JP2002349714A - Complex with sealing performance and manufacturing method of the same - Google Patents

Complex with sealing performance and manufacturing method of the same

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JP2002349714A
JP2002349714A JP2001162931A JP2001162931A JP2002349714A JP 2002349714 A JP2002349714 A JP 2002349714A JP 2001162931 A JP2001162931 A JP 2001162931A JP 2001162931 A JP2001162931 A JP 2001162931A JP 2002349714 A JP2002349714 A JP 2002349714A
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    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a complex that is suitably used in a device for manufacturing pure oxygen, oxygen-enriched air or the like, a membrane reactor typically for partial oxidation of hydrocarbon gas, a solid oxide fuel cell, an oxygen purifier, a heat exchanger and the like, by establishing a sealing technique capable of simple seal formation and excelling in reliability and a heat cycle characteristic in a high-temperature range of 800 deg.C and higher. SOLUTION: The complex comprises a structure with a storing portion formed by a combination of a plurality of members 1 and 2, and a metal member 3. The metal member 3 fills the storing portion of the structure, and the metal member 3 fills a part or the whole of a combination boundary portion 4 of the members 1 and 2 forming the structure, to provide excellent sealing performance.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、高温において優れ
たシール性を発揮する複合体に関する。本複合体は、純
酸素、酸素富化空気などの製造装置、炭化水素ガスの部
分酸化に代表される隔膜リアクター、固体酸化物燃料電
池、酸素純化装置、及び熱交換器等に好適に使用され
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a composite exhibiting excellent sealing properties at high temperatures. The composite is suitably used for production equipment for pure oxygen, oxygen-enriched air, etc., diaphragm reactors represented by partial oxidation of hydrocarbon gas, solid oxide fuel cells, oxygen purification equipment, heat exchangers, etc. You.

【0002】[0002]

【従来の技術】800℃を超える高温領域でのシール技術
について、例を挙げて以下に説明する。まず、純酸素製
造及び酸素富化空気製造について述べる。この技術は、
製鉄・ガラス・セメントなど大量に酸素を消費する分野
に、安価な酸素あるいは酸素富化空気を供給することに
より、莫大な経済効果をもたらす。純酸素あるいは酸素
富化空気を酸化物イオン伝導性と電子伝導性を同時に持
つ混合伝導性酸化物を使って製造する原理は、酸素分圧
の異なる2種類のガスを混合伝導性酸化物で隔離してお
くことにより、酸素分圧の高い側から低い側へ酸化物イ
オンの形で酸素が酸化物中を透過する現象に基づいてい
る。
2. Description of the Related Art A sealing technique in a high temperature range exceeding 800 ° C. will be described below with reference to an example. First, the production of pure oxygen and the production of oxygen-enriched air will be described. This technology is
Supplying inexpensive oxygen or oxygen-enriched air to fields that consume large amounts of oxygen, such as steelmaking, glass, and cement, has enormous economic effects. The principle of producing pure oxygen or oxygen-enriched air using mixed conductive oxides that have both oxide ion conductivity and electron conductivity is based on the isolation of two types of gases with different oxygen partial pressures. This is based on the phenomenon that oxygen permeates oxides in the form of oxide ions from the higher oxygen partial pressure side to the lower oxygen partial pressure side.

【0003】例えば、酸素含有混合ガス(空気など)を
圧縮しておき、回収ガス(純酸素あるいは酸素富化空
気)より高い酸素分圧とすることにより、酸素含有混合
ガスから酸素ガスを分離する。酸素ガスを分離する効率
は、混合伝導性酸化物の厚みが同じである場合、酸化物
イオン伝導率に大きく依存するが、この伝導率は温度に
よって大きく変化するため、実用上800℃以上の温度領
域が選ばれる。この温度領域においてガスシール性が低
いと、得られる酸素の純度が低下したり、酸素富化空気
の製造効率が低下するという問題が生じる。
For example, by compressing an oxygen-containing mixed gas (such as air) and setting the oxygen partial pressure higher than that of a recovered gas (pure oxygen or oxygen-enriched air), the oxygen gas is separated from the oxygen-containing mixed gas. . The efficiency of separating oxygen gas greatly depends on the oxide ion conductivity when the mixed conductive oxides have the same thickness. An area is selected. If the gas sealing property is low in this temperature range, there arise problems that the purity of the obtained oxygen decreases and the production efficiency of oxygen-enriched air decreases.

【0004】2番目の例として、同じく混合伝導性酸化
物を用いた炭化水素ガスの部分酸化に代表される隔膜リ
アクターについて述べる。天然資源の有効活用の観点か
ら天然ガス液体燃料化技術(gas to liquid =GTL)が注
目を集めるようになってきているが、この技術は、その
要素技術として重要なものである。隔膜リアクターの原
理は、酸素含有ガス(例えば、空気)と炭化水素ガス
(例えば、メタンを主成分とする天然ガス)を混合伝導
性酸化物で隔離することにより、空気側から炭化水素ガ
ス側に酸素が酸化物中を透過し、炭化水素ガス側の酸化
物表面において炭化水素ガスを酸化させて合成ガス(一
酸化炭素と水素の混合ガス)や部分酸化体などを得るも
のである。上述の酸素製造と同様、動作温度として800
℃以上が選ばれる。この温度領域においてガスシール性
が低いと、反応効率低下の大きな要因となるばかりか、
極端な場合には炭化水素の完全燃焼が一気に起こり、爆
発の危険性も生ずる。
[0004] As a second example, a membrane reactor typified by partial oxidation of a hydrocarbon gas using a mixed conductive oxide will be described. From the viewpoint of effective utilization of natural resources, natural gas liquid fuel technology (gas to liquid = GTL) has been attracting attention, but this technology is important as its elemental technology. The principle of the diaphragm reactor is to separate the oxygen-containing gas (for example, air) and the hydrocarbon gas (for example, natural gas mainly composed of methane) from the air side to the hydrocarbon gas side by separating them with a mixed conductive oxide. Oxygen permeates the oxide and oxidizes the hydrocarbon gas on the oxide surface on the hydrocarbon gas side to obtain a synthesis gas (mixed gas of carbon monoxide and hydrogen) and a partial oxidant. As with the oxygen production described above, the operating temperature is 800
° C or higher is selected. If the gas sealing property is low in this temperature range, not only will the reaction efficiency decrease be a major factor,
In extreme cases, complete combustion of hydrocarbons occurs at once, and there is a risk of explosion.

【0005】3番目の例として、発電効率が高く、クリ
ーンな環境調和型の発電方式であることで注目されてい
る酸化物イオン伝導性酸化物を用いた固体酸化物燃料電
池について述べる。この技術は、燃料電池を高温動作さ
せるため、廃熱をコ・ジェネレーションに利用すれば、
最終的に70〜80%の総合エネルギー効率が期待できる利
点を有し、現在盛んに研究開発が行われている。固体酸
化物燃料電池の動作原理は、水素等の燃料ガスと空気を
酸化物イオン伝導性酸化物で隔離して、酸化物中を酸化
物イオンが移動することにより電力を得るものである。
現在開発が進められているイットリア安定化ジルコニア
(YSZ)は、酸化物イオン伝導性酸化物の中では高いイオ
ン伝導率を有することで知られているが、上述した混合
伝導性酸化物より低い。このため、YSZを用いた固体酸
化物燃料電池の動作温度域は900℃以上となる。本技術
においても、ガスシール性が低いと出力低下の最大の原
因となったり、爆発といった最悪の事態を招く可能性が
ある。
[0005] As a third example, a solid oxide fuel cell using an oxide ion conductive oxide, which has attracted attention for its high power generation efficiency and a clean environment-friendly power generation system, will be described. This technology uses waste heat for co-generation to operate fuel cells at high temperatures.
Ultimately, it has the advantage that a total energy efficiency of 70-80% can be expected, and it is currently being actively researched and developed. The operating principle of a solid oxide fuel cell is to separate fuel gas such as hydrogen and air from each other with an oxide ion conductive oxide, and to obtain electric power by moving oxide ions through the oxide.
Yttria stabilized zirconia currently under development
(YSZ) is known to have a high ionic conductivity among oxide ion conductive oxides, but is lower than the mixed conductive oxides described above. Therefore, the operating temperature range of the solid oxide fuel cell using YSZ is 900 ° C. or higher. Also in the present technology, if the gas sealing property is low, it may be the largest cause of the output decrease or may cause the worst situation such as explosion.

【0006】このように、800℃を超える高温領域での
シール技術は非常に重要な意味を持っており、種々のシ
ール方法が考案されているが、その多くは開発が最も進
んでいる燃料電池の分野で見ることができる。
As described above, the sealing technology in a high temperature region exceeding 800 ° C. has a very important meaning, and various sealing methods have been devised, but most of them are the most developed fuel cells. You can see in the field.

【0007】平板型構造の燃料電池の場合、電池セルと
セパレーター(もしくはインターコネクター)の間をシ
ールする必要がある。シール材として、セラミックス接
着剤、ほう珪酸ガラスや珪酸ソーダガラスなどの各種ガ
ラス、耐熱性金属ガスケット、酸化物微粉末を焼成した
焼結体などが知られている。
[0007] In the case of a flat-type fuel cell, it is necessary to seal between the battery cell and the separator (or interconnector). As a sealing material, various types of glass such as a ceramic adhesive, borosilicate glass and sodium silicate glass, a heat-resistant metal gasket, and a sintered body obtained by firing fine oxide powder are known.

【0008】特開平5-325999号公報では、珪酸ソーダガ
ラスの組成比を制御して、固相線以上、液相線以下の固
液共存範囲で固相がマトリックスを形成し、液層がシー
ル材として機能する2元系以上の酸化物からなるシール
材を開示している。
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-325999, the solid phase forms a matrix in the solid-liquid coexistence range from the solidus line to the liquidus line by controlling the composition ratio of sodium silicate glass, and the liquid layer is sealed. A sealing material comprising a binary or higher oxide functioning as a material is disclosed.

【0009】特開平6-231784号公報では、セラミックス
繊維で補強された金属箔を骨材とし、この骨材に珪酸ソ
ーダガラスを保持させたシール材を開示している。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-231784 discloses a sealing material in which a metal foil reinforced with ceramic fibers is used as an aggregate, and the aggregate holds sodium silicate glass.

【0010】特開平8-7904号公報では、セパレーターを
予め酸素雰囲気中で熱処理して表面に酸化物層を形成す
ることにより、セパレーターとガラス質のシール材の適
合性を上げ、シール性を向上させている。
In JP-A-8-7904, the compatibility between the separator and the vitreous sealing material is improved and the sealing property is improved by preliminarily heat-treating the separator in an oxygen atmosphere to form an oxide layer on the surface. Let me.

【0011】特開平9-115530号公報では、セパレーター
の上下面にそれぞれ凹部と突起部を備え、これらが嵌合
するありほぞ継ぎ手構造とするとともに、セパレーター
と固体電解質の間に耐熱性金属のガスケットを挿入し互
いに面接触させて気密性を確保する方法を開示してい
る。
In Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 9-155530, a separator and a mortise joint are provided on the upper and lower surfaces of a separator to fit them, and a gasket of a heat-resistant metal is provided between the separator and the solid electrolyte. And a method for ensuring airtightness by inserting and contacting with each other.

