JP2013235651A - Assembly and solid oxide fuel battery with the same - Google Patents

Assembly and solid oxide fuel battery with the same Download PDF

Info

Publication number
JP2013235651A
JP2013235651A JP2012105299A JP2012105299A JP2013235651A JP 2013235651 A JP2013235651 A JP 2013235651A JP 2012105299 A JP2012105299 A JP 2012105299A JP 2012105299 A JP2012105299 A JP 2012105299A JP 2013235651 A JP2013235651 A JP 2013235651A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
bonding layer
oxygen
layer
joined body
bonding
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.)
Granted
Application number
JP2012105299A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5890244B2 (en
Inventor
Masayuki Segawa
昌幸 瀬川
Yosuke Hachiya
洋介 八谷
Toshiyuki Sakurai
利之 桜井
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.)
Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug 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 NGK Spark Plug Co Ltd filed Critical NGK Spark Plug Co Ltd
Priority to JP2012105299A priority Critical patent/JP5890244B2/en
Publication of JP2013235651A publication Critical patent/JP2013235651A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5890244B2 publication Critical patent/JP5890244B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

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
    • 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
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/62Hybrid vehicles

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an assembly arranged so that the deterioration of a brazing filler metal can be prevented by means of suppressing the occurrence of void even when being used in an atmosphere such that void is produced; and a solid oxide fuel battery having the assembly used therein.SOLUTION: The assembly 41 has: a first member made of metal, which is composed of an isolation separator 37; a second member composed of a cell main body 5 including ceramic as one primary component; and a bonding part 39 having a first bonding layer 67 on the side of a hydrogen atmosphere and a second bonding layer 69 on the side of an oxygen atmosphere, and bonding between the first and second members. The oxygen diffusion coefficient of the second bonding layer 69 is smaller than that of the first bonding layer 67. Therefore, in a case where the assembly 41 is used at a high temperature, even if hydrogen diffuses into the first bonding layer 67 from the side of the hydrogen atmosphere, oxygen is hard to diffuse from the side of the oxygen atmosphere into the second bonding layer 69. Hence, the occurrence of void owing to the reaction between hydrogen and oxygen in the assembly 41 can be suppressed, and the occurrence of void can be prevented from deteriorating a brazing filler metal.

Description

本発明は、セラミックス同士、セラミックスと金属、又は金属同士を接合した接合体、及びその接合体を用いた固体酸化物形燃料電池に関する。   The present invention relates to ceramics, a joined body obtained by joining ceramics and metal, or metals, and a solid oxide fuel cell using the joined body.

従来より、例えば500〜1000℃のような高温で作動する固体酸化物形燃料電池には、その構造体として、セラミックス基板と金属枠体とをろう材によって接合したセラミックス接合体が用いられていた。   Conventionally, in a solid oxide fuel cell that operates at a high temperature such as 500 to 1000 ° C., a ceramic joined body in which a ceramic substrate and a metal frame are joined by a brazing material has been used as the structure. .

このセラミックス接合体であるセラミックス基板は、燃料極、固体電解質層、空気極の積層体であり、このセラミック基板においては、固体電解質層の表面にセパレータである金属枠体がろう付けされていた。   The ceramic substrate that is this ceramic joined body is a laminate of a fuel electrode, a solid electrolyte layer, and an air electrode. In this ceramic substrate, a metal frame that is a separator is brazed to the surface of the solid electrolyte layer.

上述したろう付けとしては、真空中でろう付けを行う真空ろう付けや、フラックスを用いて大気中でろう付けを行う大気ろう付けが知られている。
また、近年では、大気中でろう付する手法として、反応性大気ろう付法が行われている。これは、セラミックスと(大気中でAl酸化物層を形成する)耐熱金属とを、AgにCuOを添加したろう材を用いて大気中で接合するものであり、ろう材の主成分がAgなどの貴金属成分であるため、フラックスを用いずにろう付できる利点がある。
As the brazing described above, vacuum brazing in which brazing is performed in a vacuum and atmospheric brazing in which brazing is performed in the air using a flux are known.
In recent years, the reactive air brazing method has been performed as a method of brazing in the atmosphere. In this method, ceramics and a refractory metal (which forms an Al oxide layer in the air) are joined in air using a brazing material in which CuO is added to Ag, and the main component of the brazing material is Ag or the like. Therefore, there is an advantage that brazing can be performed without using a flux.

しかしながら、上述した固体酸化物形燃料電池においては、図11に示す様に、前記積層体であるセル本体(P1)とセパレータ(P2)とはろう材(P3)によって接合されており、しかも、そのろう材を介して、一方(燃料極側)は水素雰囲気で、もう一方(空気極側)は酸素雰囲気となっている。そのため、固体酸化物形燃料電池を、前記高温の状態で運転する場合には、水素(H+イオン)及び酸素(O2-イオン)が各々ろう材のAg中に拡散して、ろう材中で水素と酸素が反応し、H2Oからなる中空であるボイド(H2Oボイド)が発生するという問題があった。 However, in the above-described solid oxide fuel cell, as shown in FIG. 11, the cell body (P1) and the separator (P2), which are the laminates, are joined by a brazing material (P3), One (fuel electrode side) is a hydrogen atmosphere and the other (air electrode side) is an oxygen atmosphere through the brazing material. Therefore, when the solid oxide fuel cell is operated at the high temperature, hydrogen (H + ions) and oxygen (O 2− ions) diffuse into the Ag of the brazing filler metal, respectively. in hydrogen and oxygen are reacted, hollow and is void consisting of H 2 O (H 2 O voids) is disadvantageously generated.

