JP2010003623A - Solid oxide fuel cell stack, and bonding material - Google Patents

Solid oxide fuel cell stack, and bonding material Download PDF

Info

Publication number
JP2010003623A
JP2010003623A JP2008163233A JP2008163233A JP2010003623A JP 2010003623 A JP2010003623 A JP 2010003623A JP 2008163233 A JP2008163233 A JP 2008163233A JP 2008163233 A JP2008163233 A JP 2008163233A JP 2010003623 A JP2010003623 A JP 2010003623A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
metal
fuel cell
solid oxide
oxide fuel
cell stack
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2008163233A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Itaru Shibata
格 柴田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to JP2008163233A priority Critical patent/JP2010003623A/en
Publication of JP2010003623A publication Critical patent/JP2010003623A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid oxide fuel cell stack that can resist deformation and mechanical impact owing to the junction of metallic members via a flexible and electrically insulating bonding layer, and to provide a bonding material that can implement such a bonding layer. <P>SOLUTION: The bonding material of, for example, a brazing metal surface-coated with insulating ceramics is used to bond the metallic members 2 constituting generation units 1 via the bonding layer 11 having the metal interposed between insulating ceramics layers. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池スタックにおけるユニット間の接着技術に係わり、より詳しくは、シール性に加えて、電気絶縁性と柔軟性とを兼ね備えた接着層構造と、このような接着に好適に用いられる接着材料に関するものである。   The present invention relates to an adhesion technique between units in a solid oxide fuel cell stack. More specifically, the present invention relates to an adhesion layer structure that combines electrical insulation and flexibility in addition to sealing performance, and to such adhesion. The present invention relates to a suitably used adhesive material.

固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、電解質としてイットリア安定化ジルコニアなどの酸化物イオン導電性を備えた固体電解質を用い、その両側にガス透過性の電極を配置した構造を有し、1000℃近くの高温で作動する電池として知られている。
しかし、近年、電解質特性の改良などによるセル性能の向上に伴って、作動温度の低温下が進み、600〜800℃での運転(発電)ができるようになりつつある。
A solid oxide fuel cell (SOFC) has a structure in which a solid electrolyte having oxide ion conductivity such as yttria-stabilized zirconia is used as an electrolyte, and gas permeable electrodes are arranged on both sides thereof. Known as a battery that operates at nearby high temperatures.
However, in recent years, with the improvement in cell performance due to improvements in electrolyte characteristics, etc., the operating temperature has been decreasing, and operation (power generation) at 600 to 800 ° C. is becoming possible.

このような温度での運転ができるようになると、セパレータなどの燃料電池の構成部品に、従来のセラミックス系材料に替えて耐熱性金属材料を使用することができるようになる。
なお、ここで言う耐熱性金属材料とは、クロムを含む合金であって、ステンレス鋼やニッケル基合金を意味し、具体的にはフェライト系ステンレス鋼や、インコネル(登録商標)、ハステロイ(登録商標)などを挙げることができる。
When the operation at such a temperature becomes possible, it becomes possible to use a heat-resistant metal material instead of a conventional ceramic material for a fuel cell component such as a separator.
The heat-resistant metal material mentioned here is an alloy containing chromium and means stainless steel or nickel-based alloy. Specifically, ferritic stainless steel, Inconel (registered trademark), Hastelloy (registered trademark). ) And the like.

こうした低温作動の固体酸化物形燃料電池の場合、スタック構造としては、セパレータ機能を備え、ガス流路を形成する耐熱金属製のケースに発電要素としてのセラミックセルを内包した形態の発電ユニット(カセットとも称する)とし、これを積層してスタックを構成することになる。   In the case of such a low temperature operation solid oxide fuel cell, the stack structure has a separator function and a power generation unit (cassette) in which a ceramic cell as a power generation element is included in a case made of a heat-resistant metal that forms a gas flow path. These are also stacked to form a stack.

このようなセルや発電ユニットにおける接着構造としては、部位に応じた種々の性能が要求されるが、単電池内における金属部材間の接合に対しては、ガスシール性を考慮して、Ag,Cu,Ti,Ni,Au及びAlのうちの1種以上の金属を含有するろう材を用いることが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2003−86225号公報
As the bonding structure in such a cell or power generation unit, various performances are required depending on the part. For bonding between metal members in a single cell, considering gas sealing properties, Ag, It is known to use a brazing material containing one or more metals of Cu, Ti, Ni, Au, and Al (see, for example, Patent Document 1).
JP 2003-86225 A

しかしながら、発電スタックにおける隣接する発電ユニット同士の接合、すなわち金属ケース間の接合には、ガスシール性のみならず、電気絶縁性が要求されることから、上記のような金属ろう材を使用することはできない。
そのため、このような接合には、通常ガラス材をシール材として使用するようにしており、当該ガラス材の熱膨張係数をケースに用いる耐熱金属と合致させることによって、接着層の割れを防止し、優れたガスシール性と電気絶縁性が達成できるようになりつつある。
However, the joining of adjacent power generation units in the power generation stack, that is, the joining between metal cases, requires not only gas sealing properties but also electrical insulation properties. I can't.
Therefore, for such joining, usually a glass material is used as a sealing material, and by matching the thermal expansion coefficient of the glass material with the refractory metal used in the case, cracking of the adhesive layer is prevented, Excellent gas sealing and electrical insulation properties are being achieved.