【0012】特開平10-116624号公報、特開平10-12252
号公報、及び特開平11-154525号公報では、固体電解質
燃料電池の動作温度より高い融点を持つ超微粒子酸化物
を主成分とする原料粉末の焼結体をシール材に用いた固
体電解質燃料電池を開示している。
JP-A-10-116624, JP-A-10-12252
JP-A-11-154525 and JP-A-11-154525 disclose a solid electrolyte fuel cell using a sintered body of a raw material powder mainly composed of an ultrafine oxide having a melting point higher than the operating temperature of the solid electrolyte fuel cell as a sealing material. Is disclosed.

【0013】特開平9-129251号公報では、固体電解質燃
料電池において、接合しようとする2つの材料の成分を
ともに含んだ材料をシール材として用いるシール方法を
開示している。上述の技術は、平板型の燃料電池を対象
としているが、一方、円筒型構造の燃料電池の場合、円
筒形のセルとこれを保持する仕切板との間をシールする
必要がある。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-129251 discloses a sealing method in which a material containing both components of two materials to be joined is used as a sealing material in a solid oxide fuel cell. The above-mentioned technology is directed to a flat fuel cell. On the other hand, in the case of a cylindrical fuel cell, it is necessary to seal between a cylindrical cell and a partition plate holding the cell.

【0014】特開平5-29010号公報、及び特開平5-29011
号公報では、円筒形セルとフランジ間、及びフランジと
ガスシール板(仕切板)間のシールにガラスを用いる固
体電解質燃料電池を開示している。
JP-A-5-29010 and JP-A-5-29011
This publication discloses a solid electrolyte fuel cell using glass for sealing between a cylindrical cell and a flange and between a flange and a gas seal plate (partition plate).

【0015】また、燃料電池以外の分野におけるシール
技術については、P. S. Maiyaら(US Patent 5,725,21
8)が、メタンの部分酸化を行う隔膜リアクターにおい
て、インコネルと固体電解質(SFC-2)の間のシール技術
を開示している。シール材として、SrO, B2O3, SrFeCo
0.5O×酸化物の混合粉末を選択し、これを加熱溶融する
ことによりシール性を持たせている。
Further, regarding sealing technology in fields other than fuel cells, see PS Maiya et al. (US Patent 5,725,21).
8) discloses a sealing technique between Inconel and a solid electrolyte (SFC-2) in a diaphragm reactor for partial oxidation of methane. SrO, B 2 O 3 , SrFeCo as sealing material
A mixed powder of 0.5 O × oxide is selected and melted by heating to provide a sealing property.

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】上述したように、800
℃を超える温度領域でガスシールする技術は、莫大な経
済効果をもたらし、同時に環境問題を解決する最先端技
術を開発する上でなくてはならない要素技術となってい
る。
As described above, as described above, 800
The technology of gas sealing in a temperature region exceeding ° C. has enormous economic effects, and at the same time, is an essential technology in developing a state-of-the-art technology for solving environmental problems.

【0017】しかしながら、従来の技術では、シールの
形成に相当の手間をかけているにもかかわらず、信頼
性、及び熱サイクル性の点でまだ改良の余地を残してお
り、容易にシール形成でき、しかも信頼性、及び熱サイ
クル性に優れたシール技術の確立が強く望まれていた。
However, in the prior art, there is still room for improvement in reliability and thermal cycling, although considerable effort is required to form the seal, and the seal can be easily formed. In addition, there has been a strong demand for the establishment of a sealing technique which is excellent in reliability and thermal cyclability.

【0018】シール技術を困難なものにしている原因の
一つは、材料固有の熱膨張率に起因している。すなわ
ち、使用温度領域が非常な高温であることから、接合材
料の熱膨張率の差がそれほど大きなものでなくても、高
温になる程この差が顕著となってしまうためである。
One of the factors that makes sealing technology difficult is due to the inherent coefficient of thermal expansion of the material. That is, since the operating temperature range is extremely high, even if the difference in the coefficient of thermal expansion of the bonding material is not so large, the difference becomes more pronounced at higher temperatures.

【0019】ここで、代表的な材料について、線熱膨張
係数を以下に挙げておく。ペロブスカイト型酸化物イオ
ン混合伝導性酸化物は、一般に非常に大きな線熱膨張係
数を有する。例えば、高い酸素イオン伝導率を有するこ
とで知られるLa-Sr-Co-Fe系混合伝導性酸化物の室温か
ら800℃までの平均の線熱膨張係数は、(La0 .2Sr0.8)(Co
0.8Fe0.2)O×の場合で約26×10-6/℃であり、(La0.2Sr
0.8)(Co0.4Fe0.4Cu0.2)O×の場合で約20×10-6/℃であ
る。これに対し、金属はステンレス鋼のSUS310Sで17.5
×10-6/℃(0-650℃の平均)、インコロイ(Incoloy 800)
で14.2×10-6/℃(0-100℃の平均)程度と線熱膨張係数
は小さくなり、YSZでは、約10×10-6/℃(0-1000℃の平
均)と更に小さくなる。また、ガラスに至っては1×10- 6
/℃(20-1000℃の平均)前後と、極端に小さな線熱膨張
を示す。ガラスをシール材として使用する従来技術は、
800℃を超える使用温度でガラス部分が溶融するため、
気密性の高い液体シールが実現できることを利用したも
のである。
Here, for typical materials, linear thermal expansion
The coefficients are listed below. Perovskite oxide
Mixed conductive oxides generally have very large linear thermal expansion
Have a number. For example, high oxygen ion conductivity
Temperature of La-Sr-Co-Fe mixed conductive oxides
From 800 ° C to the average linear thermal expansion coefficient is (La0 .2Sr0.8) (Co
0.8Fe0.2) About 26 × 10 for O ×-6/ ° C and (La0.2Sr
0.8) (Co0.4Fe0.4Cu0.2) About 20 × 10 for O ×-6/ ℃
You. In contrast, the metal is 17.5 stainless steel SUS310S.
× 10-6/ ℃ (average of 0-650 ℃), Incoloy (Incoloy 800)
14.2 × 10-6/ ° C (average of 0-100 ° C) and coefficient of linear thermal expansion
Is smaller, about 10 × 10 in YSZ-6/ ℃ (0-1000 ℃ flat
(Average). For glass, 1 × 10- 6
/ ° C (average of 20-1000 ° C), extremely small linear thermal expansion
Is shown. Conventional technology using glass as a sealing material
Because the glass part melts at an operating temperature exceeding 800 ° C,
Utilizing the fact that a highly airtight liquid seal can be realized
It is.

【0020】しかしながら、溶融したガラスをシール材
に用いた場合、使用中に接合部位からシール材が溶出し
てしまったり、上述した純酸素製造のように隔離する2
種類のガスの圧力が同一でないと、溶融したガラスが圧
力差に耐えないといった問題が発生する。また、ガラス
材料では、高い接着強度が得られない、高温での長期使
用において成分の蒸発や結晶化等のシール材の変質が生
じ安定した特性が得られない、低温固化した場合の熱膨
張差が原因で数回のヒートサイクルでシール性が保てな
くなる、被接合材料(特に、酸化物固体電解質)と化学
反応を起こして被接合材料を劣化させるといった問題点
もあった。
However, when the molten glass is used as the sealing material, the sealing material elutes from the joint during use, or the glass is isolated as in the above-described pure oxygen production.
If the pressures of the types of gases are not the same, there arises a problem that the molten glass cannot withstand the pressure difference. In addition, glass materials cannot provide high bonding strength, cannot be used for long-term use at high temperatures, and undergoes deterioration of the sealing material such as evaporation of components and crystallization, and cannot provide stable properties. For this reason, there have been problems that the sealing property cannot be maintained after several heat cycles, and a chemical reaction occurs with a material to be joined (particularly, an oxide solid electrolyte) to deteriorate the material to be joined.

【0021】前出の特開平10-116624号公報、特開平10-
12252号公報、特開平11-154525号公報、特開平9-129251
号公報、及びUS Patent 5,725,218では、シール材の熱
膨張率が接合しようとする2種類の材料の熱膨張率に近
いため、熱膨張率の差異に起因した問題を解決し、高温
での長期使用においても安定したガスシール性と耐熱サ
イクル性を付与することを狙ったものである。
The aforementioned JP-A-10-116624 and JP-A-10-116624
No. 12252, JP-A-11-154525, JP-A-9-129251
No. 5,725,218, the thermal expansion coefficient of the sealing material is close to the thermal expansion coefficient of the two types of materials to be joined, so the problem caused by the difference in the thermal expansion coefficient is solved, and long-term use at high temperature is solved. The purpose of the present invention is to provide stable gas sealability and heat cycle resistance.

【0022】しかしながら、シール材の焼成温度が2つ
の被接合材料の焼成温度に近且つたり、組み合わせによ
っては一方の被接合材料の焼成温度より高くなる場合が
あり、シール材を焼成する段階で被接合材料が熱によっ
てダメージを受けるといった問題があった。また、都度
シール材を調製し、焼結させるという手間のかかる方法
であること、シール性にまだ改善の余地を残す、などの
問題も有り、未だに実用化に供されていない。
However, the firing temperature of the sealing material may be close to the firing temperature of the two materials to be bonded, or may be higher than the firing temperature of one of the materials to be bonded depending on the combination. There has been a problem that the bonding material is damaged by heat. In addition, there are problems such as a time-consuming method of preparing and sintering a sealing material each time, and leaving a room for improvement in sealing properties, and have not yet been put to practical use.

【0023】本発明は、上記問題に鑑みてなされたもの
であり、800℃以上の高温領域において、容易にシール
形成でき、しかも信頼性や熱サイクル特性に優れたシー
ルを有する複合体及びその製造方法、並びにこの複合体
を用いた装置を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and has a seal which can be easily formed in a high temperature region of 800 ° C. or more, and has a seal excellent in reliability and heat cycle characteristics, and production of the composite. It is an object of the present invention to provide a method and an apparatus using the composite.

【0024】[0024]

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
めの本発明の要旨は、次の通りである。 (1)複数の部材を組み合わせて形成される貯留部を有
する構造体と、金属部材とを含む複合体であって、前記
金属部材が前記貯留部に充填され、且つ前記構造体を構
成する前記部材の組み合せ境界部の一部又は全部に前記
金属部材が充填されてなることを特徴とするシール性を
有する複合体。
The gist of the present invention for solving the above-mentioned problems is as follows. (1) A composite including a structure having a storage portion formed by combining a plurality of members, and a metal member, wherein the metal member is filled in the storage portion and forms the structure. A composite having sealing properties, characterized in that a part or all of a combination boundary of members is filled with the metal member.

【0025】(2)前記金属部材の軟化温度は、前記構
造体を構成する前記部材の軟化温度より低温であること
を特徴とする(1)に記載のシール性を有する複合体。
(2) The composite having sealing properties according to (1), wherein the softening temperature of the metal member is lower than the softening temperature of the members constituting the structure.

