JP4102877B2 - Method for producing hybrid molded porous tube - Google Patents
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Description
本発明は、混成型多孔質管体の製造方法に関し、特に円筒直列接続型の高温固体電解質燃料電池(SOFC:solid oxide fuel cells)のセル製作用の基体管等に好適に用いられる混成型多孔質管体の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for producing a hybrid porous tube, and in particular, a hybrid porous tube suitably used for a base tube or the like for cell production of a high temperature solid electrolyte fuel cell (SOFC) of a serially connected cylindrical type. The present invention relates to a method for manufacturing a tube.
高温固体電解質燃料電池(SOFC)は高温域で発電プロセスが可能であることから、数百kW級分散配置型電源への適用は勿論のこと、ガスタービンや汽力タービンを複合併置した数百kW級大容量高効率複合型のベースロード用発電プラントの実現も可能であるとされている。SOFCによる発電方式は電気エネルギーへのエネルギー変換効率が高く、発電に伴う大気汚染物質の排出を極小化することができ、内部改質による水素の精製機能により石炭ガスや都市ガス等使用燃料の多用化にも対応が可能である。これ等の理由から、固体電解質燃料電池は、リン酸型燃料電池(PAFC)や溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)に続く、高温動作の燃料電池として大きな期待が寄せられ、国内はもとより海外でも研究開発が進展している。 Since the high-temperature solid electrolyte fuel cell (SOFC) is capable of generating power at high temperatures, it can be applied to several hundred kW class distributed power sources, as well as a several hundred kW class that combines gas turbines and steam turbines. A large-capacity and high-efficiency base load power plant is also possible. The power generation method using SOFC has high energy conversion efficiency to electric energy, can minimize the emission of air pollutants accompanying power generation, and uses heavy fuel such as coal gas and city gas due to the hydrogen purification function through internal reforming. It is also possible to respond to For these reasons, solid electrolyte fuel cells are highly expected as high-temperature operation fuel cells following phosphoric acid fuel cells (PAFCs) and molten carbonate fuel cells (MCFCs). Research and development is progressing.
図15は、代表的従来例である、セラミック基体管を用いた円筒型固体電解質燃料電池の直列接続型スタックセルの上半部分を断面図で示す正面図である。多孔質セラミック基体管50の円周上に緻密セラミック膜51を成膜し気密部(非発電部)と通気性部(発電部)とを製作する。その後、燃料電極52、固体電解質膜53、インターコネクタ54、電流取り出し用の端子リード55、緻密セラミック膜56、空気電極57を順次成膜し、燃料電池スタックができる。これに電流取り出し用のリード線58およびガス給排気用のセラミックエンドキャップ59を両端に取り付けて、セラミック系SOFCスタック200の製作工程が完了する。このように、材料の多少の相違はあるが、燃料電池スタックは、基体管上に形成した燃料電極−固体電解質−空気電極の3層積層構造の単位セルをインターコネクタを介して直列に接続した構成を有するものである。而して、本発明はこの種燃料電池の基体管等に用いることのできる多孔質管体に係るものである。
FIG. 15 is a front view showing a cross-sectional view of an upper half portion of a serial connection type stack cell of a cylindrical solid electrolyte fuel cell using a ceramic base tube, which is a typical conventional example. A dense
ここで、固体電解質燃料電池の動作について簡単に説明する。固体電解質燃料電池は、固体電解質をガス透過性の良い電極板で挟んだ構造を基本とする。固体電解質としては、室温から高温まで蛍石型立方晶の結晶構造が維持されそして化学的にも安定な複合酸化物であるイットリア安定化ジルコニア(YSZ)が使用されている。イットリア安定化ジルコニアは、(Y2O3)0.08(ZrO2)0.92の組成を有する。イットリア安定化ジルコニアは4価のジルコニウム酸化物中に3価のイットリウム酸化物を固溶しているため、結晶内に酸化物イオン空孔を生じており、高温になると、この空孔は結晶内を自由に移動する。両面に気体透過性の電極を付け、両面に酸素濃度差を与えると、高濃度側(カソード、一般に空気電極と呼ばれる)から酸素はO2-となってYSZ内に入り、濃度差によって低酸素側(アノード、一般に燃料電極と呼ばれる)に移動して電子を運ぶ。アノードに到達したO2-イオンは燃料と反応して電子を放出し、放出された電子は外部電気回路を流れ、負荷に仕事をする。 Here, the operation of the solid electrolyte fuel cell will be briefly described. A solid electrolyte fuel cell basically has a structure in which a solid electrolyte is sandwiched between electrode plates having good gas permeability. As the solid electrolyte, yttria-stabilized zirconia (YSZ), which is a complex oxide that maintains a fluorite-type cubic crystal structure from room temperature to high temperature and is chemically stable, is used. Yttria-stabilized zirconia has a composition of (Y 2 O 3 ) 0.08 (ZrO 2 ) 0.92 . Yttria-stabilized zirconia has trivalent yttrium oxide in solid solution in tetravalent zirconium oxide, which causes oxide ion vacancies in the crystal. Move freely. When gas permeable electrodes are attached to both sides and oxygen concentration difference is given to both surfaces, oxygen becomes O 2− from the high concentration side (cathode, generally called air electrode) and enters YSZ, and low oxygen concentration is caused by the concentration difference. Carries electrons by moving to the side (anode, commonly called fuel electrode). The O 2− ions that reach the anode react with the fuel and emit electrons, and the emitted electrons flow through an external electric circuit and work on the load.