ところが、ガラス材は、本質的に脆弱材料であって、柔軟性に欠けることから、金属ケースの変形や機械的衝撃には耐えることができず、電気絶縁性とガスシール性を確保しながら、脆弱性を回避するのには、複雑な接合構造を取らざるを得ないという問題があった。   However, the glass material is essentially a brittle material and lacks flexibility, so it cannot withstand deformation of the metal case or mechanical shock, while ensuring electrical insulation and gas sealing properties, In order to avoid the vulnerability, there was a problem that a complicated joint structure had to be taken.

本発明は、セルを金属製ケース内に収納した発電ユニットを積層し、金属ケース間を接着してスタックを構成して成る固体酸化物形燃料電池における発電ユニット間のガスシール接着に係わる上記課題に鑑みてなされたものである。そして、その目的とするところは、柔軟でしかも電気絶縁性を有する接着層を介して金属部材同士が接合された固体酸化物形燃料電池スタックと、このような接着層を得ることができる接着用材料を提供することにある。   The present invention relates to the above-mentioned problem relating to gas-sealing adhesion between power generation units in a solid oxide fuel cell in which power generation units in which cells are housed in metal cases are stacked and the metal cases are bonded to form a stack. It was made in view of the above. The object is to provide a solid oxide fuel cell stack in which metal members are bonded to each other via a flexible and electrically insulating adhesive layer, and an adhesive layer that can provide such an adhesive layer. To provide materials.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、例えば、表面に電気絶縁性皮膜を備えた粉末状あるいはシート状の金属から成る接着用材料を用いることによって、絶縁層の間に金属が介在した接着層が得られ、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have used, for example, an adhesive material made of a powdery or sheet-like metal having an electrically insulating film on the surface, thereby providing an insulating layer. An adhesive layer with a metal intervening therebetween was obtained, and it was found that the above object could be achieved, and the present invention was completed.

すなわち、本発明の固体酸化物形燃料電池スタックは、発電ユニットを構成する金属部材同士が絶縁性セラミックス層の間に金属が介在して成る接着層を介して接着されていることを特徴とする。   That is, the solid oxide fuel cell stack of the present invention is characterized in that metal members constituting the power generation unit are bonded to each other via an adhesive layer in which a metal is interposed between insulating ceramic layers. .

本発明の接着用材料は、代表的には、シート状又は粒状をなす金属の表面に、絶縁性セラミックス皮膜や、Al及びSiの少なくとも一方を含有する金属皮膜を施して成ることを特徴とする。また、本発明の接着用材料は、Al及びSiの少なくとも一方を含有する金属から成り、シート状又は粒状をなしていることを特徴としている。さらに、粒状をなす上記接着用材料に絶縁性セラミックス粒子を混合して接着用材料とすることも可能である。   The adhesive material of the present invention is typically characterized by applying an insulating ceramic film or a metal film containing at least one of Al and Si on a sheet-like or granular metal surface. . In addition, the adhesive material of the present invention is made of a metal containing at least one of Al and Si, and is characterized by being in the form of a sheet or particles. Furthermore, it is also possible to mix insulating ceramic particles with the above-mentioned adhesive material in the form of particles to form an adhesive material.

そして、本発明接着方法は、本発明の上記接着用材料を被接着部材間に介在させた状態で、酸化雰囲気中で加熱することを特徴としている。   The bonding method of the present invention is characterized by heating in an oxidizing atmosphere with the bonding material of the present invention interposed between the members to be bonded.

本発明によれば、絶縁性セラミックス層の間に金属が介在して成る接着層を介して金属部材同士を接着したから、被接合部材である金属部材に接する絶縁性セラミックス層によって電気絶縁性が確保され、絶縁性セラミックス層の間に介在する金属によって柔軟性が確保される。   According to the present invention, since the metal members are bonded to each other through the adhesive layer in which the metal is interposed between the insulating ceramic layers, the insulating ceramic layer in contact with the metal member that is the bonded member has electrical insulation properties. It is ensured and flexibility is ensured by the metal interposed between the insulating ceramic layers.

以下に、本発明の固体酸化物形燃料電池スタックについて、これに用いる接着用材料や接着方法と共に、さらに具体的かつ詳細に説明する。なお、本明細書において、「%」は特記しない限り、質量百分率を意味するものとする。   Hereinafter, the solid oxide fuel cell stack of the present invention will be described more specifically and in detail together with the bonding material and bonding method used therefor. In the present specification, “%” means mass percentage unless otherwise specified.

図1及び2は、本発明による固体酸化物形燃料電池スタックの一実施形態を示す説明図であって、図1(a)及び(b)は、発電要素であるセルを内包した発電ユニットの斜視図及び断面図である。
また、図2(a)及び(b)は、上記発電ユニットを積層して成るスタックの構造を示すそれぞれ斜視図及び断面図である。
FIGS. 1 and 2 are explanatory views showing an embodiment of a solid oxide fuel cell stack according to the present invention. FIGS. 1 (a) and 1 (b) show a power generation unit including cells as power generation elements. It is a perspective view and sectional drawing.
FIGS. 2A and 2B are a perspective view and a sectional view, respectively, showing the structure of a stack formed by stacking the power generation units.