【0026】(3)前記金属部材は、銀又は銀合金であ
ることを特徴とする(2)に記載のシール性を有する複
合体。
(3) The composite having sealability according to (2), wherein the metal member is silver or a silver alloy.

【0027】(4)前記構造体を構成する前記各部材
は、セラミックス又は金属を材料とし、セラミックス同
士、金属同士、又はセラミックスと金属の組み合わせと
して構造体が構成されることを特徴とする(1)に記載
のシール性を有する複合体。
(4) Each of the members constituting the structure is made of ceramic or metal, and the structure is formed of ceramics, metals, or a combination of ceramic and metal. A) a composite having the sealing property described in the above);

【0028】(5)前記構造体を構成する前記部材の室
温から850℃までの平均線熱膨張係数が、16×10-6/℃
以上26×10-6/℃以下である請求項4に記載のシール性
を有する複合体。
(5) The average linear thermal expansion coefficient from room temperature to 850 ° C. of the member constituting the structure is 16 × 10 −6 / ° C.
The composite having a sealing property according to claim 4, which is not less than 26 × 10 -6 / ° C.

【0029】(6)前記構造体を構成する前記部材の一
部が、酸化物イオン透過性を有する酸化物材料であるこ
とを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のシ
ール性を有する複合体。
(6) The seal according to any one of claims 1 to 5, wherein a part of the member constituting the structure is an oxide material having an oxide ion permeability. Complex having properties.

【0030】(7)酸化物イオン透過性の酸化物層を有
し一端が封じられた中空部材とフランジ部材とを少なく
とも組み合わせてなる構造体と、銀又は銀合金との複合
体であって、前記構造体は、前記中空部材の開放端と前
記フランジ部材とを組み合わせて形成される貯留部を有
し、前記貯留部に前記銀又は銀合金を充填してなること
を特徴とするシール性を有する複合体。
(7) A composite of silver or a silver alloy and a structure having at least a combination of a hollow member and a flange member having an oxide ion-permeable oxide layer and one end of which is sealed, The structure has a storage portion formed by combining an open end of the hollow member and the flange member, and has a sealing property characterized by being filled with the silver or silver alloy in the storage portion. Complex having.

【0031】(8)周状の凹部を有する部材と、前記凹
部に挿入可能な凸部を有する部材とを組み合わせてなる
複合体であって、前記各部材は、金属及びセラミックス
から選ばれる少なくとも1種からなり、前記凹部に前記
凸部を挿入して形成された貯留部に銀又は銀合金を充填
してなることを特徴とするシール性を有する複合体。
(8) A composite comprising a member having a circumferential concave portion and a member having a convex portion insertable into the concave portion, wherein each member is at least one member selected from metal and ceramics. A composite having a sealing property, comprising a seed, wherein a storage portion formed by inserting the convex portion into the concave portion is filled with silver or a silver alloy.

【0032】(9)複数の部材を組み合わせて貯留部を
有する構造体を形成する工程と、前記構造体を構成する
前記部材よりも低温で軟化する金属部材又は金属化部材
から選ばれる少なくとも1種の金属材料を前記貯留部に
挿入する工程と、少なくとも前記貯留部を、当該貯留部
に挿入された前記金属材料の軟化温度以上前記構造体を
構成する前記部材の軟化温度未満の温度範囲に加熱し
て、前記金属材料を前記貯留部及び前記構造体を構成す
る部材の組み合せ境界部の少なくとも一方に充填しなが
ら、前記金属材料を固化させる工程とを含むことを特徴
とするシール性を有する複合体の製造方法。
(9) A step of forming a structure having a storage portion by combining a plurality of members, and at least one member selected from a metal member or a metalized member softened at a lower temperature than the members constituting the structure. Inserting the metal material into the storage portion, and heating at least the storage portion to a temperature range equal to or higher than the softening temperature of the metal material inserted into the storage portion and lower than the softening temperature of the member constituting the structure. And solidifying the metal material while filling the metal material into at least one of the combination boundaries of the storage portion and the members constituting the structure. How to make the body.

【0033】(10)前記貯留部に挿入される前記金属
材料は、銀、銀合金、銀を含む粘土、銀合金を含む粘
土、銀を含むスラリー、及び銀合金を含むスラリーから
選ばれた1種であることを特徴とする(9)に記載のシ
ール性を有する複合体の製造方法。
(10) The metal material inserted into the storage section is selected from silver, a silver alloy, a clay containing silver, a clay containing a silver alloy, a slurry containing silver, and a slurry containing a silver alloy. The method for producing a composite having sealability according to (9), which is a seed.

【0034】(11)(1)〜(8)のいずれか1つに
記載のシール性を有する複合体を備えてなる酸素分離装
置。
(11) An oxygen separator comprising the composite having a sealing property according to any one of (1) to (8).

【0035】(12)(1)〜(8)のいずれか1つに
記載のシール性を有する複合体を備えてなる隔膜リアク
ター。
(12) A diaphragm reactor comprising the composite having a sealing property according to any one of (1) to (8).

【0036】[0036]

【発明の実施の形態】以下、本発明を適用した好適な実
施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments to which the present invention is applied will be described below in detail with reference to the drawings.

【0037】−複合体の構造− まず、本発明の複数部材を組み合わせて形成される「貯
留部」とは、重力場のみ働いている状態で流動する材料
を配したとき、流動材料が流出しないで留まる部分を差
し、重力以外の力(例えば、遠心力など)が働いている
場合は含まない。
-Structure of the Composite-First, the "reservoir" formed by combining a plurality of members of the present invention means that when a material that flows while only the gravitational field is working is disposed, the flowing material does not flow out. And does not include cases where a force other than gravity (eg, centrifugal force) is applied.

【0038】次に、本発明の好ましい具体的を図1にあ
げる。図1は、複数の部材を組み合わせて形成される貯
留部を有する構造体と金属部材との複合体の断面模式図
である。いずれも、前記金属部材が前記構造体の貯留部
に充填され、且つ前記構造体を形成する部材の組み合わ
せ境界部の一部又は全部に前記金属部材が充填されてい
る。
Next, a preferred embodiment of the present invention is shown in FIG. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a composite of a metal member and a structure having a storage portion formed by combining a plurality of members. In any case, the metal member is filled in the storage portion of the structure, and the metal member is filled in a part or the entirety of a combination boundary portion of members forming the structure.

【0039】図1の(a)、(b)、(c)は、2つの部材(1、
2)からなる構造体と金属部材3との複合体で、金属部材
3によって部材1と部材2の境界部4がシールされている。
図1の(d)、(e)、(f)は、3つの部材(5、6、7)からな
る構造体と金属部材8との複合体で、金属部材8によって
部材5と部材6の境界部9、及び/又は、部材5と部材7の
境界部10がシールされている。
FIGS. 1A, 1B, and 1C show two members (1, 2).
The composite of the structure consisting of 2) and the metal member 3
3 seals the boundary 4 between the member 1 and the member 2.
1 (d), (e), and (f) show a composite of a metal member 8 and a structure composed of three members (5, 6, 7). The boundary 9 and / or the boundary 10 between the members 5 and 7 are sealed.

【0040】前記金属部材は、前記構造体を形成する全
ての部材に比較して低い軟化温度を有するものが選ばれ
る。すなわち、金属部材3は部材1、2のいずれよりも低
い温度で軟化する部材であり、金属部材8は部材5〜7の
いずれよりも低い温度で軟化する部材である。
The metal member is selected to have a lower softening temperature than all the members forming the structure. That is, the metal member 3 is a member that softens at a temperature lower than any of the members 1 and 2, and the metal member 8 is a member that softens at a temperature lower than any of the members 5 to 7.

【0041】このように本発明に用いられる金属部材
は、複数の部材を組み合わせて形成される貯留部を有す
る構造体の全ての部材に比較して、低い軟化温度を有す
るものであれば如何なるものでもよいが、特に、構造体
を形成する全ての部材が1000℃で軟化することなく安定
な材料である場合には、銀又は銀合金が次の2つの理由
から好適に用いられる。第一の理由は、銀の融点が961
℃であり、銀合金の融点もこの付近にあるため、軟化温
度の関係が本発明の範囲に入るためである。銀又は銀合
金が用いられる第二の理由は、銀の化学的な特性によ
る。銀は、室温から200℃近くまでは酸化物が安定であ
るが、それ以上になると酸素を放出して金属が安定とな
る性質を持つ。即ち、大気中で熱処理しても高温では金
属状態を保つことから、構造体を形成する部材との界面
に酸化物が成長することにより複数部材の組み合わせ境
界部でのシール性が損なわれるといったことがなく、信
頼性の高いシールを実現することができるためである。
更に、銀の化学的な安定性から、被接合部材が化学反応
を受けて特性劣化することもない。
As described above, the metal member used in the present invention is not limited as long as it has a lower softening temperature than all members of the structure having the storage portion formed by combining a plurality of members. However, silver or a silver alloy is preferably used for the following two reasons, especially when all the members forming the structure are stable materials without softening at 1000 ° C. The first reason is that the melting point of silver is 961
° C, and the melting point of the silver alloy is also in the vicinity of this, so that the relationship of the softening temperature falls within the range of the present invention. The second reason silver or silver alloys are used is due to the chemical properties of silver. Silver has the property that the oxide is stable from room temperature to about 200 ° C., but above that temperature, it releases oxygen to stabilize the metal. That is, even if heat treatment is performed in the air, the metal state is maintained at a high temperature, so that the oxide grows on the interface with the members forming the structure, thereby impairing the sealing performance at the boundary between the combined members. This is because a highly reliable seal can be realized.
Further, due to the chemical stability of silver, the members to be joined do not suffer from a chemical reaction and are not deteriorated in characteristics.

【0042】銀合金の組成は、いずれの組成でもよい
が、ここで述べた銀の特徴を損なわないためには、銀の
配合成分として35質量%以上であることが望ましい。銀
以外の成分としては、例えば、Cu、Zn、Pb、Cd、Ni、S
n、Mn、Li、In、Pd、Ti、Crなどを配合することができ
る。
The composition of the silver alloy may be any composition, but in order not to impair the characteristics of silver described here, it is desirable that the silver component is 35% by mass or more. Components other than silver include, for example, Cu, Zn, Pb, Cd, Ni, S
n, Mn, Li, In, Pd, Ti, Cr and the like can be blended.