従来、円筒の固体電解質燃料電池の基体管としては、アルミナ(Al2O3)多孔質管やカルシア安定化ジルコニア(CSZ)多孔質管が用いられてきた(前者については、例えば特許文献1参照、後者については、例えば特許文献2参照)。そして、この基体管を用いて上記したように円筒直列接続型の固体電解質燃料電池は製作される。
基体管としてアルミナ管を用いる場合、アルミナと固体電解質であるYSZとの間に大きな熱膨張係数差があるため、熱応力により破損してしまう可能性が高い。一方、CSZ管はYSZと比較的熱膨張係数が近いという特長があるものの極めて高価である。また、CSZ管がYSZと熱膨張係数が一致していたとしても、セラミック材料の宿命として熱伝導率が低いため局所的な温度分布の不均一を生じる可能性があり、運転・休止の繰り返しに伴う高温(900〜1000℃)−室温間の温度サイクルや急激な負荷変動による温度の過渡的な不均一により割れが発生する可能性がある。また、従来の基体管はセラミックスであるため強度を確保するためには肉厚を厚くする必要があり重量が大きく、装置の軽量化に対する障害となっていた。さらに、セラミックは高温で燒結させて製作するためその際に収縮や変形がありそのため真円度や肉厚均一性の確保が難しく、寸法精度の揃ったものを製作するのが困難なため集積して大きなシステムを組み立てる上で障害となっていた。
而して、高温固体電解質型燃料電池の基体管は、燃料電池そのものが未だ研究開発中のものであるため、燃料電池用基体管として確定した構造のものは販売されておらず、通常は多孔質セラミック管の名称で販売されているものを購入し、そしてこれに対しその都度気密層、端子リ−ド部およびガス給排気用の端部処理加工等を行って基体管を製作し、燃料電池基体管として使用している。従って、本来のセル製作工程に基体管加工工程が加わり工程数が増えて煩雑となる。そのため、基体管加工工程まででも安定した品質を確保することが肝要である。さらに将来大量にセルを製作する場合は、基体管の品質の信頼性および安定性が製作後のセル性能(特性や寿命)に影響し重要になる。
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解決することであって、その目的は、第1に、寸法精度の高い軽量の管体を提供することであり、第2に、熱伝導性が高くかつ弾性に富む金属膜を利用することによって温度分布の均一化を図ると共に熱膨張係数差による発生応力を吸収できるようにして、割れなどの破損の発生を抑制できるようにすることであり、第3に、気密層、端子リ−ド部および端部処理加工等の行われた基体管を用意しておくことにより、不良品の排除された特性の揃った基体管を本来のセル製作工程に投入できるようにして、工程管理の容易化を図るとともに最終製品になってから基体管に起因する不良品が発見される不都合を排除できるようにすることである。
When an alumina tube is used as the substrate tube, there is a high possibility that it will be damaged by thermal stress because there is a large difference in thermal expansion coefficient between alumina and YSZ which is a solid electrolyte. On the other hand, the CSZ tube is extremely expensive although it has a feature that the coefficient of thermal expansion is relatively close to that of YSZ. In addition, even if the CSZ tube has the same thermal expansion coefficient as YSZ, the thermal conductivity is low as the fate of the ceramic material, which may cause uneven local temperature distribution. Accompanying high temperature (900-1000 ° C)-room temperature cycle, and the transient non-uniformity of temperature due to sudden load fluctuations may cause cracks. Further, since the conventional base tube is made of ceramics, it is necessary to increase the thickness in order to ensure the strength, and the weight is large, which has been an obstacle to reducing the weight of the apparatus. Furthermore, since ceramic is sintered at high temperatures, it shrinks and deforms at that time, so it is difficult to ensure roundness and thickness uniformity, and it is difficult to manufacture products with uniform dimensional accuracy, so it is accumulated. It was an obstacle to assembling a large system.
Therefore, since the base tube of the high-temperature solid oxide fuel cell is still under research and development, a structure that has been established as a base tube for a fuel cell is not sold, and is usually porous. The pipes sold under the name of quality ceramic pipes are purchased, and the base tube is manufactured by performing an airtight layer, terminal lead parts and end treatment processing for gas supply / exhaust each time. It is used as a battery substrate tube. Accordingly, the base tube manufacturing process is added to the original cell manufacturing process, and the number of processes increases, which is complicated. Therefore, it is important to ensure stable quality even up to the base tube processing step. Furthermore, when manufacturing a large number of cells in the future, the reliability and stability of the quality of the base tube are important because they affect the cell performance (characteristics and life) after the manufacture.
