Examples 1 to 26 in which an anchor portion containing an oxide containing Mn was provided, peeling of the coating film could be suppressed. This is because the oxygen that permeates through the coating film and the chromium oxide film is preferentially taken into the anchor part, thereby suppressing the oxidation of Cr existing in the area around the anchor part of the base material. This is because the shape of the part can be maintained over a long period of time.
また、表1に示すように、アンカー部におけるマンガンの含有率をカチオン比で0.05以上とした実施例1〜20では、被覆膜の剥離を更に抑制できた。 Moreover, as shown in Table 1, in Examples 1 to 20 in which the manganese content in the anchor portion was 0.05 or more in terms of the cation ratio, peeling of the coating film could be further suppressed.
100 セルスタック装置
200 マニホールド
201 天板
210 基材
211 酸化クロム膜
212 被覆膜
213 アンカー部
250 セルスタック
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記凹部に配置され、マンガンを含む酸化物を含有するアンカー部と、
前記アンカー部に接続される酸化クロム膜と、
前記酸化クロム膜の少なくとも一部を覆う被覆膜と、
を備える合金部材。 A base material having a concave portion on the surface and made of an alloy material containing chromium;
An anchor portion disposed in the recess and containing an oxide containing manganese;
A chromium oxide film connected to the anchor portion;
A coating film covering at least a part of the chromium oxide film;
An alloy member comprising:
請求項1に記載の合金部材。 The content of manganese in the oxide containing manganese is 0.05 or more in terms of cation ratio.
The alloy member according to claim 1.
請求項1又は2に記載の合金部材と、
を備え、
前記合金部材は、前記2つの燃料電池セルを電気的に接続する集電部材である、
セルスタック。 Two fuel cells,
The alloy member according to claim 1 or 2,
With
The alloy member is a current collecting member that electrically connects the two fuel cells.
Cell stack.
請求項1又は2に記載の合金部材と、
を備え、
前記合金部材は、前記燃料電池セルの基端部を支持するマニホールドである、
セルスタック装置。 A fuel cell;
The alloy member according to claim 1 or 2,
With
The alloy member is a manifold that supports a base end portion of the fuel battery cell.
Cell stack device.
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