このボイドが発生すると、ろう材が劣化してしまい、接合強度の低下やガスのリークが発生するので好ましくない。
この対策として、下記の特許文献1では、主成分であるAgに、GeやCrを加えたろう材を用いる技術が開示されている。この技術とは、例えばAg−2Ge−1Crの組成のろう材を用いることにより、GeやCrと酸素とを優先的に反応させることによって、酸素と水素が結合してボイドが発生することを抑制しようとするものである。
When this void is generated, the brazing material is deteriorated, and a decrease in bonding strength and a gas leak are undesirable.
As a countermeasure, Patent Document 1 below discloses a technique using a brazing material in which Ge or Cr is added to Ag as a main component. With this technology, for example, by using a brazing material having a composition of Ag-2Ge-1Cr, Ge and Cr are preferentially reacted with oxygen, thereby suppressing generation of voids by combining oxygen and hydrogen. It is something to try.

特開2010−207863号公報JP 2010-207863 A

ところが、上述した従来技術では、大気ろう付けで、Ag中の大部分のGeやCrが、酸化物となって飛散して消耗するので、その後、固体酸化物形燃料電池の運転の際に、更にGeやCrが酸素と反応して消耗し、ろう材はほぼAgのみの組成となってしまう。   However, in the above-described conventional technology, most of the Ge and Cr in Ag are scattered as oxides and consumed by brazing in the air, and thereafter, when the solid oxide fuel cell is operated, Furthermore, Ge and Cr react with oxygen and are consumed, and the brazing material has a composition of almost Ag only.

そのため、固体酸化物形燃料電池の運転が続くと、ろう材中にボイドが発生し、ろう材が劣化するという問題があった。
本発明は、上述した課題を解決するためなされたものであり、ボイドが発生する雰囲気中で使用された場合でも、ボイドの発生を抑制して、ろう材の劣化を防止できる接合体及びその接合体を用いた固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。
Therefore, when the operation of the solid oxide fuel cell continues, there is a problem that voids are generated in the brazing material and the brazing material is deteriorated.
The present invention has been made to solve the above-described problems, and even when used in an atmosphere in which voids are generated, the bonded body capable of suppressing the generation of voids and preventing the deterioration of the brazing material and the bonding thereof An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell using the body.

(1)本発明は、第1態様(接合体)として、酸素ガスを含有する酸素雰囲気側と水素ガスを含有する水素雰囲気側とを分離するガス分離構造体に使用され、セラミックス又は金属からなる第1部材とセラミックス又は金属からなる第2部材とを、ろう材を有する接合部によって接合した、接合体において、前記接合部は、前記水素雰囲気側に前記ろう材からなる第1接合層を有するとともに、前記酸素雰囲気側に第2接合層を有し、前記第2接合層中の酸素拡散係数が、前記第1接合層中の酸素拡散係数より小さいことを特徴とする。   (1) The present invention is used in a gas separation structure for separating an oxygen atmosphere side containing oxygen gas and a hydrogen atmosphere side containing hydrogen gas as a first embodiment (joined body), and is made of ceramics or metal. In the joined body in which the first member and the second member made of ceramics or metal are joined by the joint having the brazing material, the joint has the first joining layer made of the brazing material on the hydrogen atmosphere side. A second bonding layer is provided on the oxygen atmosphere side, and an oxygen diffusion coefficient in the second bonding layer is smaller than an oxygen diffusion coefficient in the first bonding layer.

本態様の接合体では、第1部材と第2部材とが、水素雰囲気側の第1接合層と酸素雰囲気側の第2接合層とを有する接合部により接合されており、しかも、第2接合層の酸素拡散係数が第1接合層の酸素拡散係数より小さく設定されている。   In the joined body of this aspect, the first member and the second member are joined by the joint portion having the first joining layer on the hydrogen atmosphere side and the second joining layer on the oxygen atmosphere side, and the second joining. The oxygen diffusion coefficient of the layer is set smaller than the oxygen diffusion coefficient of the first bonding layer.

そのため、この接合体が例えば700℃以上のような高温で使用された場合に、水素雰囲気側より水素が第1接合層中に拡散したときでも、酸素雰囲気側より酸素が第2接合層中に拡散しにくく(従って、接合部中に拡散しにくく)なっている。よって、接合部中で水素と酸素が反応してボイド(H2Oボイド)が発生することを抑制できるので、ボイドの発生よるろう材の劣化を防止できるという効果を奏する。 Therefore, when this joined body is used at a high temperature such as 700 ° C. or higher, even when hydrogen diffuses into the first joining layer from the hydrogen atmosphere side, oxygen enters the second joining layer from the oxygen atmosphere side. Difficult to diffuse (and therefore difficult to diffuse into the joint). Therefore, it is possible to suppress the generation of voids (H 2 O voids) due to the reaction between hydrogen and oxygen in the joint, and the effect of preventing the deterioration of the brazing material due to the generation of voids is achieved.