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and the object thereof is first to provide a lightweight tubular body with high dimensional accuracy, and secondly, heat conduction. By using a highly elastic and elastic metal film, the temperature distribution can be made uniform and the stress generated by the difference in thermal expansion coefficient can be absorbed, so that the occurrence of breakage such as cracks can be suppressed. Third, by preparing a base tube that has been subjected to a hermetic layer, a terminal lead portion, an end processing, etc., a base tube with uniform characteristics from which defective products have been eliminated can be obtained. In order to facilitate the process management, it is possible to eliminate the inconvenience of finding a defective product due to the base tube after the final product.
上記の目的を達成するため、本発明によれば、多孔質合金溶射膜を内側としてこれと多孔質セラミック溶射膜とを積層したことを特徴とする混成型多孔質管体、が提供される。
そして、好ましくは、その端部の外周部が端子となる溶射合金膜によって被覆されている。また、好ましくは、外周が、導電性または絶縁性緻密膜によって周期的規則性をもって部分的に被覆されている。
In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided a mixed porous tube characterized in that a porous alloy sprayed film is disposed inside and a porous ceramic sprayed film is laminated.
Preferably, the outer peripheral portion of the end portion is covered with a sprayed alloy film serving as a terminal. Preferably, the outer periphery is partially covered with a periodic regularity by a conductive or insulating dense film.
課題を解決するための手段は次のとおりである。Means for solving the problems are as follows.
(1)基材管体の表面に多孔質合金膜を溶射により形成する工程と、(1) forming a porous alloy film on the surface of the base tube body by thermal spraying;
前記多孔質合金膜の表面に多孔質セラミック膜を溶射により形成する工程と、Forming a porous ceramic film on the surface of the porous alloy film by thermal spraying;
前記多孔質合金膜と前記多孔質セラミック膜とを有する積層膜から前記基材管体を除去する工程と、Removing the base tube from a laminated film having the porous alloy film and the porous ceramic film;
を含む混成型多孔質管体の製造方法。A method for producing a hybrid porous tube body.
(2)前記基材管体がAlにより形成され、エッチングにより前記基材管体を除去することを特徴とする(1)に記載の混成型多孔質管体の製造方法。(2) The method for producing a mixed porous tube according to (1), wherein the base tube is formed of Al, and the base tube is removed by etching.
(3)前記多孔質合金膜をフレーム溶射法又はプラズマ溶射法により形成することを特徴とする(1)又は(2)に記載の混成型多孔質管体の製造方法。(3) The method for producing a hybrid porous tube according to (1) or (2), wherein the porous alloy film is formed by flame spraying or plasma spraying.
(4)前記基材管体を除去する工程の後、酸化性雰囲気中において熱処理を施す工程をさらに含むことを特徴とする(1)ないし(3)のいずれかに記載の混成型多孔質管体の製造方法。(4) The mixed porous tube according to any one of (1) to (3), further including a step of performing a heat treatment in an oxidizing atmosphere after the step of removing the base tube. Body manufacturing method.
(5)前記基材管体を除去する工程の後、イットリウム化合物溶液に浸漬処理を行いその後に熱処理を施す工程をさらに含むことを特徴とする(1)ないし(4)のいずれかに記載の混成型多孔質管体の製造方法。(5) The method according to any one of (1) to (4), further including a step of performing a dipping process on the yttrium compound solution and then performing a heat treatment after the step of removing the base tube. A method for producing a hybrid porous tube.
(6)前記多孔質合金膜が、Feよりも耐熱性および耐酸化性の高い耐熱・耐酸化性合金により形成されていることを特徴とする(1)ないし(5)のいずれかに記載の混成型多孔質管体の製造方法。(6) The porous alloy film is formed of a heat-resistant and oxidation-resistant alloy having higher heat resistance and oxidation resistance than Fe, according to any one of (1) to (5), A method for producing a hybrid porous tube.
(7)前記多孔質合金膜が、NiCrAlYによって形成されていることを特徴とする(1)ないし(6)のいずれかに記載の混成型多孔質管体の製造方法。(7) The method for producing a mixed porous tube according to any one of (1) to (6), wherein the porous alloy film is made of NiCrAlY.
(8)前記多孔質合金溶射膜に、酸化物が添加されていることを特徴とする(1)ないし(7)のいずれかに記載の混成型多孔質管体の製造方法。(8) The method for producing a hybrid porous tube according to any one of (1) to (7), wherein an oxide is added to the porous alloy sprayed film.
(9)前記多孔質セラミック膜が、Al(9) The porous ceramic membrane is made of Al
22
OO
33
又はAlOr Al
22
OO
33
+ZrO+ ZrO
22
(アルミナ−ジルコニア混合粉末)により形成されていることを特徴とする(1)ないし(8)のいずれかに記載の混成型多孔質管体の製造方法。(Alumina-zirconia mixed powder) It is formed, The manufacturing method of the hybrid porous tube body in any one of (1) thru | or (8) characterized by the above-mentioned.