図1に示す発電ユニット1は、例えばフェライト系ステンレス鋼から形成され、ガス透過性を有する多孔性金属から成るセル支持板2aと、セパレータ板2bを備え、空気及び燃料ガスの流路を形成するケース2を有し、セル支持板2a上には、両極の間に固体電解質を挟持したセル3が形成されている。
そして、上記セル支持板2aとセパレータ板2bの間には、繊維状金属から成るフエルト状の燃料極側集電体4が配置され、セパレータ板2bの図中下方側には、同じくフエルト状の空気極側集電体5が配置されている。なお、当該空気極側集電体5は、積層状態において、図2(b)に示すように、隣接する下方側発電ユニット1の空気極に接触するようになっている。
The power generation unit 1 shown in FIG. 1 is formed of, for example, ferritic stainless steel, and includes a cell support plate 2a made of a porous metal having gas permeability and a separator plate 2b, and forms air and fuel gas flow paths. A cell 3 having a case 2 and having a solid electrolyte sandwiched between both electrodes is formed on the cell support plate 2a.
A felt-shaped fuel electrode side current collector 4 made of a fibrous metal is disposed between the cell support plate 2a and the separator plate 2b, and a felt-shaped current collector 4 is also formed on the lower side of the separator plate 2b in the figure. An air electrode side current collector 5 is disposed. The air electrode side current collector 5 is in contact with the air electrode of the adjacent lower power generation unit 1 in the stacked state, as shown in FIG.

なお、発電要素としての上記セル3は、基本的に固体電解質の両面に燃料極及び空気極を形成した3層構造を有し、電解質材料としては、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、SDC(サマリアドープトセリア)、SSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、LSGM(ランタンがレート)などを挙げることができる。また、燃料極材料としては、例えばNi−YSZ、Ni−SDC、Ni−SSZ等、空気極材料については、LSM(LaSrMnO)、SSC(SrSmCoO)、LSC(LaSrCoO)、LSCF(LaSrCoFeO)などの電子・酸素イオン導電酸化物、あるいはPt、Agのような金属材料を挙げることができるが、特にこれらに限定されるものではない。   The cell 3 as a power generation element basically has a three-layer structure in which a fuel electrode and an air electrode are formed on both sides of a solid electrolyte. Examples of the electrolyte material include YSZ (yttria stabilized zirconia), SDC. (Samaria doped ceria), SSZ (scandia stabilized zirconia), LSGM (lanthanum is a rate) and the like. Further, as the fuel electrode material, for example, Ni-YSZ, Ni-SDC, Ni-SSZ, etc., and as the air electrode material, electrons such as LSM (LaSrMnO), SSC (SrSmCoO), LSC (LaSrCoO), LSCF (LaSrCoFeO), etc. An oxygen ion conductive oxide or a metal material such as Pt or Ag can be mentioned, but is not particularly limited thereto.

上記金属ケース2は、さらに空気及び燃料ガスがそれぞれ通排気される空気孔2cと燃料孔2dを備え、セパレータ板2bにより区分された空気流路6及び燃料ガス流路7が形成される。
なお、当該発電ユニット1において、セル支持板2aと金属ケース2の間の接合には、特に電気絶縁性が要求されることはないが、後述する本発明の接着用材料を用いても何ら支障はない。
The metal case 2 further includes an air hole 2c through which air and fuel gas are exhausted and a fuel hole 2d, respectively, and an air flow path 6 and a fuel gas flow path 7 separated by a separator plate 2b are formed.
In the power generation unit 1, electrical insulation is not particularly required for joining between the cell support plate 2 a and the metal case 2, but there is no problem even if the adhesive material of the present invention described later is used. There is no.

図2は、上記発電ユニット1から成る固体酸化物形燃料電池スタックの構造を示し、図に示す燃料電池スタック10は、図1に示し発電ユニット1を複数個(図示例においては、3個)積層したものである。
ここで、各発電ユニット1におけるケース2(金属部材)同士は、絶縁性セラミックス層の間に金属が介在して成る接着層11を介して、電気的な絶縁状態、かつガスシール状態に接着され、互いの空気流路6及び燃料ガス流路7がそれぞれ連通するようになっている。
FIG. 2 shows the structure of a solid oxide fuel cell stack composed of the power generation unit 1, and the fuel cell stack 10 shown in the figure has a plurality of power generation units 1 shown in FIG. 1 (three in the illustrated example). Laminated.
Here, the cases 2 (metal members) in each power generation unit 1 are bonded to each other in an electrically insulated state and a gas sealed state through an adhesive layer 11 in which a metal is interposed between insulating ceramic layers. The air flow path 6 and the fuel gas flow path 7 communicate with each other.

上記接着層11は、例えば後述する本発明の接着用材料を用いることによって形成することができ、絶縁性セラミックス層の間に金属が介在していることから、各発電ユニット1の金属ケース2間の絶縁性がセラミックス層によって確保される。
一方、中間の金属によって、接着層11の延性、柔軟性が確保され、金属ケース2に変形や機械的衝撃が加わったとしても、接着層11の割れや破断を回避することができるようになる。
The adhesive layer 11 can be formed by using, for example, an adhesive material of the present invention described later, and since a metal is interposed between the insulating ceramic layers, between the metal cases 2 of each power generation unit 1. Is ensured by the ceramic layer.
On the other hand, the ductility and flexibility of the adhesive layer 11 are ensured by the intermediate metal, and even if the metal case 2 is subjected to deformation or mechanical impact, the adhesive layer 11 can be prevented from cracking or breaking. .

上記接着層11を構成するセラミックス層としては、電気絶縁性である限りガラスや酸化物、窒化物、ケイ化物など、特に限定されない。
一方、接着層11における上記セラミックス層中に介在する金属としては、例えば銀ろうなどに代表される金属ろう材を好適に用いることができ、接着用材料中における形態に応じて、接着層中に層状あるいは粒状に介在する。
The ceramic layer constituting the adhesive layer 11 is not particularly limited as long as it is electrically insulating, such as glass, oxide, nitride, or silicide.
On the other hand, as the metal interposed in the ceramic layer in the adhesive layer 11, for example, a metal brazing material typified by silver brazing can be suitably used. Depending on the form in the adhesive material, Interspersed in layers or grains.