【0043】前記構造体を形成する部材1、2、5〜7の材
質は、それぞれセラミックス又は金属であり、複数の部
材を組み合わせて形成される貯留部を有する構造体は少
なくとも2種の材料からなっている。そして、これら前
記構造体を形成する複数部材は、本発明の金属部材とし
て銀系材料を用いる場合には、室温から850℃までの平
均線熱膨張係数として、16×10-6/℃以上、26×10-6
℃以下を有するものであることが望ましい。これは、銀
系材料の室温から850℃までの平均線熱膨張係数が23×1
0-6/℃程度であることから、上述の範囲をはずれると
熱膨張差に基づく応力が発生し、シールの信頼性低下に
つながるためである。また、前記構造体を形成する複数
の部材は、お互いなるべく近い平均線熱膨張係数を有す
るものであることが望ましい。一方、本発明では、800
℃を超える高温においてもシール性を保持することがで
きるシール構造に特徴を持つ複合体の提供を目的とする
ため、セラミックスや金属以外の、例えば、高分子材料
など耐熱性のない材料は構造体を形成する部材としては
好ましくない。
The materials of the members 1, 2, 5 to 7 forming the structure are ceramics or metals, respectively. The structure having a storage portion formed by combining a plurality of members is made of at least two materials. Has become. When a silver-based material is used as the metal member of the present invention, the plurality of members forming the structure have an average linear thermal expansion coefficient from room temperature to 850 ° C. of 16 × 10 −6 / ° C. or more. 26 × 10 -6 /
Desirably, it has a temperature of not more than ° C. This is because the average linear thermal expansion coefficient of a silver-based material from room temperature to 850 ° C is 23 × 1
Because the temperature is about 0 −6 / ° C., if the above range is not satisfied, a stress is generated based on a difference in thermal expansion, which leads to a reduction in seal reliability. Further, it is preferable that the plurality of members forming the structure have an average linear thermal expansion coefficient as close as possible to each other. On the other hand, in the present invention, 800
In order to provide a composite characterized by a sealing structure that can maintain sealing properties even at high temperatures exceeding ℃, materials other than ceramics and metals, such as polymer materials, which do not have heat resistance, are structural members. It is not preferable as a member for forming.

【0044】本発明の複合体を純酸素、酸素富化空気な
どの製造装置、炭化水素ガスの部分酸化に代表される隔
膜リアクター、あるいは固体酸化物燃料電池等に用いる
場合には、構造体を形成する部材として酸化物イオン透
過性の酸化物材料が含まれる。酸化物イオン透過性の酸
化物材料としては、酸化ビスマス系、セリア系、ジルコ
ニア系などの酸化物イオン伝導体や、ペロブスカイト型
酸化物、パイロクロア型酸化物やセリアを含むジルコニ
アなどの酸化物イオン−電子混合伝導体など、850℃で1
0-2Scm-1以上の酸化物イオン伝導率を有する酸化物
が好適に用いられるが、用途によってはこれ以下の伝導
率を示す酸化物でもよい。
When the composite of the present invention is used in an apparatus for producing pure oxygen, oxygen-enriched air, etc., a membrane reactor typified by partial oxidation of hydrocarbon gas, a solid oxide fuel cell, or the like, The member to be formed includes an oxide material that is permeable to oxide ions. Examples of oxide ion-permeable oxide materials include oxide ion conductors such as bismuth oxide, ceria, and zirconia, and oxide ions such as zirconia including perovskite oxide, pyrochlore oxide, and ceria. 1 at 850 ° C, such as electronic mixed conductors
An oxide having an oxide ion conductivity of 0 -2 Scm -1 or more is preferably used, but an oxide having a conductivity of less than this may be used depending on the application.

【0045】本発明の複合体を純酸素、酸素富化空気な
どの製造装置、炭化水素ガスの部分酸化に代表される隔
膜リアクター、あるいは固体酸化物燃料電池等に用いる
場合、酸化物イオンの透過量を増大させ、製造効率、反
応効率、あるいは発電効率を上げるために、可能な限り
酸化物イオンの透過面積を増大させることが重要とな
る。そのための複合体の好ましい具体例を図2に示す。
When the composite of the present invention is used in an apparatus for producing pure oxygen, oxygen-enriched air, etc., a membrane reactor typified by partial oxidation of hydrocarbon gas, or a solid oxide fuel cell, etc. In order to increase the amount and increase the production efficiency, reaction efficiency, or power generation efficiency, it is important to increase the oxide ion permeation area as much as possible. FIG. 2 shows a preferred specific example of the composite for that purpose.

【0046】図2の具体例は、酸化物イオン透過性の酸
化物層を有する一端が封じられた中空部材11と、中空部
材11の外径より大きな外径を有するフランジ部材12が組
み合わされた構造体と銀又は銀合金13との複合体の断面
模式図である。いずれも、中空部材の開放端とフランジ
部材とを組み合わせて貯留部が形成され、貯留部に銀又
は銀合金が充填されることにより、中空部材11とフラン
ジ部材12の境界部14がシールされる。これらの複合体
を、ある空間に集積度高く並べることにより、透過面積
を飛躍的に増大させることができる。
In the embodiment shown in FIG. 2, a hollow member 11 having an oxide layer that is permeable to oxide ions is sealed at one end, and a flange member 12 having an outer diameter larger than the outer diameter of the hollow member 11 is combined. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a composite of a structure and silver or a silver alloy 13. In any case, a storage portion is formed by combining the open end of the hollow member and the flange member, and the storage portion is filled with silver or a silver alloy, whereby the boundary portion 14 between the hollow member 11 and the flange member 12 is sealed. . By arranging these composites in a certain space with a high degree of integration, the transmission area can be dramatically increased.

【0047】図2に挙げた複合体は複数部材が形成する
貯留部の断面形状が長方形になっているが、必ずしも長
方形である必要はなく、図3のような貯留部の断面形状
が三角形やその他の形状であってもよい。
In the composite shown in FIG. 2, the cross-sectional shape of the storage portion formed by the plurality of members is rectangular. However, the cross-sectional shape of the storage portion as shown in FIG. Other shapes may be used.

【0048】図2及び図3で例示した中で、図2(j)、
あるいは図3(o)は、フランジ部材12を中空部材11の円
筒内にも挿入するような形状となっており、中空部材11
をより安定して固定することができる。またこの構造
は、中空部材を安定に固定するだけでなく、境界部14の
一部が何らかの原因で開口した場合でも貯留部で軟化し
た金属材料が流出してしまうのを防ぐことができるた
め、より信頼性の高い複合体とするうえで効果的であ
る。同様の構造として、図2(k)あるいは図3(p)に例示
したように、フランジ部材12とは別に中芯部材15をもう
けてもよい。
FIG. 2 (j), FIG.
Alternatively, FIG. 3 (o) shows a shape in which the flange member 12 is also inserted into the cylinder of the hollow member 11;
Can be fixed more stably. In addition, this structure not only stably fixes the hollow member, but also prevents the metal material softened in the storage portion from flowing out even when a part of the boundary portion 14 is opened for some reason. It is effective in forming a more reliable composite. As a similar structure, a core member 15 may be provided separately from the flange member 12 as illustrated in FIG. 2 (k) or FIG. 3 (p).

【0049】また、図3(q)に例示したように、フラン
ジ部材12に更に別の部材16を組み合わせて、複数部材が
形成する貯留部の断面形状をL字型にしてもよい。
Further, as illustrated in FIG. 3 (q), another member 16 may be combined with the flange member 12 to form an L-shaped cross section of the storage portion formed by the plurality of members.

【0050】中空部材11は、酸化物イオン透過性の酸化
物層を含む一端が封じられた円筒の形状であって、ここ
で酸化物イオンが選択透過される。従って、中空部材11
は酸化物イオン透過性の酸化物層のみからなっていても
よい。この場合、酸化物イオン以外の物質が酸化物層を
透過しないよう、中空部材全体が十分に緻密化していな
ければならない。そうでないと、せっかくシール性に優
れた複合体を提供しても、酸化物イオン以外の不純物質
が中空部材11を通って拡散してしまい、製造効率、反応
効率、あるいは発電効率が低下する原因となる。
The hollow member 11 is in the form of a cylinder having one end sealed and containing an oxide layer permeable to oxide ions, where oxide ions are selectively permeated. Therefore, the hollow member 11
May consist only of an oxide layer that is permeable to oxide ions. In this case, the entire hollow member must be sufficiently densified so that substances other than oxide ions do not pass through the oxide layer. Otherwise, even if a composite having excellent sealing properties is provided, impurities other than oxide ions diffuse through the hollow member 11 and cause a reduction in production efficiency, reaction efficiency, or power generation efficiency. Becomes

【0051】緻密質の中空部材を製造する方法は、一般
のセラミックス管製造方法がそのまま用いられる。即
ち、所定の組成となるよう、原料粉を秤量、混合後、仮
焼を行い、これを粉砕した後、成形を行う。成形は、静
水圧プレス法(ラバープレス法)、押し出し成形法、泥
奬鋳込み法、など一般的な方法が適用可能である。
As a method for producing a dense hollow member, a general method for producing a ceramic tube is used as it is. That is, the raw material powder is weighed and mixed so as to have a predetermined composition, calcined, pulverized, and then molded. For molding, a general method such as an isostatic pressing method (rubber press method), an extrusion molding method, a plasma casting method, or the like can be applied.

【0052】一方、酸化物イオン透過性の酸化物層が、
一端が封じられた円筒形状の多孔体上に形成された構造
の中空部材であってもよい。この場合、透過効率を上げ
るために酸化物イオン透過性の酸化物層は薄いほど有利
であるが、一方、薄くなるに従い酸化物イオン以外の物
質を透過しないようにすることが困難になる。この酸化
物層に、僅かなクラックや微細なピンホールなどの欠陥
が存在すると、酸化物層が薄いために、酸化物イオン以
外の物質が容易に酸化物層を貫通してしまうからであ
る。そのような場合、酸化物イオン透過性の酸化物層を
更に厚く形成してもよい。また、実施例で述べるよう
に、酸化物層の部分的な補修処理を行うこともでき、中
空部材11にはそのような補修層があっても構わない。
On the other hand, the oxide ion-permeable oxide layer is
It may be a hollow member having a structure formed on a cylindrical porous body having one end sealed. In this case, the thinner the oxide-ion-permeable oxide layer is, the more advantageous it is in order to increase the transmission efficiency. On the other hand, as the thickness becomes thinner, it becomes more difficult to prevent the passage of substances other than oxide ions. This is because, if defects such as slight cracks and minute pinholes exist in the oxide layer, substances other than oxide ions easily penetrate the oxide layer because the oxide layer is thin. In such a case, the oxide layer that is permeable to oxide ions may be formed thicker. Further, as described in the embodiment, partial repair processing of the oxide layer can be performed, and the hollow member 11 may have such a repair layer.

【0053】一端が封じられた円筒形状の多孔体は、耐
熱性があり、その上に形成される酸化物層と極端な反応
を起こすことがなければ、その材質は問わないが、望ま
しい材質としては、その上に形成される酸化物層と同一
系列の酸化物である。これは、酸化物層と多孔体の熱膨
張率の整合がよいため、酸化物層内に発生する応力を最
小限にすることができ、より信頼性の高い酸化物イオン
透過性の酸化物層が形成できるためである。
The material of the cylindrical porous body having one end sealed is not limited as long as it has heat resistance and does not cause an extreme reaction with the oxide layer formed thereon. Is an oxide of the same series as the oxide layer formed thereon. This is because the thermal expansion coefficient of the oxide layer and that of the porous body are well matched, so that the stress generated in the oxide layer can be minimized, and a more reliable oxide ion-permeable oxide layer Is formed.