本発明による混成型多孔質管体は、多孔質合金膜と多孔質セラミック膜との積層膜を有する。この構成によれば、合金膜が強靭でかつ弾性に富むため、そして薄い多孔質セラミック膜も多孔質合金膜と一体となって変形が可能であるため、たとい管体と燃料電池を構成する各膜(燃料電極膜、固体電解質膜、空気電極膜)との間に熱膨張係数差があったとしても大きな応力が発生することはなく、割れの発生は抑制される。管体の合金材料やセラミック材料として熱膨張係数が固体電解質のYSZと一致していなくても、剥離、割れ等の発生が抑制される理由について図1を参照してさらに詳しく説明する。 The hybrid porous tube according to the present invention has a laminated film of a porous alloy film and a porous ceramic film. According to this configuration, since the alloy film is strong and rich in elasticity, and the thin porous ceramic film can be deformed integrally with the porous alloy film, each of the tubes and the fuel cell is configured. Even if there is a difference in thermal expansion coefficient between the membranes (fuel electrode membrane, solid electrolyte membrane, air electrode membrane), no large stress is generated, and the occurrence of cracks is suppressed. The reason why the occurrence of peeling, cracking, and the like is suppressed even when the thermal expansion coefficient of the tubular body alloy material or ceramic material does not match that of the solid electrolyte YSZ will be described in more detail with reference to FIG.
従来のセラミック基体管を構成するセラミック燒結体30は、図1(a)に示されるように球体に近い形状のセラミック粒子31の集まったものと考えられ、一方本発明の多孔質管体を構成する溶射膜40は、図1(c)に示されるように、円板状の溶射膜粒子41が積層したものと考えられる。セラミック燒結体は、セラミック粒子からなる粉末を粘土状に捏ねたものを成形し燒結して形成されるものである(いわゆる湿式製法)ため、材料粉末は図1(b)に示されるように球状(原料粉のまま)粒界が成長し互いに繋がって粟おこしのように固められる。従って、隣接構成体との間に熱膨張率に差がある場合には、球状粒子の押し合いとなって大きな応力が発生する。一方、溶射の場合は、粒子が一旦溶けた後衝突によって平たくなり、鱗状に積層されるため、隣接構成体との間に熱膨張率差があっても応力は板状の溶射膜粒子41間の滑りや溶射膜粒子の変形によって吸収され、応力は大幅に緩和される〔図1(d)参照〕。また、溶射膜の場合は見かけの積層厚さが薄くても溶射膜粒子41の積層枚数は多く接触面積も大きいので十分の強度が得られる。
The ceramic sintered body 30 constituting the conventional ceramic base tube is considered to be a collection of
また、多孔質合金溶射膜と多孔質セラミック溶射膜との積層膜を有する本発明による混成型多孔質管体は、セラミック焼結体に比較して薄くかつ極めて軽量である。そして、セラミック基体管に比較して寸法精度に優れる。燒結時に変形が生じるセラミック材料の場合mm単位での寸法の指定はできないが、溶射膜の場合には寸法精度は溶射膜の基材となる管体の寸法制度と溶射膜厚の精度に依存しており、容易にmm以下の精度が実現できる。表1、表2に、試作された多孔質合金管の寸法測定結果をセラミック管と比較して示す。測定は、図2に示すように、直径Dについては、角度を変えて左右4個所ずつ測定し、肉厚tについては、角度を変えて左右8個所ずつ測定した。また、本発明の多孔質管体は、基本的に既に確立した技術である溶射法を用いて形成されるものであるため、再現性よく安定した特性の管体を提供することが可能になる。 Moreover, the mixed porous tube according to the present invention having a laminated film of a porous alloy sprayed film and a porous ceramic sprayed film is thinner and extremely lighter than a ceramic sintered body. And it is excellent in dimensional accuracy compared with a ceramic base tube. In the case of a ceramic material that deforms during sintering, dimensions cannot be specified in mm. However, in the case of a sprayed coating, the dimensional accuracy depends on the dimensional system of the tube body that is the base of the sprayed coating and the accuracy of the sprayed film thickness. Therefore, it is easy to achieve sub-mm accuracy. Tables 1 and 2 show the dimensional measurement results of the prototype porous alloy tubes compared with the ceramic tubes. As shown in FIG. 2, the diameter D was measured at four left and right positions by changing the angle, and the wall thickness t was measured at eight right and left positions by changing the angle. In addition, since the porous tube of the present invention is basically formed using a thermal spraying method that has already been established, it is possible to provide a tube having stable characteristics with good reproducibility. .
また、基体管を、端部に端子が形成されたもの、または、外周部に緻密溶射合金膜若しくは緻密溶射絶縁膜が形成周期的に形成されたものとして予め製作しておき、そこまでの工程を品質管理して品質の安定化を図り、特性のバラツキのあるものを排除しておくことにより、工程管理の容易化および最終製品の品質の安定化を達成できる。 In addition, the base tube is manufactured in advance as a terminal having a terminal formed at the end, or a dense sprayed alloy film or a dense sprayed insulating film is formed periodically on the outer periphery, and the steps up to that time By controlling the quality of the product to stabilize the quality and excluding those with characteristic variations, it is possible to facilitate process management and stabilize the quality of the final product.