上記のような構造の接着層11、すなわち、絶縁性セラミックス層の間に金属が介在した状態の接着層11は、例えば粉末状(粒状)あるいはシート状の金属ろう材の表面に電気絶縁性のセラミックス皮膜を形成した接着用材料を用いることによって形成することができる。   The adhesive layer 11 having the above-described structure, that is, the adhesive layer 11 in which a metal is interposed between the insulating ceramic layers is electrically insulating on the surface of, for example, a powdery (granular) or sheet-like metal brazing material. It can be formed by using an adhesive material on which a ceramic film is formed.

その第1の方法としては、金属ろう粉末や金属ろうシートの表面に、ゾル・ゲル法などによってガラスなどの絶縁性セラミックス皮膜を予め形成してなる接着用材料を被接合部材である金属部材間に介在させ、大気中(酸化性雰囲気)で加熱処理する方法を挙げることができる。
金属ろう表面の絶縁性皮膜は、加熱処理中に金属部材とろう材金属との間に絶縁性セラミックス層を形成する。このとき、金属ろう粉末は、加熱温度に応じて、セラミックス層の間に、そのまま粒状、あるいは軟化、溶融して層状に介在することになる。
As the first method, an adhesive material in which an insulating ceramic film such as glass is formed in advance on the surface of a metal braze powder or a metal braze sheet by a sol-gel method or the like is used between metal members as members to be joined. And a method of performing heat treatment in the air (oxidizing atmosphere).
The insulating film on the surface of the metal brazing forms an insulating ceramic layer between the metal member and the brazing metal during the heat treatment. At this time, the metal brazing powder is intercalated between the ceramic layers in the form of particles, or softened and melted as it is depending on the heating temperature.

また、金属ろう粉末や金属ろうシートの表面に、当該ろう材金属よりも酸化され易く、緻密な絶縁性皮膜を形成する金属であるAlやSiを含有する金属皮膜を施した材料を用いることも可能である。
皮膜中のAlやSiは、酸化性雰囲気中での加熱処理によって酸化され、同様に被接合部材である金属部材と金属ろう材との間に絶縁性セラミックス層を自然発生的に形成する。なお、上記金属皮膜は、めっきや溶射、コーティング等によって金属ろう材の表面に形成することができる。また、アルミニウム箔を被せたり、貼り付けたりすることも可能である。
Moreover, it is also possible to use a material provided with a metal film containing Al or Si, which is a metal that is more easily oxidized than the brazing metal and forms a dense insulating film, on the surface of the metal brazing powder or the metal brazing sheet. Is possible.
Al and Si in the film are oxidized by heat treatment in an oxidizing atmosphere, and similarly, an insulating ceramic layer is spontaneously formed between the metal member which is a bonded member and the metal brazing material. The metal film can be formed on the surface of the metal brazing material by plating, thermal spraying, coating, or the like. It is also possible to cover or paste an aluminum foil.

さらに、第3の方法として、金属ろう材中に、当該ろう材金属よりも酸化され易く、緻密な絶縁性皮膜を形成する金属であるAlやSiを予め添加しておくことも可能である。
ろう材中のこれら金属元素は、同様に酸化性雰囲気中での加熱処理によって酸化され、ろう材表面に絶縁性セラミックス層が形成される。そして、同様に金属部材と金属ろう材との間に絶縁性セラミックス層が自然発生的に形成されることになり、上記構造の接着層11となる。
Further, as a third method, Al or Si, which is a metal that is more easily oxidized than the brazing metal and forms a dense insulating film, can be added in advance to the brazing metal.
These metal elements in the brazing material are similarly oxidized by heat treatment in an oxidizing atmosphere, and an insulating ceramic layer is formed on the surface of the brazing material. Similarly, an insulating ceramic layer is spontaneously formed between the metal member and the metal brazing material, and the adhesive layer 11 having the above structure is obtained.

さらにまた、上記構造、すなわち絶縁性皮膜や、Al、Siを含有する金属皮膜を施した金属ろう材粒子、あるいはAlやSiを含有する金属ろう材粒子とガラス粉などの絶縁性セラミックス粒子とを混合した材料を用いることによっても、同様の構造を有する接着層11を得ることが可能である。   Furthermore, the above-mentioned structure, that is, a metal brazing material particle provided with an insulating film or a metal film containing Al or Si, or a metal brazing material particle containing Al or Si and insulating ceramic particles such as glass powder. It is possible to obtain the adhesive layer 11 having a similar structure also by using a mixed material.

なお、本発明の固体酸化物形燃料電池スタックにおける発電ユニット1のケース2(金属部材)を構成する耐熱金属としては、例えばフェライト系ステンレス鋼を用いることが望ましいが、当該ステンレス鋼にはAl及びSiの少なくとも一方を添加した鋼を用いることが望ましい。
すなわち、このような金属元素を添加した鋼材を用いることによって、酸化性雰囲気中での加熱による接合処理中に、金属部材の表面にアルミナやシリカから成る絶縁性皮膜が形成され、当該皮膜側に接着用材料に含まれる絶縁性セラミックス成分が集まることから、上記構造の接着層11の形成がより容易なものとなる。
In addition, as the heat-resistant metal constituting the case 2 (metal member) of the power generation unit 1 in the solid oxide fuel cell stack of the present invention, it is desirable to use, for example, ferritic stainless steel. It is desirable to use steel to which at least one of Si is added.
That is, by using a steel material to which such a metal element is added, an insulating film made of alumina or silica is formed on the surface of the metal member during the joining process by heating in an oxidizing atmosphere, and the film side is coated with the insulating film. Since the insulating ceramic components contained in the adhesive material are collected, it becomes easier to form the adhesive layer 11 having the above structure.