【0054】酸化物イオン透過性の酸化物層を、一端が
封じられた円筒形状の多孔体上に形成するには、まず、
次のようにして多孔体を製造する。通常のセラミックス
合成と同様に、原料粉の混練−仮焼のプロセスを経た
後、例えば、ポリビニルアルコール微粉末を仮焼粉に混
合して、成型・焼成を行う。これは、焼成の段階でポリ
ビニルアルコール微粉末が酸化・気化により除かれ、残
ったセラミックス部分が焼結されて堅固なネットワーク
を形成して多孔化するためである。多孔質セラミックス
を製造する際、仮焼粉に混合する微粉末は、このように
焼成の段階で除かれればよいため、ポリビニルアルコー
ルでなくてもよく、その他の有機化合物や炭素粉、クル
ミの殻、更にはおがくずでもよい。但し、これら仮焼粉
に混合される有機材料の粒径は、多孔体の通気性能や機
械的強度と関係してくるので、適宜、用途に応じて選択
される。
In order to form an oxide ion-permeable oxide layer on a cylindrical porous body having one end sealed, first,
A porous body is manufactured as follows. After passing through a process of kneading and calcining the raw material powder, for example, a fine powder of polyvinyl alcohol is mixed with the calcined powder in the same manner as in ordinary ceramic synthesis, followed by molding and firing. This is because the polyvinyl alcohol fine powder is removed by oxidation and vaporization at the firing stage, and the remaining ceramic portion is sintered to form a rigid network and become porous. When producing porous ceramics, the fine powder to be mixed with the calcined powder need only be removed in the firing step, and thus may not be polyvinyl alcohol, and may be other organic compounds, carbon powder, or walnut. Shells and even sawdust may be used. However, the particle size of the organic material mixed with these calcined powders is appropriately selected according to the use since it depends on the ventilation performance and mechanical strength of the porous body.

【0055】この多孔体の上に形成される酸化物イオン
透過性の酸化物層も種々の形成法がある。例えば、仮焼
粉を溶媒に分散させたスラリーを用いて多孔体上に塗
布、あるいは浸漬し、焼成してもよいし、電気泳動電着
法などにより仮焼粉を堆積させ、これを焼成してもよ
い。また、これらの湿式法以外にも、気相法であるCVD
などの薄膜作製法を用いてもよい。
There are various formation methods for the oxide ion-permeable oxide layer formed on the porous body. For example, using a slurry obtained by dispersing the calcined powder in a solvent, it may be applied or immersed in the porous body and fired, or calcined powder is deposited by an electrophoretic electrodeposition method and the like and fired. You may. In addition to these wet methods, the vapor phase method, CVD
Alternatively, a thin film manufacturing method such as the above may be used.

【0056】フランジ部材12の材質は耐熱性のあるもの
であればいずれを用いてもよく、鉄、クロム、ニッケル
からなるステンレス、銅合金、耐熱合金、あるいはセラ
ミックスなど、幅広く用いることができる。但し、800
℃を超える高温での使用が前提であるため、高温条件下
で部材自体が極端な酸化、あるいは溶融など、構造部材
としてみたときの劣化がないことが、フランジ部材12の
部材に関わる制限となる。望ましい材料としては、セラ
ミックスや耐熱合金であるが、最も望ましい材料は、中
空部材11と同一の材料である。熱膨張率の整合がよく、
熱サイクル性に特に優れるためである。
As the material of the flange member 12, any material having heat resistance may be used, and a wide variety of materials such as stainless steel made of iron, chromium, and nickel, a copper alloy, a heat-resistant alloy, and ceramics can be used. However, 800
Since use at a high temperature exceeding ℃ is premised, the member itself is not extremely oxidized or melted under high temperature conditions, and there is no deterioration when viewed as a structural member, which is a limitation related to the member of the flange member 12. . Desirable materials are ceramics and heat-resistant alloys, but the most desirable material is the same material as the hollow member 11. Good thermal expansion coefficient matching,
This is because the heat cycle property is particularly excellent.

【0057】図4に、周状の凹部を有する金属又はセラ
ミックスからなる部材17と、前記凹部に挿入可能な凸部
を有する金属又はセラミックスからなる部材18とを組み
合わせた複合体の断面模式図を示す。いずれも、前記凹
部に前記凸部を挿入してできた貯留部に銀又は銀合金19
が充填されることにより、両部材(17、18)の境界部20
がシールされる。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a composite in which a member 17 made of metal or ceramic having a circumferential concave portion and a member 18 made of metal or ceramic having a convex portion insertable into the concave portion are combined. Show. In any case, silver or silver alloy 19 is stored in the storage portion formed by inserting the convex portion into the concave portion.
Is filled, the boundary 20 between the two members (17, 18)
Is sealed.

【0058】図1〜4に示したように、本発明の複合体
では、金属部材の上面は自由表面になっている。この構
造は、シール性を保持している金属部材の昇華速度がご
くわずかでも、長時間使用により金属部材が徐々に減少
してシール性が保てなくなる場合に対して、金属部材の
補充が容易にできる利点を提供する。また、接合される
複合部材と金属部材の組み合わせによっては、濡れ性が
非常に悪くなる場合がある。極端な場合、金属部材が境
界部を完全に被覆できずにシール性が発現しないことが
ある。このような場合には、濡れ性改善のための添加元
素を補充して再度熱処理すれば、境界部での濡れ性が改
善してシール性を付与することができ、本発明の構造で
はこのような問題にも対処が容易である。
As shown in FIGS. 1 to 4, in the composite of the present invention, the upper surface of the metal member is a free surface. This structure makes it easy to replenish the metal members even if the metal members that maintain the sealing properties have a very small sublimation speed, but the metal members gradually decrease due to long-term use and the sealing properties cannot be maintained. Provides benefits that can be Also, depending on the combination of the composite member and the metal member to be joined, the wettability may be extremely poor. In an extreme case, the metal member cannot completely cover the boundary portion, and the sealing property may not be exhibited. In such a case, if the additive element for improving the wettability is replenished and the heat treatment is performed again, the wettability at the boundary can be improved and the sealing property can be imparted. Problems are easy to deal with.

【0059】本発明の複合体は、金属部材の軟化温度よ
り低い温度で用いることが望ましい。金属部材の流動性
が失われることにより、非常に優れた差圧耐性が可能と
なるためである。金属部材の軟化温度より低い温度で複
合体を用いるには、逆に、複合体が使用される温度より
若干高い軟化温度を有する金属部材を適宜選択すればよ
い。例えば、800〜900℃程度で複合体を使用する場合に
は、銀又は銀合金が好適に用いられる。
The composite of the present invention is desirably used at a temperature lower than the softening temperature of the metal member. This is because the loss of the fluidity of the metal member enables extremely excellent differential pressure resistance. In order to use the composite at a temperature lower than the softening temperature of the metal member, a metal member having a softening temperature slightly higher than the temperature at which the composite is used may be appropriately selected. For example, when the composite is used at about 800 to 900 ° C., silver or a silver alloy is preferably used.

【0060】−複合体の製造方法− 本発明の複合体は、次のようにして製造することができ
る。即ち、複数の部材を組み合わせて貯留部を有する構
造体を形成してから、前記構造体形成部材よりも低温で
軟化する金属部材及び/又は金属化部材を前記貯留部に
挿入した後、少なくとも前記貯留部を前記金属部材及び
/又は金属化部材の軟化温度以上前記構造体形成部材の
軟化温度未満の温度範囲に加熱して、前記金属部材及び
/又は金属化部材を前記貯留部及び/又は前記構造体を
形成する部材の組み合わせ境界部に充填しつつ金属部材
化(硬化)する。貯留部はシール性に寄与している金属
部材が軟化温度で流出するのを防ぐ働きをしている。
—Method for Producing Composite— The composite of the present invention can be produced as follows. That is, after forming a structure having a storage portion by combining a plurality of members, after inserting a metal member and / or a metalization member that softens at a lower temperature than the structure forming member into the storage portion, The storage unit is heated to a temperature range equal to or higher than the softening temperature of the metal member and / or the metallization member and lower than the softening temperature of the structure forming member, and the metal member and / or the metallization member is heated to the storage unit and / or It is made into a metal member (hardened) while filling the boundary of the combination of the members forming the structure. The reservoir functions to prevent the metal member contributing to the sealing performance from flowing out at the softening temperature.

【0061】金属部材は、熱処理によりいったん流動さ
せから貯留部及び/又は構造体を形成する部材の組み合
わせ境界部に充填されるため、貯留部の形状に見合うサ
イズのインゴット、粉末、粒状、線状、その他いずれの
形状のものを用いてもよい。更に、挿入しようとする金
属の粉末を含んだ粘土やスラリー状にしたものを用いて
もよい。この場合、金属部材化、及び軟化の処理は別々
に行ってもよいが、熱処理を連続して行うことにより、
一度に金属部材を貯留部及び/又は構造体を形成する部
材の組み合わせ境界部に充填することができる。
Since the metal member is caused to flow once by heat treatment and then filled into the combined boundary portion of the members forming the storage portion and / or the structure, the metal member is ingot, powder, granular, or linear in a size corresponding to the shape of the storage portion. Or any other shape. Further, clay or slurry containing metal powder to be inserted may be used. In this case, the metal member and the softening treatment may be performed separately, but by performing the heat treatment continuously,
The metal member can be filled at one time at the combined boundary of the members forming the reservoir and / or the structure.

【0062】−酸素分離装置の構成− 次に、本発明によるシール性に優れた複合体を用いた酸
素分離装置の例を図5に示す。これは、加圧した空気か
ら酸素イオンのみを輸送し、常圧の純酸素を得る酸素製
造装置の例である。図では便宜上2つの複合体を描いて
いるが、さらに多くの複合体を設置しても、基本的な構
成は変わらない。
-Configuration of Oxygen Separator- Next, FIG. 5 shows an example of an oxygen separator using the composite having excellent sealing properties according to the present invention. This is an example of an oxygen production apparatus that transports only oxygen ions from pressurized air to obtain pure oxygen at normal pressure. Although two composites are shown in the figure for convenience, the basic configuration does not change even if more composites are installed.

【0063】中空部材21は、銀又は銀合金23によってフ
ランジ部材22との境界部24がシールされた構造となって
いる。また、本装置は、中空部材21の固定を助け、且つ
銀又は銀合金23の万が一の流出を防ぐ中芯部材25を具備
している。21〜25よりなる構造体は、集積板26に取り付
けられており、銀又は銀合金27によって、集積板26との
境界部28がシールされている。更に、集積板26は、酸素
分離容器29に取り付けられ、銀又は銀合金30によって、
酸素分離容器29との境界部31がシールされている。
The hollow member 21 has a structure in which a boundary 24 with the flange member 22 is sealed by silver or a silver alloy 23. In addition, the present device includes a core member 25 that assists in fixing the hollow member 21 and that prevents silver or silver alloy 23 from flowing out in the unlikely event that the hollow member 21 is fixed. The structure composed of 21 to 25 is attached to the stacking plate 26, and a boundary 28 with the stacking plate 26 is sealed by silver or a silver alloy 27. Further, the accumulation plate 26 is attached to the oxygen separation container 29, and by silver or silver alloy 30,
A boundary portion 31 with the oxygen separation container 29 is sealed.