図3(d)は、本発明の一実施の形態を示す混成型多孔質管体の側面図と上部半分を断面図にて示す正面図であり、図3(a)〜(c)は、図3(d)に示す本発明の混成型多孔質管体を製造する工程途中段階での側面図と上部半分を断面図にて示す正面図である。
図3(d)に示すように、本発明の混成型多孔質管体100は、内層の多孔質合金溶射膜1と外層の多孔質セラミック溶射膜2との2層膜により構成される。多孔質合金溶射膜1は、耐熱性合金によって形成される。その望ましい合金材料は耐熱性および耐酸化性能を考えてNiCrAlY、inconel、ステンレス鋼であり、その望ましい膜厚は強度から150μm以上、ガス透過性能から800μm以下である。多孔質合金溶射膜1に、若干の(30重量%以下、好ましくは10重量%以下)YSZ、Al2O3等の酸化物を添加してガスの透過性の向上を図るようにしてもよい。多孔質セラミック溶射膜2は望ましくはAl2O3(アルミナ)またはAl2O3+ZrO2(アルミナ−ジルコニア混合粉末)により形成され、その望ましい膜厚は多孔質膜であることを考慮して絶縁性能から150μm以上、ガス透過性能から800μm以下である。
FIG.3 (d) is a front view which shows the side view and upper half of the mixed porous tube which shows one embodiment of this invention with sectional drawing, FIG.3 (a)-(c), It is the front view which shows the side view in the middle stage of the process which manufactures the hybrid porous tube of this invention shown in FIG.3 (d), and an upper half with sectional drawing.
As shown in FIG. 3 (d), the hybrid porous
次に、図3を参照して本実施の形態の製造方法について説明する。まず、図3(a)に示される、溶射膜を形成するための基材3を用意する。基材3の材料としては、溶射に耐えることができ、合金溶射膜材料との間にエッチング選択性がありかつ容易にエッチングできるものであれば適宜使用することができるが、望ましい材料としてはAlが挙げられる。基材3は、円柱状であっても円筒状であってもよいが、エッチングの容易性から円筒状であることが望ましくかつその肉厚は強度が確保できる範囲でできるだけ薄いことが望ましい。そして、図3(b)に示すように、基材3上に、フレーム溶射法またはプラズマ溶射法により例えばNiCrAlYを溶射して多孔質合金溶射膜1を形成する。続いて、図3(c)に示すように、多孔質合金溶射膜1上に、例えばプラズマ溶射法により例えばアルミナを溶射して多孔質セラミック溶射膜2を形成する。その後、基材3をウエットエッチング法によりエッチング除去すれば、本発明の混成型多孔質管体100を得ることができる。そして、そのまま大気中で熱処理を行って酸化被膜を形成して合金膜の強度を向上させる。あるいは、耐酸化性能向上のためにイットリウム化合物溶液に形成された混成型多孔質管体100を浸漬し、酸化性雰囲気中で熱処理を行ってY2O3被膜を形成する。
Next, the manufacturing method of the present embodiment will be described with reference to FIG. First, the base material 3 for forming a sprayed film shown in FIG. As the material of the base material 3, any material can be used as long as it can withstand thermal spraying and has etching selectivity with an alloy sprayed film material and can be easily etched. Is mentioned. The substrate 3 may be columnar or cylindrical, but is preferably cylindrical from the viewpoint of ease of etching, and its thickness is desirably as thin as possible within a range where strength can be secured. Then, as shown in FIG. 3B, a porous alloy sprayed
次に、本発明による混成型多孔質管体100を使用した高温固体電解質型燃料電池の製作方法について説明する。図4(a)〜図5(b)は、第1の製造方法を示す工程順の図であって、各図では上部分に断面を、下部分に正面図を示す。また、製作される製品の下にその工程において用いられるマスキングプレートを示す。なお、マスキングプレートは図の上下方向の寸法が実際の寸法より幅狭に描かれており、実際には各マスキングプレートの開口の図の上下方向の寸法は多孔質管体100の直径より大きい。
まず、図4(a)に示すように、混成型多孔質管体100の端部の溶射部分に開口4Aを有する、炭素鋼鈑等の耐熱性のある金属板からなるマスキングプレート4aを配置し、例えばフレーム溶射法により例えばNiCrAlYを溶射して、混成型多孔質管体100の両端部に端子5を形成する。端子5となるNiCrAlY溶射膜は全体を緻密膜で形成するか下層を多孔質NiCrAlY溶射膜、上層を緻密NiCrAlY溶射膜の2層膜とすることができる。溶射の際に、管体100またはマスキングプレート4aを移動させることにより、端子5の内側端部にテーパが形成されるようにすることが望ましい。次に、図4(b)に示すように、マスキングプレートをマスキングプレート4bに配置し直し、例えばプラズマ溶射法により例えばNiCrAlYを溶射して、緻密NiCrAlY溶射膜からなるインターコネクタ6と端子リード7を形成する。次に、図4(c)に示すように、マスキングプレート4cを配置し、例えばフレーム溶射法により例えばNiOを溶射して、一端が端子リード7またはインターコネクタ6に接触する多孔質NiO溶射膜からなる燃料電極8を形成する。