以下、本発明を実施例に基づいて、具体的に説明するが、本発明は、このような実施例によって何ら限定されないことは言うまでもない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, it cannot be overemphasized that this invention is not limited at all by such an Example.

〔実施例1〕
(1)接着用材料
電気絶縁性皮膜用のセラミックスとして、粒径5μmのBCAS(BaO−Ca0−SiO−Al)系ガラス(軟化点:750℃、熱膨張率:10×10−6[1/K])の粉末を使用した。
このガラス粉とバインダとしてのエチルセルロースを質量比で1:1に混合し、酢酸ブチルを溶剤としてガラススラリーを調整した。
[Example 1]
(1) Adhesive material As a ceramic for an electrical insulating film, a BCAS (BaO—Ca0—SiO 2 —Al 2 O 3 ) -based glass (softening point: 750 ° C., thermal expansion coefficient: 10 × 10 − 6 [1 / K]) powder was used.
This glass powder and ethyl cellulose as a binder were mixed at a mass ratio of 1: 1, and a glass slurry was prepared using butyl acetate as a solvent.

板厚100μmのAg−8mol%Cu合金シートの表裏両面に、上記ガラススラリーをスプレー塗布した後、大気中850℃で15分間熱処理することによって、上記金属ろうシート上にガラス皮膜を50μmの厚さに形成した。   The glass slurry is spray-coated on both front and back surfaces of an Ag-8 mol% Cu alloy sheet having a thickness of 100 μm, and then heat-treated at 850 ° C. for 15 minutes in the atmosphere to form a glass film having a thickness of 50 μm on the metal brazing sheet. Formed.

(2)接着方法
図2(a)及び(b)に示す固体酸化物形燃料電池スタック10における発電ユニット間の金属ケース2同士の接着部分に、上記によって表面にガラス皮膜を形成して成る金属ろうシートを設置し、大気中950℃において30分熱処理することにより接着層11を形成し、発電ユニット間を接着した。なお、上記金属ケースは、Fe−20Cr−5Alの成分組成を有するフェライト系ステンレス鋼から成るものである。
(2) Bonding method Metal formed by forming a glass film on the surface as described above at the bonding portion between the metal cases 2 between the power generation units in the solid oxide fuel cell stack 10 shown in FIGS. 2 (a) and (b). The adhesive sheet 11 was formed by installing a brazing sheet and heat-treating at 950 ° C. for 30 minutes in the atmosphere, and the power generation units were bonded. The metal case is made of ferritic stainless steel having a component composition of Fe-20Cr-5Al.

(3)接着結果
これによって得られた発電ユニット間の接着構造を図3に示す。
図示するように、発電ユニットのケース(金属部材)側には、接着処理によりクロミア層と、その表層側にアルミナ層が形成され、接着層には、絶縁性セラミックスであるガラス層の間に金属ろうから成る層が形成されていた。
(3) Bonding result FIG. 3 shows the bonding structure between the power generation units obtained in this manner.
As shown in the figure, a chromia layer is formed on the case (metal member) side of the power generation unit by an adhesion process, and an alumina layer is formed on the surface layer side, and a metal layer is formed between the glass layer, which is an insulating ceramic, in the adhesion layer. A layer of wax was formed.

このように接着したスタックを50℃/分の昇温速度で700℃まで昇温した後、室温まで降温する熱サイクル試験を実施したところ、50サイクル後も接着層に割れは発生せず、良好な耐久性を示すことが確認された。
また、発電ユニット間の電気伝導性は、10×10[Ωcm]以上の比抵抗を示し、良好な電気絶縁性を有していることが確認された。
After heating the stack thus bonded to 700 ° C. at a heating rate of 50 ° C./min, and carrying out a thermal cycle test to cool down to room temperature, the adhesive layer did not crack even after 50 cycles, and it was good It was confirmed that it showed excellent durability.
Moreover, the electrical conductivity between the power generation units showed a specific resistance of 10 × 10 5 [Ωcm] or more, and it was confirmed that the electrical conductivity was excellent.

〔実施例2〕
(1)接着用材料
板厚200μmのAg−8mol%Cu合金製シートの表裏両面に、厚さ10μmのアルミニウム箔を密着させた状態で、300℃の不活性ガス雰囲気下で、厚さが2分の1になるまで圧延し、板厚100μmの金属ろうシート表面に5μm厚さのAl層を備えた接着用材料を作製した。
[Example 2]
(1) Adhesive material A thickness of 2 in an inert gas atmosphere at 300 ° C. with an aluminum foil having a thickness of 10 μm adhered to both front and back surfaces of an Ag-8 mol% Cu alloy sheet having a thickness of 200 μm. The material for bonding was prepared by rolling to a fraction of 1 and having a 5 μm thick Al layer on the surface of the metal brazing sheet having a thickness of 100 μm.