【0064】この構造は、本発明の複合体の組み合わせ
によって、高温(例えば、850℃)に昇温された酸素分
離容器29を領域32と領域33に分割した構造となってい
る。本装置は、基本的には酸化物イオン透過性の酸化物
層を含んだ一端が封じられた円筒形状の中空部材21によ
って、酸素を領域32から領域33に分離回収するため、領
域32に存在する酸素の分圧を領域33の酸素分圧より高く
設定しておけばよい。例えば、領域32に1MPaに加圧した
空気を導入しておけば、領域32の酸素分圧は0.1MPaより
高くなるため、常圧の領域33(常圧酸素=0.1MPa)で分
離回収することが可能になる。この際、3種類の境界部
(24、28、31)が銀又は銀合金(23、27、30)によって
シールされているため、両領域(32、33)が混合するこ
となく、高純度の酸素が分離回収される。そして、領域
32に常にフレッシュな空気を供給することにより、酸素
分離を長期間にわたり持続させることができる。フレッ
シュな空気を供給しながら一定の加圧状態に保つ方法
は、例えば、昇圧器によって加圧した空気を流量制御装
置によって一定流量で導入口34より供給し、酸素分離に
よって酸素濃度が低下した酸素貧化空気を、背圧弁(図
示せず)を使って排出口35より排出させることにより実
現することができる。
In this structure, the oxygen separation vessel 29 heated to a high temperature (for example, 850 ° C.) is divided into a region 32 and a region 33 by the combination of the composite of the present invention. This device is basically present in the region 32 because oxygen is separated and recovered from the region 32 to the region 33 by the cylindrical hollow member 21 having one end sealed and containing an oxide layer permeable to oxide ions. The partial pressure of oxygen to be applied may be set higher than the partial pressure of oxygen in the region 33. For example, if air pressurized to 1MPa is introduced into the area 32, the oxygen partial pressure in the area 32 will be higher than 0.1MPa. Therefore, it is necessary to separate and collect in the area 33 at normal pressure (normal pressure oxygen = 0.1MPa). Becomes possible. At this time, since the three types of boundaries (24, 28, 31) are sealed with silver or a silver alloy (23, 27, 30), the two regions (32, 33) do not mix, Oxygen is separated and recovered. And the area
By always supplying fresh air to 32, oxygen separation can be maintained for a long time. A method of maintaining a constant pressurized state while supplying fresh air is, for example, a method in which air pressurized by a booster is supplied at a constant flow rate from the inlet 34 by a flow rate control device, and the oxygen concentration is reduced by oxygen separation. This can be realized by discharging the depleted air from the outlet 35 using a back pressure valve (not shown).

【0065】領域32の加圧空気の圧力は、高ければ高い
ほど酸素透過の駆動力が大きくなるため分離速度を上げ
ることができるが、あまり上げすぎると両領域の差圧が
大きくなりすぎて複合体の構成部材が破損する危険性が
出てくる。一方、加圧空気の圧力をあまりに下げすぎる
と酸素分圧が0.1MPaを下回り、酸素を分離することがで
きない。また、酸素分圧を0.1MPaより若干高いレベルに
設定しても、分離によって空気側の酸素濃度が低下して
実効的にほとんど酸素透過の駆動力が発生しない状況と
なる。これを避けるには、供給するフレッシュな空気の
導入量を無限に上げ、酸素濃度の低下を実質上無視でき
るようにすればよいが、実際的ではない。従って、酸素
分離に適当な空気の圧力(括弧内−酸素分圧)として
は、0.5MPa(0.105MPa)以上、3MPa(0.63MPa)以下で
あり、更に望ましくは、0.6MPa(0.126MPa)以上、2MPa
(0.42MPa)以下である。
As the pressure of the pressurized air in the region 32 becomes higher, the driving force of the oxygen permeation becomes larger, so that the separation speed can be increased. There is a risk that body components may be damaged. On the other hand, if the pressure of the pressurized air is too low, the oxygen partial pressure falls below 0.1 MPa, and oxygen cannot be separated. Further, even if the oxygen partial pressure is set to a level slightly higher than 0.1 MPa, the oxygen concentration on the air side is reduced by the separation, and a driving force for effectively transmitting oxygen is hardly generated. To avoid this, the supply of fresh air to be supplied may be increased indefinitely so that the decrease in oxygen concentration can be substantially ignored, but this is not practical. Therefore, the air pressure suitable for oxygen separation (in parentheses-oxygen partial pressure) is 0.5 MPa (0.105 MPa) or more, 3 MPa (0.63 MPa) or less, more preferably 0.6 MPa (0.126 MPa) or more. 2MPa
(0.42 MPa) or less.

【0066】酸化物イオン透過性の酸化物層を有する一
端が封じられた中空部材21は、前述したように、酸化物
イオン透過性の酸化物層のみからなっていてもよいし、
酸化物イオン透過性の酸化物層が一端が封じられた円筒
形状の多孔体上に形成された構造でもよい。更に、酸化
物イオン透過性の酸化物層に補修層が形成されていても
よい。いずれにしても、酸化物イオンのみ輸送し、その
他のガス成分に対しては透過させない構造となってい
る。
As described above, the hollow member 21 having an oxide ion-permeable oxide layer and closed at one end may be composed of only an oxide ion-permeable oxide layer,
A structure in which an oxide ion-permeable oxide layer is formed on a cylindrical porous body having one end sealed may be used. Further, a repair layer may be formed on the oxide layer that is permeable to oxide ions. In any case, the structure is such that only oxide ions are transported and other gas components are not permeated.

【0067】図5に挙げた例では、フランジ部材22と集
積板26を別の材料からなるものとし、両者のシール性を
実現するために、銀又は銀合金27を用いた。この構造
は、中空部材21とフランジ部材22の複合体を一つのユニ
ットとしてメンテナンス(交換など)を行うことを想定
した場合、利便性に優るためである。一方、このような
利便性より装置構造の簡便性を重視する場合には、集積
板26に中空部材を21を直接組み合わせて、銀又は銀合金
27を用いて境界部をシールする構造とすれば、22〜25を
省略することもできる。
In the example shown in FIG. 5, the flange member 22 and the accumulation plate 26 are made of different materials, and silver or a silver alloy 27 is used in order to realize a sealing property between them. This structure is more convenient when it is assumed that maintenance (exchange or the like) is performed using the composite of the hollow member 21 and the flange member 22 as one unit. On the other hand, when importance is attached to the simplicity of the device structure rather than such convenience, the hollow member 21 is directly combined with the accumulation plate 26, and silver or silver alloy is used.
If the structure is used to seal the boundary using 27, 22 to 25 can be omitted.

【0068】−隔膜リアクターの構成− 次に、本発明によるシール性に優れた複合体を用いた隔
膜リアクターの例を図6に示す。これは、メタンを主成
分とする天然ガスと空気を酸化物イオン透過性の酸化物
で隔離し、空気側から天然ガス側に輸送された酸素イオ
ンが、天然ガス側の酸化物表面でメタンを部分酸化して
合成ガス(一酸化炭素と水素)を得る装置の例である。
図では便宜上2つの複合体を描いているが、さらに多く
の複合体を設置しても、基本的な構造は変わらない。ま
た、空気の代わりに酸素を用いてもよい。
-Constitution of Diaphragm Reactor- Next, FIG. 6 shows an example of a diaphragm reactor using the composite having excellent sealing properties according to the present invention. In this method, natural gas containing methane as a main component and air are separated by an oxide-permeable oxide, and oxygen ions transported from the air side to the natural gas side convert methane on the oxide surface on the natural gas side. This is an example of an apparatus for obtaining a synthesis gas (carbon monoxide and hydrogen) by partial oxidation.
Although two composites are illustrated in the figure for convenience, the basic structure does not change even if more composites are installed. Further, oxygen may be used instead of air.

【0069】中空部材37は、銀又は銀合金39によってフ
ランジ部材38との境界部40がシールされた構造となって
いる。また、本装置は、中空部材37の固定を助け、且つ
銀又は銀合金39の万が一の流出を防ぐ中芯部材41を具備
している。37〜41よりなる構造体は、集積板42に取り付
けられており、銀又は銀合金43によって、集積板42との
境界部44がシールされている。更に、集積板42は、リア
クター容器45に取り付けられ、銀又は銀合金46によっ
て、リアクター容器45との境界部47がシールされてい
る。
The hollow member 37 has a structure in which the boundary 40 with the flange member 38 is sealed by silver or a silver alloy 39. In addition, the present device includes a core member 41 that assists in fixing the hollow member 37 and prevents the silver or the silver alloy 39 from flowing out in the unlikely case. The structure consisting of 37 to 41 is attached to the collecting plate 42, and the boundary 44 between the collecting plate 42 and the collecting plate 42 is sealed by silver or a silver alloy 43. Further, the stacking plate 42 is attached to the reactor container 45, and a boundary 47 between the collecting plate 42 and the reactor container 45 is sealed by silver or a silver alloy 46.

【0070】この構造は、本発明の複合体の組み合わせ
によって、高温(例えば、850℃)に昇温されたリアク
ター容器45を領域48と領域49に分割した構造となってい
る。本装置は、空気を空気導入口52より供給し、酸化物
イオン透過性の酸化物層を有する一端が封じられた中空
部材37を通って、天然ガスの存在する領域48側に酸化物
イオンが輸送され、中空部材37表面において天然ガスを
部分酸化する。領域48は、還元性ガスであるため極端に
酸素分圧が低い状態になっているため、常圧でも加圧状
態でもよい。また、領域49側は、これに比して極めて高
い酸素分圧になっているため、加圧してもよいし、常圧
のままでも構わない。この際、複合体のシール性が悪い
と両領域のガスが中空部材37表面以外で混合されるた
め、完全酸化反応が起こるなど、望ましい反応に制御す
ることができな且つたり、最悪の場合、混合により爆発
の危険性が生ずる。本複合体の場合、3種類の境界部
(40、44、47)が銀又は銀合金(39、43、46)によって
シールされているため、高効率のリアクターとして動作
させることができる。
In this structure, the reactor vessel 45 heated to a high temperature (for example, 850 ° C.) is divided into a region 48 and a region 49 by the combination of the composite of the present invention. The present device supplies air from the air inlet 52, passes through the hollow member 37 having one end sealed with an oxide ion-permeable oxide layer, and the oxide ions are supplied to the region 48 where natural gas is present. The natural gas is transported and partially oxidized on the surface of the hollow member 37. Since the region 48 has a remarkably low oxygen partial pressure due to the reducing gas, the region 48 may be in a normal pressure or a pressurized state. Since the region 49 side has an extremely high oxygen partial pressure, the pressure may be increased or the atmospheric pressure may be maintained. At this time, if the sealing property of the composite is poor, the gases in both regions are mixed on the surface other than the surface of the hollow member 37, such as a complete oxidation reaction, and the desired reaction cannot be controlled, or in the worst case, Explosion hazard due to mixing. In the case of the present composite, the three kinds of boundaries (40, 44, 47) are sealed by silver or silver alloy (39, 43, 46), so that the composite can be operated as a highly efficient reactor.