Next, a method for manufacturing a high-temperature solid oxide fuel cell using the hybrid
First, as shown in FIG. 4 (a), a
次に、図5(a)に示すように、マスキングプレート4dを配置し、例えば減圧下プラズマ溶射法によりYSZを溶射して、燃料電極8を覆いインターコネクタ6間または端子リード7−インターコネクタ6間を埋める緻密YSZ溶射膜からなる固体電解質膜9を形成する。次に、図5(b)に示すように、マスキングプレート4eを配置し、例えばフレーム溶射法によりLaCoO3を溶射して、固体電解質膜9上を覆い一端がインターコネクタ6または端子リード7に接触する多孔質LaCoO3溶射膜からなる空気電極10を形成すれば、本発明に係る混成型多孔質管体100を用いた円筒直列接続型燃料電池の製作工程が完了する。
Next, as shown in FIG. 5A, a
次に、本発明による混成型多孔質管体100を使用した高温固体電解質型燃料電池の第2の製作方法について説明する。図6(a)〜図7(c)は、第2の製造方法を示す工程順の図であって、図4、図5と同様に、各図では上部分に断面図を、下部分に正面図を示す。各工程においては、溶射個所に開口を有するマスキングプレートが配置されるが、その図示は省略されている。
まず、図6(a)に示すように、例えばプラズマ溶射法により例えばアルミナを溶射して、混成型多孔質管体100の外表面に発電領域を区画する緻密セラミック膜11を形成する。次に、図6(b)に示すように、例えばフレーム溶射法により例えばNiCrAlYを溶射して、緻密セラミック膜11間の隙間を埋め一部が緻密セラミック膜11上を覆う多孔質NiCrAlY溶射膜からなる燃料電極8を形成する。次に、図6(c)に示すように、例えばプラズマ溶射法によりYSZを溶射して、燃料電極8を部分的に覆う緻密YSZ溶射膜からなる固体電解質膜9を形成する。
Next, a second manufacturing method of the high-temperature solid oxide fuel cell using the hybrid
First, as shown in FIG. 6A, for example, alumina is sprayed by, for example, a plasma spraying method to form a dense
次に、図7(a)に示すように、例えばプラズマ溶射法によりNiを溶射して、緻密Ni溶射膜からなるインターコネクタ6と端子リード7を形成する。次に、図7(b)に示すように、例えばプラズマ溶射法によりアルミナを溶射して、緻密アルミナ溶射膜からなるセラミック保護膜12を形成する。次に、図7(c)に示すように、例えばフレーム溶射法によりLaCoO3を溶射して、固体電解質膜9上を覆い一端がインターコネクタ6または端子リード7に接触する多孔質LaCoO3溶射膜からなる空気電極10を形成すれば、本発明に係る混成型多孔質管体100を用いた円筒直列接続型燃料電池の製作工程が完了する。
Next, as shown in FIG. 7A, Ni is sprayed by, for example, plasma spraying to form the
図3(d)に示されるような2層の溶射膜からなる混成型多孔質管体100を作成し、高温固体電解質型燃料電池用の基体管として用意しておくこともできるが、例えば図4(a)や図6(a)に示す工程の終了した後の、端子付や緻密セラミック膜付の混成型多孔質管体を、あるいはインターコネクタや端子リードが予め作りこまれた混成型多孔質管体を高温固体電解質型燃料電池用の基体管として用意しておくこともできる。このように、端子やインターコネクタ若しくは緻密セラミック膜の形成段階までの工程の終了した混成型多孔質管体を作製し不良品を除去して特性の揃ったものを燃料電池用基体管として用意しておくことにより、工程管理が容易化されまた品質の均一化された燃料電池を効率よく生産することが可能になる。
A hybrid
外径18mmφ、長さ200mmのアルミニウム管を基材として、アセチレンフレーム溶射法により膜厚350μmの多孔質NiCrAlY膜を形成した。続いて、プラズマ溶射法により膜厚250μmの多孔質アルミナ膜を形成した。その後、水酸化ナトリウム系エッチング液によりアルミニウム管をエッチング除去し水洗を行って図3(d)に示される混成型多孔質管体100を作製した。
A porous NiCrAlY film having a thickness of 350 μm was formed by an acetylene flame spraying method using an aluminum tube having an outer diameter of 18 mmφ and a length of 200 mm as a base material. Subsequently, a porous alumina film having a thickness of 250 μm was formed by plasma spraying. Thereafter, the aluminum tube was removed by etching with a sodium hydroxide-based etchant and washed with water to produce a mixed
本発明に係る多孔質管体は円筒型かつ左右対称構造であるため、図8〜図14では、管体の右側部分、中心軸の上半分のみの構造を示す。実施例1により作製した多孔質管体の両端部にアセチレンフレーム溶射およびプラズマ溶射によりNiCrAlYを溶射して、図8に示すように、多孔質合金膜13と緻密合金膜14とを形成して、端子付の多孔質管体100を作製した。溶射をマスキングプレートを移動させつつ行うことにより、多孔質合金膜13と緻密合金膜14との内側端部にテーパを形成した。基材となるアルミニウム管のエッチング除去を多孔質合金膜13と緻密合金膜14の溶射後に行ってもよい。