(2)接着方法
図2(a)及び(b)に示す固体酸化物形燃料電池スタック10における発電ユニット間の金属ケース2同士の接着部分に、上記圧延金属ろうシートを設置し、大気中950℃において30分熱処理して、接着層11を形成し、同様に発電ユニット間を接着した。
(2) Bonding method The above-mentioned rolled metal brazing sheet is installed at the bonding portion between the metal cases 2 between the power generation units in the solid oxide fuel cell stack 10 shown in FIGS. The adhesive layer 11 was formed by heat treatment at 30 ° C. for 30 minutes, and the power generation units were similarly bonded together.

(3)接着結果
これによって得られた発電ユニット間の接着構造を図4に示す。
図に示すように、発電ユニットのケース(金属部材)側には、上記実施例と同様に、接着処理によりクロミア層と、その表層側にアルミナ層が形成され、接着層には、アルミニウム箔が酸化したアルミナ層(絶縁性セラミックス)層の間に金属ろうから成る層が形成されていた。
(3) Bonding result FIG. 4 shows the bonding structure between the power generation units obtained as described above.
As shown in the figure, on the case (metal member) side of the power generation unit, a chromia layer and an alumina layer are formed on the surface layer side by an adhesion process, and an aluminum foil is formed on the adhesion layer, as in the above embodiment. A layer made of metal brazing was formed between the oxidized alumina layer (insulating ceramics) layer.

このように接着したスタックを50℃/分の昇温速度で700℃まで昇温した後、室温まで降温する同様の熱サイクル試験を実施したところ、50サイクル後も接着層に割れは認められず、良好な耐久性を示すことが判明した。
また、発電ユニット間の電気伝導性は、10×10[Ωcm]以上の比抵抗を示し、良好な電気絶縁性を備えていることが確認された。
When a similar thermal cycle test was performed in which the stack thus bonded was heated to 700 ° C. at a heating rate of 50 ° C./min and then cooled to room temperature, no crack was observed in the adhesive layer even after 50 cycles. It was found to show good durability.
Moreover, the electrical conductivity between the power generation units showed a specific resistance of 10 × 10 6 [Ωcm] or more, and it was confirmed that the electrical conductivity was good.

〔実施例3〕
(1)接着用材料
Ag−4mol%Cu−4mol%Alの組成を有し、粒径10μmの金属ろう粉末を用意し、この金属粉末とバインダとしてのエチルセルロースを質量比で1:1に混合し、酢酸ブチルを溶剤として金属ろうペーストを調整した。
Example 3
(1) Adhesive material A metal brazing powder having a composition of Ag-4 mol% Cu-4 mol% Al and a particle diameter of 10 μm is prepared, and this metal powder and ethyl cellulose as a binder are mixed at a mass ratio of 1: 1. A metal braze paste was prepared using butyl acetate as a solvent.

(2)接着方法
図2(a)及び(b)に示す固体酸化物形燃料電池スタック10における発電ユニット間の金属ケース2同士の接着部分に、上記金属ろうペーストを塗布し、大気中900℃において30分熱処理することによって接着層11を形成し、発電ユニット間の接着を行った。
(2) Bonding method The metal brazing paste is applied to the bonding portion between the metal cases 2 between the power generation units in the solid oxide fuel cell stack 10 shown in FIGS. Then, the adhesive layer 11 was formed by heat treatment for 30 minutes to bond the power generation units.

(3)接着結果
図5は、上記により得られた発電ユニット間の接着構造を示すものであって、発電ユニットのケース(金属部材)側には、上記実施例と同様に、接着処理によりクロミア層、アルミナ層が形成されている。そして、接着層には、粒子内に添加されたAlが酸化して生成されたアルミナ層により被覆された金属ろう粒子が変形した状態で介在している。
(3) Bonding result FIG. 5 shows the bonding structure between the power generation units obtained as described above, and the case (metal member) side of the power generation unit is subjected to chromia by the bonding treatment in the same manner as in the above embodiment. A layer and an alumina layer are formed. In the adhesive layer, the brazing metal particles covered with the alumina layer formed by oxidizing Al added in the particles are interposed in a deformed state.

このように接着したスタックを50℃/分の昇温速度で700℃まで昇温した後、室温まで降温する同様の熱サイクル試験を実施したところ、50サイクル後も接着層に割れは発生せず、良好な耐久性を示すことが判明した。
また、発電ユニット間の電気伝導性は、10×10[Ωcm]以上の比抵抗を示し、良好な電気絶縁性が確認された。
A similar thermal cycle test was performed in which the stack thus bonded was heated to 700 ° C. at a heating rate of 50 ° C./min and then cooled to room temperature, and no cracks occurred in the adhesive layer after 50 cycles. It was found to show good durability.
Moreover, the electrical conductivity between the power generation units showed a specific resistance of 10 × 10 5 [Ωcm] or more, and good electrical insulation was confirmed.

〔実施例4〕
(1)接着用材料
電気絶縁性皮膜用のセラミックスとして、粒径3μmのBCAS系ガラス(軟化点:750℃、熱膨張率:10×10−6[1/K])の粉末を用意すると共に、金属粉末として、Ag−4mol%Cu−1mol%Alの組成を有する粒径10μmの金属ろう粉末を用意した。
そして、上記金属ろう粉末とガラス粉とを80:20の体積比で混合し、この混合粉体とバインダとしてのエチルセルロースを質量比で1:1に混合し、酢酸ブチルを溶剤として金属ろう−ガラスペーストを調整した。
Example 4
(1) Adhesive material As ceramic for the electrical insulating film, powder of BCAS glass (softening point: 750 ° C., coefficient of thermal expansion: 10 × 10 −6 [1 / K]) having a particle size of 3 μm is prepared. As the metal powder, a metal brazing powder having a composition of Ag-4 mol% Cu-1 mol% Al and having a particle size of 10 μm was prepared.
And the said metal brazing powder and glass powder are mixed by the volume ratio of 80:20, this mixed powder and ethyl cellulose as a binder are mixed by 1: 1 by mass ratio, and metal brazing-glass using butyl acetate as a solvent. The paste was adjusted.