【0071】天然ガスを供給しながら一定の加圧状態に
保つ場合には、酸素分離装置の場合と同様、例えば、加
圧した天然ガスを流量制御装置によって一定流量で導入
口50より供給し、部分酸化されて生成した合成ガスを、
背圧弁(図示せず)を使って排出口51より排出すること
により実現することができる。一方、空気を供給しなが
ら一定の加圧状態に保つ場合には、加圧した空気を流量
制御装置によって一定流量で導入口52より供給し、中空
部材37の透過に寄与しな且つた酸素貧化空気を、背圧弁
(図示せず)を使って排出口53より排出することにより
実現することができる。
When maintaining a constant pressurized state while supplying natural gas, similarly to the case of the oxygen separator, for example, pressurized natural gas is supplied at a constant flow rate from the inlet 50 by a flow rate control device. The synthesis gas generated by partial oxidation is
It can be realized by discharging from the discharge port 51 using a back pressure valve (not shown). On the other hand, when maintaining a constant pressurized state while supplying air, the pressurized air is supplied at a constant flow rate from the inlet 52 by the flow rate control device, and does not contribute to the permeation of the hollow member 37 and has poor oxygen content. It can be realized by discharging the pressurized air from the outlet 53 using a back pressure valve (not shown).

【0072】領域48と領域49の圧力バランスは、酸素分
離装置の時のような制限は特にない。但し、領域48に導
入する天然ガスは、もともと高圧で供給され、また回収
される合成ガスも、高圧のままその後の反応に供される
場合が多いので、そういった場合には、加圧された状態
で動作させる。なお、加圧範囲は、リアクターにかかる
負荷を考えて選定されるが、一般には3MPa程度以下であ
り、望ましくは2MPa程度以下である。一方、領域49に導
入する空気は、天然ガスと同程度に加圧して導入するこ
とにより両領域にかかる差圧を最小限にすることができ
る点で望ましいが、加圧する分コストアップにつながる
ため、圧力条件は適宜決定される。
The pressure balance between the region 48 and the region 49 is not particularly limited as in the case of the oxygen separator. However, the natural gas introduced into the region 48 is originally supplied at a high pressure, and the recovered synthesis gas is often subjected to a subsequent reaction at a high pressure. To work with. The pressurizing range is selected in consideration of the load applied to the reactor, but is generally about 3 MPa or less, preferably about 2 MPa or less. On the other hand, the air to be introduced into the region 49 is desirable in that the pressure difference between the two regions can be minimized by being pressurized and introduced to the same degree as that of natural gas. The pressure conditions are determined as appropriate.

【0073】酸化物イオン透過性の酸化物層を有する一
端が封じられた中空部材37は、前述したように、酸化物
イオン透過性の酸化物層のみからなっていてもよいし、
酸化物イオン透過性の酸化物層が一端が封じられた円筒
形状の多孔体上に形成された構造でもよい。さらに、酸
化物イオン透過性の酸化物層に補修層が形成されていて
もよい。いずれにしても、酸化物イオンのみ輸送し、そ
の他のガス成分に対しては透過させない構造となってい
る。また、中空部材37の天然ガス側最表面には、メタン
を部分酸化させる触媒層が形成されている。この触媒層
には、触媒活性のあるものを含んでいればいずれを用い
てもよい。例えば、Ni、Ruなど一般に知られている
ものが好適に使用される。
As described above, the hollow member 37 having an oxide ion-permeable oxide layer and closed at one end may be composed of only an oxide ion-permeable oxide layer,
A structure in which an oxide ion-permeable oxide layer is formed on a cylindrical porous body having one end sealed may be used. Further, a repair layer may be formed on an oxide layer permeable to oxide ions. In any case, the structure is such that only oxide ions are transported and other gas components are not permeated. Further, a catalyst layer for partially oxidizing methane is formed on the outermost surface of the hollow member 37 on the natural gas side. Any material may be used for the catalyst layer as long as it has a catalytic activity. For example, generally known materials such as Ni and Ru are preferably used.

【0074】図6に挙げた例では、フランジ部材38と集
積板42を別の材料からなるものとし、両者のシール性を
実現するために、銀又は銀合金43を用いた。この構造
は、中空部材37とフランジ部材38の複合体を一つのユニ
ットとしてメンテナンス(交換など)を行うことを想定
した場合、利便性に優るためである。一方、このような
利便性より装置構造の簡便性を重視する場合には、集積
板41に中空部材37を直接組み合わせて、銀又は銀合金を
用いて境界部をシールする構造とすれば、38〜41を省略
することもできる。
In the example shown in FIG. 6, the flange member 38 and the accumulation plate 42 are made of different materials, and silver or a silver alloy 43 is used in order to realize a sealing property between them. This structure is more convenient when it is assumed that maintenance (exchange or the like) is performed with the composite of the hollow member 37 and the flange member 38 as one unit. On the other hand, when importance is placed on the simplicity of the device structure from such convenience, if the hollow plate 37 is directly combined with the accumulation plate 41 and the boundary portion is sealed using silver or a silver alloy, a structure 38 ~ 41 can also be omitted.

【0075】[0075]

【実施例】実際に、次のようにして図5で例示した酸素
分離装置を組み上げた。即ち、中空部材21は、酸化物イ
オン透過性の酸化物層が一端が封じられた円筒形状の多
孔体上に形成された構造とし、フランジ部材22、及び中
芯部材25はSUS304、集積板26、及び酸素分離容器29はSU
S310Sを用いた。中空部材21は、スラリーコート法を用
いて、多孔体上に約50μmの厚さの酸化物イオン透過性
酸化物層を形成した。多孔体と、その上に形成される酸
化物層は同一組成の酸化物とした。また、複数部材を組
み合わせて形成される貯留部に銀粘土を挿入し、銀の軟
化温度で熱処理して、銀からなる23、27及び30を形成し
た。
EXAMPLE An oxygen separator illustrated in FIG. 5 was actually assembled as follows. That is, the hollow member 21 has a structure in which an oxide ion-permeable oxide layer is formed on a cylindrical porous body having one end sealed, and the flange member 22 and the core member 25 are made of SUS304, , And oxygen separation vessel 29 is SU
S310S was used. For the hollow member 21, an oxide ion-permeable oxide layer having a thickness of about 50 μm was formed on the porous body by using a slurry coating method. The porous body and the oxide layer formed thereon were oxides of the same composition. In addition, silver clay was inserted into the storage part formed by combining a plurality of members, and heat treatment was performed at the softening temperature of silver to form silver 23, 27, and 30.

【0076】領域32の圧縮空気の圧力を1MPaに保持し、
850℃にて実験を行ったところ、毎分600ccの酸素が分離
生成することを確認した。得られた酸素の純度は約98%
であり、2%の窒素ガスが混入していることがわ且つた
が、詳細に原因を追究したところ、中空部材21の多孔体
上に形成された酸化物イオン透過性の酸化物層において
極微量のガスリークが認められた。
The pressure of the compressed air in the region 32 is maintained at 1 MPa,
When the experiment was performed at 850 ° C., it was confirmed that 600 cc of oxygen was separated and generated per minute. The purity of the obtained oxygen is about 98%
It was found that nitrogen gas of 2% was mixed.However, when the cause was investigated in detail, it was found that the oxide ion permeable oxide layer formed on the porous body of the hollow member 21 had an extremely small amount. A slight gas leak was observed.

【0077】そこで、スラリーコート法で用いたスラリ
ーに、開放端を除く中空部材21の表面を浸漬し、中空部
材21の内側を減圧することにより、リーク箇所を選択的
に補修した。補修後、焼成して得た中空部材21は、酸化
物イオン透過性酸化物層の厚さは変化しておらず、上述
と同様の実験で、ほぼ同じ速度で酸素を分離できること
を確認するとともに、リークは完全に抑えられ、99.999
%以上の純度の酸素を得ることに成功した。このことか
ら、複合体に存在する境界部においてはいっさいのリー
クはなく、高温において完全なシール性が実現できてい
ることが確認された。
Therefore, the surface of the hollow member 21 except for the open end was immersed in the slurry used in the slurry coating method, and the inside of the hollow member 21 was depressurized to selectively repair the leaked portion. After the repair, the hollow member 21 obtained by firing has not changed the thickness of the oxide ion-permeable oxide layer, and confirmed in the same experiment as above that oxygen can be separated at almost the same rate. , The leak is completely suppressed, 99.999
We succeeded in obtaining oxygen with a purity of more than 10%. From this, it was confirmed that there was no leakage at the boundary existing in the composite, and complete sealing at high temperatures could be realized.

【0078】また、上記酸素分離装置を室温まで冷却
後、再度850℃に昇温する熱サイクルを10回加えた後、8
50℃で再度実験したところ、1回目の実験を完全に再現
できることが確認された。
After the oxygen separator was cooled to room temperature, a heat cycle of raising the temperature to 850 ° C. again was added 10 times,
When the experiment was repeated at 50 ° C., it was confirmed that the first experiment could be completely reproduced.

【0079】[0079]

【発明の効果】本発明によれば、高温で高い信頼性を有
するシール性に優れた複合体を提供でき、これまでシー
ル性改善がネックとなり開発が遅れている幅広い分野に
対して、実用化の可能性を高めることができる。特に、
純酸素、酸素富化空気などの製造装置、炭化水素ガスの
部分酸化に代表される隔膜リアクター、固体酸化物燃料
電池、酸素純化装置、及び熱交換器等に応用すること
で、開発のスピードアップに大きく貢献することができ
る。
According to the present invention, it is possible to provide a composite having excellent sealability having high reliability at a high temperature, and has been put to practical use in a wide range of fields where development has been delayed due to improvement in sealability. Can be increased. In particular,
Speed up development by applying to production equipment for pure oxygen, oxygen-enriched air, etc., diaphragm reactors represented by partial oxidation of hydrocarbon gas, solid oxide fuel cells, oxygen purification equipment, heat exchangers, etc. Can greatly contribute to

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の好ましい具体的であって、複数の部材
を組み合わせて形成される貯留部を有する構造体と金属
部材との複合体の断面模式図である。
FIG. 1 is a preferred specific embodiment of the present invention, and is a schematic cross-sectional view of a composite of a metal member and a structure having a storage portion formed by combining a plurality of members.

【図2】本発明の別の好ましい具体的であって、酸化物
イオンの透過面積を増大させるのに効果的な複合体の断
面模式図である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of another preferred embodiment of the present invention, a composite effective to increase the permeation area of oxide ions.

【図3】図2で示した複合体の別の好ましい具体的であ
って、酸化物イオンの透過面積を増大させるのに効果的
な複合体の断面模式図である。
3 is a schematic cross-sectional view of another preferred embodiment of the composite shown in FIG. 2, which is effective for increasing the permeation area of oxide ions.