Since the porous tubular body according to the present invention has a cylindrical shape and a bilaterally symmetric structure, FIGS. 8 to 14 show the structure of only the right half of the tubular body and the upper half of the central axis. NiCrAlY is sprayed by acetylene flame spraying and plasma spraying on both ends of the porous tube produced in Example 1, to form a
外径18mmφ、長さ200mmのアルミニウム管を基材として、図9に示されるように、アセチレンフレーム溶射法によりNiCrAlYを溶射して端部10mmを除く部分に膜厚350μmの多孔質合金溶射膜1を形成し、続いて、プラズマ溶射法によりアルミナを溶射して端部5mmを除いて膜厚250μmの多孔質セラミック溶射膜2を形成した。さらに、プラズマ溶射法により端部5mmの部分にアルミナを溶射して膜厚400μmの多孔質セラミック膜15を形成した。その後、両端部にアセチレンフレーム溶射およびプラズマ溶射によりNiCrAlYからなる多孔質合金膜13と緻密合金膜14とを形成し、水酸化ナトリウム系エッチング液によりアルミニウム管をエッチング除去して本実施例の混成型多孔質管体100を作製した。
As shown in FIG. 9, an aluminum tube having an outer diameter of 18 mmφ and a length of 200 mm is used as a base material, and as shown in FIG. Subsequently, alumina was sprayed by a plasma spraying method to form a porous ceramic sprayed
外径18mmφ、長さ200mmのアルミニウム管を基材として、図10に示されるように、プラズマ溶射法によりアルミナを溶射して膜厚150μmの多孔質セラミック膜16を形成し、次いでアセチレンフレーム溶射法によりNiCrAlYを溶射して端部10mmを除く部分に膜厚350μmの多孔質合金溶射膜1を形成し、続いて、プラズマ溶射法によりアルミナを溶射して端部5mmを除いて膜厚250μmの多孔質セラミック溶射膜2を形成した。さらに、プラズマ溶射法により端部5mmの部分にアルミナを溶射して膜厚400μmの多孔質セラミック膜15を形成した。その後、両端部にアセチレンフレーム溶射によりNiCrAlYからなる多孔質合金膜13と緻密合金膜14とを形成し、水酸化ナトリウム系エッチング液によりアルミニウム管をエッチング除去して本実施例の混成型多孔質管体100を作製した。
As shown in FIG. 10, an alumina tube is sprayed by plasma spraying to form a porous ceramic film 16 having a film thickness of 150 μm using an aluminum tube having an outer diameter of 18 mmφ and a length of 200 mm as a base material, and then an acetylene flame spraying method. The NiCrAlY was sprayed to form a porous alloy sprayed
外径18mmφ、長さ200mmのアルミニウム管を基材として、図11に示されるように、プラズマ溶射法によりNiCrAlYを溶射して端部20mmに渡って膜厚150μmの緻密合金膜17を形成し、次いでアセチレンフレーム溶射法によりNiCrAlYを溶射して膜厚350μmの多孔質合金溶射膜1を形成し、続いて、プラズマ溶射法によりアルミナを溶射して膜厚250μmの多孔質セラミック溶射膜2を形成した。さらに、両端部にアセチレンフレーム溶射およびプラズマ溶射によりNiCrAlYからなる多孔質合金膜13と緻密合金膜14とを形成し、水酸化ナトリウム系エッチング液によりアルミニウム管をエッチング除去して本実施例の混成型多孔質管体100を作製した。
Using an aluminum tube having an outer diameter of 18 mmφ and a length of 200 mm as a base material, as shown in FIG. 11, NiCrAlY is sprayed by plasma spraying to form a dense alloy film 17 having a thickness of 150 μm over an end portion of 20 mm. Next, NiCrAlY was sprayed by acetylene flame spraying to form a 350 μm thick porous alloy sprayed
外径18mmφ、長さ200mmで、両先端部の外径が細くなるように外形が段付きに形成されたアルミニウム管を基材として、図12に示されるように、耐熱金属パイプ18にアルミニウム管の段付き部を嵌め込んだ後、アセチレンフレーム溶射法によりNiCrAlYを溶射して端部を除く部分に膜厚350μmの多孔質合金溶射膜1を形成し、続いて、プラズマ溶射法によりアルミナを溶射して膜厚250μmの多孔質セラミック溶射膜2を形成した。さらに、プラズマ溶射法により5mm幅の部分にアルミナを溶射して膜厚400μmの多孔質セラミック膜15を形成した。その後、両端部にプラズマ溶射によりNiCrAlYからなる緻密合金膜14を形成し、水酸化ナトリウム系エッチング液によりアルミニウム管をエッチング除去して本実施例の混成型多孔質管体100を作製した。
An aluminum tube having an outer diameter of 18 mmφ and a length of 200 mm and having a stepped outer shape so that the outer diameters of both ends are thinned, as shown in FIG. After fitting the stepped part, NiCrAlY is sprayed by acetylene flame spraying to form a porous alloy sprayed