(2)接着方法
図2(a)及び(b)に示す固体酸化物形燃料電池スタック10における発電ユニット間の金属ケース2同士の接着部分に、上記金属ろう−ガラスペーストを塗布し、大気中900℃において30分熱処理することにより接着層11を形成し、発電ユニット間を接着した。
(2) Bonding method The metal brazing-glass paste is applied to the bonding portion between the metal cases 2 between the power generation units in the solid oxide fuel cell stack 10 shown in FIGS. An adhesive layer 11 was formed by heat treatment at 900 ° C. for 30 minutes, and the power generation units were bonded together.

(3)接着結果
上記によって得られた発電ユニット間の接着構造を図6に示す。
図に示すように、発電ユニットのケース(金属部材)側には、上記実施例と同様に、接着処理によってクロミア層やアルミナ層が形成されている。一方、接着層には、絶縁性セラミックスであるガラス層の間に、内部のAlが酸化されて生成した薄いアルミナ層を表面に備えた金属ろう粉末が粒状のままの状態で介在していることが判明した。
(3) Bonding result FIG. 6 shows the bonding structure between the power generation units obtained as described above.
As shown in the figure, on the case (metal member) side of the power generation unit, a chromia layer and an alumina layer are formed by an adhesion process, as in the above embodiment. On the other hand, in the adhesive layer, a metal braze powder having a thin alumina layer formed by oxidation of the inner Al on the surface is interposed between the glass layers, which are insulating ceramics, in a granular state. There was found.

このように接着したスタックを50℃/分の昇温速度で700℃まで昇温した後、室温まで降温する同様の熱サイクル試験を実施したところ、50サイクル後も接着層に割れは発生せず、同様に良好な耐久性を示すことが確認された。
また、発電ユニット間の電気伝導性は、10×10[Ωcm]以上の比抵抗を示し、良好な電気絶縁性を備えていることが確認された。
A similar thermal cycle test was performed in which the stack thus bonded was heated to 700 ° C. at a heating rate of 50 ° C./min and then cooled to room temperature, and no cracks occurred in the adhesive layer after 50 cycles. Similarly, it was confirmed that good durability was exhibited.
Moreover, the electrical conductivity between the power generation units showed a specific resistance of 10 × 10 6 [Ωcm] or more, and it was confirmed that the electrical conductivity was good.

(a)及び(b)は本発明の固体酸化物形燃料電池スタックを構成する発電ユニットの構造例を示すそれぞれ斜視図及び断面図である。(A) And (b) is the perspective view and sectional drawing which respectively show the structural example of the electric power generation unit which comprises the solid oxide fuel cell stack of this invention. (a)及び(b)は本発明の固体酸化物形燃料電池スタックの構造例を示すそれぞれ斜視図及び断面図である。(A) And (b) is the perspective view and sectional drawing which respectively show the structural example of the solid oxide fuel cell stack of this invention. 本発明の第1の実施例により形成された発電ユニット間の接着構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the adhesion structure between the electric power generation units formed by the 1st Example of this invention. 本発明の第2の実施例により形成された発電ユニット間の接着構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the adhesion structure between the electric power generation units formed by the 2nd Example of this invention. 本発明の第3の実施例により形成された発電ユニット間の接着構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the adhesion structure between the electric power generation units formed by the 3rd Example of this invention. 本発明の第4の実施例により形成された発電ユニット間の接着構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the adhesion structure between the electric power generation units formed by the 4th Example of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 発電ユニット
2 ケース(金属部材)
10 固体酸化物形燃料電池スタック
11 接着層
1 Power generation unit 2 Case (metal member)
10 Solid Oxide Fuel Cell Stack 11 Adhesive Layer

Claims (14)