【図4】周状の凹部を有する金属又はセラミックスから
なる部材と、前記凹部に挿入可能な凸部を有する金属又
はセラミックスからなる部材とを組み合わせた構造を含
む複合体の例であって、複数部材からなる構造体と金属
部材との複合体の断面模式図である。
FIG. 4 is an example of a composite including a structure in which a member made of metal or ceramic having a peripheral concave portion and a member made of metal or ceramic having a convex portion insertable into the concave portion are combined. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a composite of a structural member made of a member and a metal member.

【図5】本発明によるシール性に優れた複合体を用いた
酸素分離装置の例を示した図である。
FIG. 5 is a diagram showing an example of an oxygen separator using a composite having excellent sealing properties according to the present invention.

【図6】本発明によるシール性に優れた複合体を用いた
隔膜リアクターの例を示した図である。
FIG. 6 is a view showing an example of a diaphragm reactor using a composite having excellent sealing properties according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 貯留部を有する構造体を形成する1つの部材 2 貯留部を有する構造体を形成する別の部材 3 金属部材 4 部材1と部材2の境界部 5 貯留部を有する構造体を形成する1つの部材 6 貯留部を有する構造体を形成する別の部材 7 貯留部を有する構造体を形成するさらに別の部
材 8 金属部材 9 部材5と部材6の境界部 10 部材5と部材7の境界部 11 中空部材 12 フランジ部材 13 銀又は銀合金 14 中空部材11とフランジ部材12の境界部 15 中芯部材 16 別の部材 17 周状の凹部を有する部材 18 部材17と噛み合わせられる凸部を有する部材 19 銀又は銀合金 20 部材17と部材18の境界部 21 中空部材 22 フランジ部材 23 銀又は銀合金 24 中空部材21とフランジ部材22の境界部 25 中芯部材 26 集積板 27 銀又は銀合金 28 フランジ部材22と集積板26の境界部 29 酸素分離容器 30 銀又は銀合金 31 集積板26と酸素分離容器29の境界部 32 複合体によって隔離された1つの領域 33 複合体によって隔離された別の領域 34 空気導入口 35 酸素貧化空気排出口 36 分離・回収酸素 37 中空部材 38 フランジ部材 39 銀又は銀合金 40 中空部材37とフランジ部材38の境界部 41 中芯部材 42 集積板 43 銀又は銀合金 44 フランジ部材38と集積板42の境界部 45 隔膜リアクター容器 46 銀又は銀合金 47 集積板42と隔膜リアクター容器45の境界部 48 複合体によって隔離された1つの領域 49 複合体によって隔離された別の領域 50 天然ガス導入口 51 合成ガス排出口 52 空気導入口 53 酸素貧化空気排出口
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 One member which forms the structure which has a storage part 2 Another member which forms the structure which has a storage part 3 Metal member 4 The boundary part of the member 1 and the member 2 5 One which forms the structure which has a storage part Member 6 Another member forming a structure having a storage portion 7 Still another member forming a structure having a storage portion 8 Metal member 9 Boundary portion between member 5 and member 6 10 Boundary portion between member 5 and member 7 11 Hollow member 12 Flange member 13 Silver or silver alloy 14 Boundary portion between hollow member 11 and flange member 15 Middle core member 16 Another member 17 Member having peripheral concave portion 18 Member having convex portion to be engaged with member 17 19 Silver or silver alloy 20 Boundary portion between member 17 and member 18 21 Hollow member 22 Flange member 23 Silver or silver alloy 24 Boundary portion between hollow member 21 and flange member 22 25 Core member 2 Stacking plate 27 Silver or silver alloy 28 Boundary portion between flange member 22 and collecting plate 26 29 Oxygen separation container 30 Silver or silver alloy 31 Boundary portion between collecting plate 26 and oxygen separation container 29 32 One region isolated by composite 33 Another area isolated by the complex 34 Air inlet 35 Oxygen-poor air outlet 36 Separation / recovery oxygen 37 Hollow member 38 Flange member 39 Silver or silver alloy 40 Boundary part 41 between hollow member 37 and flange member 41 41 Core Member 42 Stacking plate 43 Silver or silver alloy 44 Boundary part between flange member 38 and collecting plate 42 45 Diaphragm reactor vessel 46 Silver or silver alloy 47 Boundary part between collecting plate 42 and diaphragm reactor vessel 45 48 One separated by the complex Area 49 another area isolated by the complex 50 natural gas inlet 51 syngas outlet 52 air channel Mouth 53 oxygen Hinka air outlet

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 堂野前 等 富津市新富20−1 新日本製鐵株式会社技 術開発本部内 (72)発明者 永井 徹 富津市新富20−1 新日本製鐵株式会社技 術開発本部内 Fターム(参考) 4D006 GA41 HA21 JA22C JA22Z JB01 MA02 MB04 MC02X MC03X PB62 PB66 PB67 PC69 PC71 4G042 BA28 BC06 5H026 AA06 EE02 EE12 HH00 HH08 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on front page (72) Inventor, etc. 20-1 Shintomi, Futtsu-shi Nippon Steel Corporation Technology Development Division (72) Inventor Toru Nagai 20-1 Shintomi, Futtsu-shi Nippon Steel Corporation 4D006 GA41 HA21 JA22C JA22Z JB01 MA02 MB04 MC02X MC03X PB62 PB66 PB67 PC69 PC71 4G042 BA28 BC06 5H026 AA06 EE02 EE12 HH00 HH08

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 複数の部材を組み合わせて形成される貯
留部を有する構造体と、金属部材とを含む複合体であっ
て、 前記金属部材が前記貯留部に充填され、且つ前記構造体
を構成する前記部材の組み合せ境界部の一部又は全部に
前記金属部材が充填されてなることを特徴とするシール
性を有する複合体。
1. A composite comprising a structure having a storage portion formed by combining a plurality of members, and a metal member, wherein the metal member is filled in the storage portion and constitutes the structure. A composite having sealability, characterized in that a part or the entirety of a combination boundary of the members is filled with the metal member.
【請求項2】 前記金属部材の軟化温度は、前記構造体
を構成する前記部材の軟化温度より低温であることを特
徴とする請求項1に記載のシール性を有する複合体。
2. The composite having sealability according to claim 1, wherein the softening temperature of the metal member is lower than the softening temperature of the members constituting the structure.
【請求項3】 前記金属部材は、銀又は銀合金であるこ
とを特徴とする請求項2に記載のシール性を有する複合
体。
3. The composite according to claim 2, wherein the metal member is silver or a silver alloy.
【請求項4】 前記構造体を構成する前記各部材は、セ
ラミックス又は金属を材料とし、セラミックス同士、金
属同士、又はセラミックスと金属の組み合わせとして構
造体が構成されることを特徴とする請求項1に記載のシ
ール性を有する複合体。
4. The structure according to claim 1, wherein each of the members forming the structure is made of ceramic or metal, and the structure is formed of ceramics, metals, or a combination of ceramic and metal. A composite having a sealing property according to item 1.
【請求項5】 前記構造体を構成する前記部材の室温か
ら850℃までの平均線熱膨張係数が、16×10-6/℃以上2
6×10-6/℃以下である請求項4に記載のシール性を有
する複合体。
5. The member constituting the structure has an average linear thermal expansion coefficient from room temperature to 850 ° C. of 16 × 10 −6 / ° C. or more.
The composite having sealability according to claim 4, which is at most 6 10-6 / C.
【請求項6】 前記構造体を構成する前記部材の一部
が、酸化物イオン透過性を有する酸化物材料であること
を特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のシー
ル性を有する複合体。
6. The sealing property according to claim 1, wherein a part of the member constituting the structure is an oxide material having an oxide ion permeability. A composite having:
【請求項7】 酸化物イオン透過性の酸化物層を有し一
端が封じられた中空部材とフランジ部材とを少なくとも
組み合わせてなる構造体と、銀又は銀合金との複合体で
あって、 前記構造体は、前記中空部材の開放端と前記フランジ部
材とを組み合わせて形成される貯留部を有し、前記貯留
部に前記銀又は銀合金を充填してなることを特徴とする
シール性を有する複合体。
7. A composite of a structure comprising at least a hollow member having an oxide ion-permeable oxide layer, one end of which is sealed, and a flange member, and silver or a silver alloy, The structure has a storage portion formed by combining the open end of the hollow member and the flange member, and has a sealing property characterized by being filled with the silver or silver alloy in the storage portion. Complex.
【請求項8】 周状の凹部を有する部材と、前記凹部に
挿入可能な凸部を有する部材とを組み合わせてなる複合
体であって、 前記各部材は、金属及びセラミックスから選ばれる少な
くとも1種からなり、前記凹部に前記凸部を挿入して形
成された貯留部に銀又は銀合金を充填してなることを特
徴とするシール性を有する複合体。
8. A composite formed by combining a member having a circumferential concave portion and a member having a convex portion insertable into the concave portion, wherein each of the members is at least one selected from a metal and a ceramic. And a storage part formed by inserting the convex part into the concave part and filling the storage part with silver or a silver alloy.
【請求項9】 複数の部材を組み合わせて貯留部を有す
る構造体を形成する工程と、 前記構造体を構成する前記部材よりも低温で軟化する金
属部材又は金属化部材から選ばれる少なくとも1種の金
属材料を前記貯留部に挿入する工程と、 少なくとも前記貯留部を、当該貯留部に挿入された前記
金属材料の軟化温度以上前記構造体を構成する前記部材
の軟化温度未満の温度範囲に加熱して、前記金属材料を
前記貯留部及び前記構造体を構成する部材の組み合せ境
界部の少なくとも一方に充填しながら、前記金属材料を
硬化させる工程とを含むことを特徴とするシール性を有
する複合体の製造方法。
9. A step of forming a structure having a storage portion by combining a plurality of members, and at least one kind selected from a metal member or a metalized member softened at a lower temperature than the members constituting the structure. A step of inserting a metal material into the storage section, and heating at least the storage section to a temperature range equal to or higher than the softening temperature of the metal material inserted into the storage section and lower than the softening temperature of the member constituting the structure. Curing the metal material while filling at least one of the combination boundary portions of the storage portion and the members constituting the structure with the metal material. Manufacturing method.
【請求項10】 前記貯留部に挿入される前記金属材料
は、銀、銀合金、銀を含む粘土、銀合金を含む粘土、銀
を含むスラリー、及び銀合金を含むスラリーから選ばれ
た1種であることを特徴とする請求項9に記載のシール
性を有する複合体の製造方法。
10. The metal material inserted into the storage part is one selected from silver, a silver alloy, a clay containing silver, a clay containing a silver alloy, a slurry containing silver, and a slurry containing a silver alloy. The method for producing a composite having sealability according to claim 9, wherein:
【請求項11】 請求項1〜8のいずれか1項に記載の
シール性を有する複合体を備えてなる酸素分離装置。
11. An oxygen separator comprising the composite having a sealing property according to claim 1. Description:
【請求項12】 請求項1〜8のいずれか1項に記載の
シール性を有する複合体を備えてなる隔膜リアクター。
12. A diaphragm reactor comprising the composite having a sealing property according to any one of claims 1 to 8.
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