外径18mmφ、長さ200mmのアルミニウム管を基材として、図13に示されるように、アセチレンフレーム溶射法によりNiCrAlYを溶射して膜厚350μmの多孔質合金溶射膜1を形成し、続いて、プラズマ溶射法によりアルミナを溶射して膜厚250μmの多孔質セラミック溶射膜2を形成した。さらに、プラズマ溶射法によりNiCrAlYを溶射してインターコネクタおよび端子リードとなる緻密合金膜19を形成し、水酸化ナトリウム系エッチング液によりアルミニウム管をエッチング除去して本実施例の混成型多孔質管体100を作製した。
Using an aluminum tube having an outer diameter of 18 mmφ and a length of 200 mm as a base material, as shown in FIG. 13, NiCrAlY is sprayed by acetylene flame spraying to form a porous alloy sprayed
外径18mmφ、長さ200mmのアルミニウム管を基材として、図14に示されるように、アセチレンフレーム溶射法によりNiCrAlYを溶射して膜厚350μmの多孔質合金溶射膜1を形成し、続いて、プラズマ溶射法によりアルミナを溶射して膜厚250μmの多孔質セラミック溶射膜2を形成した。さらに、プラズマ溶射法により端部およびセル形成領域間の部分にアルミナを溶射して膜厚150μmの緻密セラミック膜20を形成して発電領域を区画した。その後、水酸化ナトリウム系エッチング液によりアルミニウム管をエッチング除去して本実施例の混成型多孔質管体100を作製した。
Using an aluminum tube having an outer diameter of 18 mmφ and a length of 200 mm as a base material, as shown in FIG. 14, NiCrAlY is sprayed by acetylene flame spraying to form a porous alloy sprayed
本発明に係る混成型多孔質管体は、耐熱性を要し通気性を必要とする管体として利用が可能である。特に、高温固体電解質型燃料電池の基体管として有効に利用できるが、その他にも、高温固体電解質型燃料電池の基体管の内側に配置される燃料分配管や通気性であることが望まれる場合の高温固体電解質型燃料電池等の炉心管にも利用が可能である。ただし、後2者の場合には管体にインターコネクタや端子などを形成しておく必要はない。気密の炉心管が必要である場合には、図3(d)に示される多孔質管体の外周に緻密セラミック溶射膜もしくは緻密合金溶射膜を形成するようにしてもよい。 The hybrid porous tube according to the present invention can be used as a tube that requires heat resistance and air permeability. In particular, it can be effectively used as a base tube of a high-temperature solid electrolyte fuel cell, but in addition, when it is desired that the fuel distribution pipe disposed inside the base tube of the high-temperature solid electrolyte fuel cell or air permeability is desired It can also be used in a core tube such as a high temperature solid oxide fuel cell. However, in the case of the latter two, it is not necessary to form an interconnector or a terminal on the tube. When an airtight core tube is required, a dense ceramic sprayed film or a dense alloy sprayed film may be formed on the outer periphery of the porous tube shown in FIG.
1 多孔質合金溶射膜
2 多孔質セラミック溶射膜
3 基材
4a〜4e マスキングプレート
5 端子
6 インターコネクタ
7 端子リード
8 燃料電極
9 固体電解質膜
10 空気電極
11 緻密セラミック膜
12 セラミック保護膜
13 多孔質合金膜
14 緻密合金膜
15、16 多孔質セラミック膜
17 緻密合金膜
18 耐熱金属パイプ
19 緻密合金膜
20 緻密セラミック膜
30 セラミック燒結体
31 セラミック粒子
40 溶射膜
41 溶射膜粒子
50 多孔質セラミック基体管
51 緻密セラミック膜
52 燃料電極
53 固体電解質膜
54 インターコネクタ
55 端子リード
56 緻密セラミック膜
57 空気電極
58 リード線
59 セラミックエンドキャップ
100 混成型多孔質管体
200 セラミック系SOFCスタック
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記多孔質合金膜の表面に多孔質セラミック膜を溶射により形成する工程と、
前記多孔質合金膜と前記多孔質セラミック膜とを有する積層膜から前記基材管体を除去する工程と、
を含む混成型多孔質管体の製造方法。 Forming a porous alloy film on the surface of the base tube body by thermal spraying;
Forming a porous ceramic film on the surface of the porous alloy film by thermal spraying;
Removing the base tube from a laminated film having the porous alloy film and the porous ceramic film;
A method for producing a hybrid porous tube body.
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