発電ユニットを構成する金属部材同士が絶縁性セラミックス層の間に金属が介在して成る接着層を介して接着してあることを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。   A solid oxide fuel cell stack, wherein metal members constituting a power generation unit are bonded to each other through an adhesive layer in which a metal is interposed between insulating ceramic layers. 上記接着層中の金属が層状をなしていることを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。   2. The solid oxide fuel cell stack according to claim 1, wherein the metal in the adhesive layer is layered. 上記金属層の表面が絶縁性セラミックスで被覆されていること特徴とする請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。   3. The solid oxide fuel cell stack according to claim 2, wherein a surface of the metal layer is coated with an insulating ceramic. 上記接着層中の金属が粒状をなしていることを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。   2. The solid oxide fuel cell stack according to claim 1, wherein the metal in the adhesive layer is granular. 上記金属粒の表面が絶縁性セラミックスで被覆されていること特徴とする請求項4に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。   The solid oxide fuel cell stack according to claim 4, wherein the surface of the metal particles is coated with an insulating ceramic. 上記接着層中の金属がAl及び/又はSiを含有していることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つの項に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。   The solid oxide fuel cell stack according to any one of claims 1 to 5, wherein the metal in the adhesive layer contains Al and / or Si. 上記金属部材がAl及び/又はSiを含有するステンレス鋼から成ることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つの項に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。   The solid oxide fuel cell stack according to any one of claims 1 to 6, wherein the metal member is made of stainless steel containing Al and / or Si. Al及び/又はSiを含有する金属から成り、シート状又は粒状をなしていることを特徴とする接着用材料。   An adhesive material comprising a metal containing Al and / or Si and having a sheet shape or a granular shape. シート状又は粒状をなす金属の表面に絶縁性セラミックス皮膜を施して成ることを特徴とする接着用材料。   An adhesive material comprising an insulating ceramic film on a sheet-like or granular metal surface. シート状又は粒状をなす金属の表面にAl及び/又はSiを含有する金属皮膜を施して成ることを特徴とする接着用材料。   An adhesive material comprising a sheet-like or granular metal surface provided with a metal film containing Al and / or Si. Al及び/又はSiを含有する金属粒子と絶縁性セラミックス粒子を混合して成ることを特徴とする接着用材料。   A bonding material comprising a mixture of metal particles containing Al and / or Si and insulating ceramic particles. 絶縁性セラミックス皮膜を表面に施した金属粒子と絶縁性セラミックス粒子を混合して成ることを特徴とする接着用材料。   An adhesive material comprising a mixture of metal particles having an insulating ceramic film on the surface and insulating ceramic particles. Al及び/又はSiを含有する金属皮膜を表面に施した金属粒子と絶縁性セラミックス粒子を混合して成ることを特徴とする接着用材料。   A bonding material comprising a mixture of metal particles having a metal film containing Al and / or Si on the surface and insulating ceramic particles. 請求項8〜13のいずれか1つの項に記載の接着用材料を被接着部材の間に介在させ、酸化雰囲気中で加熱することを特徴とする接着方法。   A bonding method comprising: interposing the bonding material according to any one of claims 8 to 13 between members to be bonded and heating in an oxidizing atmosphere.
JP2008163233A 2008-06-23 2008-06-23 Solid oxide fuel cell stack, and bonding material Pending JP2010003623A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008163233A JP2010003623A (en) 2008-06-23 2008-06-23 Solid oxide fuel cell stack, and bonding material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008163233A JP2010003623A (en) 2008-06-23 2008-06-23 Solid oxide fuel cell stack, and bonding material

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2010003623A true JP2010003623A (en) 2010-01-07

Family

ID=41585169

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008163233A Pending JP2010003623A (en) 2008-06-23 2008-06-23 Solid oxide fuel cell stack, and bonding material

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2010003623A (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011233247A (en) * 2010-04-23 2011-11-17 Honda Motor Co Ltd Fixed oxide type fuel cell
JP2013235651A (en) * 2012-05-02 2013-11-21 Ngk Spark Plug Co Ltd Assembly and solid oxide fuel battery with the same
JP2018170109A (en) * 2017-03-29 2018-11-01 アイシン精機株式会社 Fuel battery structure
JP2020077638A (en) * 2018-11-09 2020-05-21 株式会社東芝 Electrochemical cell stack and seal material of the same

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011233247A (en) * 2010-04-23 2011-11-17 Honda Motor Co Ltd Fixed oxide type fuel cell
JP2013235651A (en) * 2012-05-02 2013-11-21 Ngk Spark Plug Co Ltd Assembly and solid oxide fuel battery with the same
JP2018170109A (en) * 2017-03-29 2018-11-01 アイシン精機株式会社 Fuel battery structure
JP2020077638A (en) * 2018-11-09 2020-05-21 株式会社東芝 Electrochemical cell stack and seal material of the same
JP7273694B2 (en) 2018-11-09 2023-05-15 株式会社東芝 electrochemical cell stack

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4027836B2 (en) Method for producing solid oxide fuel cell
KR101405477B1 (en) A method of producing a cell for a metal-supported solid oxide fuel cell and cell for a metal-supported solid oxide fuel cell
JP2008525967A (en) High specific power solid oxide fuel cell stack
TW201011967A (en) Metal-supported, segmented-in-series high temperature electrochemical device
JP5451653B2 (en) Gas seal material
JP2008522370A (en) Sealed joint structure for electrochemical devices
JP2007005298A (en) Closed array for fuel cell stack and manufacturing process for such closed array
JP5470278B2 (en) Sealing mechanism for high temperature fuel cell stacks
JP2006202727A (en) Solid electrolyte fuel cell
JP2008081804A (en) Heat resistant alloy member, current collecting member for fuel cell, fuel cell stack, and fuel cell
JP2010021038A (en) Solid oxide fuel cell stack
JP2015135807A (en) Single cell with separator, fuel cell stack, and method of manufacturing single cell with separator
JP5079991B2 (en) Fuel cell and fuel cell
JP3599894B2 (en) Fuel electrode of solid oxide fuel cell
JP2010073631A (en) Fuel cell power generation unit and fuel cell stack
JP2010003623A (en) Solid oxide fuel cell stack, and bonding material
JP2008159428A (en) Porous structure, and solid oxide fuel cell and fuel cell stack using the same
JP7172481B2 (en) Structures and solid oxide fuel cell stacks
JP6014278B2 (en) Single cell with metal plate, fuel cell stack, and manufacturing method of single cell with metal plate
JP2005190862A (en) Solid oxide type fuel battery cell
JP5170815B2 (en) Solid oxide fuel cell unit and stack
WO2013012058A1 (en) Electrical connection material for solid oxide fuel cell, joining material for solid oxide fuel cell, and solid oxide fuel cell
JP2012084508A (en) Fuel battery and method for manufacturing the same
JP2007273303A (en) Solid oxide fuel cell
JPH10172590A (en) Solid electrolyte type fuel cell