ここで、酸素雰囲気側と水素雰囲気側とを比較すると、酸素雰囲気側は水素雰囲気側に比べて酸素分圧が高く、水素雰囲気側は酸素雰囲気側に比べて水素分圧が高い。
(2)本発明は、第2態様として、前記第2接合層における酸素拡散係数が、800℃において、3.48×10-182/s以下であることを特徴とする。
Here, when the oxygen atmosphere side and the hydrogen atmosphere side are compared, the oxygen atmosphere side has a higher oxygen partial pressure than the hydrogen atmosphere side, and the hydrogen atmosphere side has a higher hydrogen partial pressure than the oxygen atmosphere side.
(2) As a second aspect, the present invention is characterized in that the oxygen diffusion coefficient in the second bonding layer is 3.48 × 10 −18 m 2 / s or less at 800 ° C.

本態様では、第2接合層における好ましい酸素拡散係数を例示している。つまり、後述する実験例から明かな様に、上述の酸素拡散係数の場合には、ボイドの発生が極めて少ないという利点がある。   In this aspect, a preferable oxygen diffusion coefficient in the second bonding layer is illustrated. That is, as will be apparent from the experimental examples described later, the above-described oxygen diffusion coefficient has the advantage that the generation of voids is extremely small.

(3)本発明では、第3態様として、前記第2接合層は、Niを主成分とし、Cr、Al、Siの少なくとも1種含む合金層であることを特徴とする。
上述のように、Niは酸素の移動を抑制する特性(即ち酸素の拡散バリアーの特性)があるが、例えば大気中でAgろう材を接合する条件等では酸化してその特性が低下する。それに対して、本態様では、第2接合層中に、Ni以外にCr、Al、Siを含んでおり、それらは合金化している。これにより、NiはNi金属の状態で存続するので、酸素の拡散バリアーの効果を維持することができる。
(3) In the present invention, as a third aspect, the second bonding layer is an alloy layer containing Ni as a main component and containing at least one of Cr, Al, and Si.
As described above, Ni has a characteristic of suppressing the movement of oxygen (that is, a characteristic of an oxygen diffusion barrier), but, for example, it is oxidized and deteriorates in the condition of joining the Ag brazing filler metal in the atmosphere. On the other hand, in this aspect, the second bonding layer contains Cr, Al, and Si in addition to Ni, and these are alloyed. Thereby, since Ni continues in the state of Ni metal, the effect of the oxygen diffusion barrier can be maintained.

(4)本発明では、第4態様として、前記第2接合層は、Cr、Al、Siの酸化物の少なくとも1種を含む酸化被膜を備えたことを特徴とする。
本第4態様では、第2接合層は、上述した酸化被膜を備えている。この酸化被膜は酸素の拡散バリアーの特性を有するので、好適にボイドの発生を抑制することができる。
(4) In the present invention, as a fourth aspect, the second bonding layer includes an oxide film including at least one of Cr, Al, and Si oxides.
In the fourth aspect, the second bonding layer includes the above-described oxide film. Since this oxide film has oxygen diffusion barrier properties, generation of voids can be suitably suppressed.

なお、この酸化被膜を、第2接合層の酸素雰囲気側に設けることにより、ボイドの発生を好適に抑制できる。
(5)本発明では、第5態様として、前記第2接合層におけるCrの含有量は、10〜30重量%であることを特徴とする。
In addition, by providing this oxide film on the oxygen atmosphere side of the second bonding layer, generation of voids can be suitably suppressed.
(5) In the present invention, as a fifth aspect, the Cr content in the second bonding layer is 10 to 30% by weight.

第2接合層におけるCrの含有量が10重量%未満であると、上述した酸化被膜を形成し難くなる。一方、Crの含有量が30重量%を上回ると、Ni以外の成分が多くなり過ぎ、固溶限を超えて酸素の拡散バリアーの効果が弱い第2相の析出物(即ち金属間化合物)の体積割合が増えるので、酸素の拡散バリアーとしての効果が弱まる。よって、(後述する実験例から明らかなように)このCr含有量の範囲が好適である。   When the content of Cr in the second bonding layer is less than 10% by weight, it becomes difficult to form the above-described oxide film. On the other hand, if the Cr content exceeds 30% by weight, the amount of components other than Ni becomes excessive, and the precipitate of the second phase (that is, the intermetallic compound) has a weak effect on the oxygen diffusion barrier exceeding the solid solubility limit. Since the volume ratio increases, the effect as an oxygen diffusion barrier is weakened. Therefore, this Cr content range is suitable (as is clear from the experimental examples described later).

(6)本発明では、第6態様として、前記第2接合層におけるAlの含有量は、1〜10重量%であることを特徴とする。
第2接合層におけるAlの含有量が1重量%未満であると、上述した酸化被膜を形成し難くなる。一方、Alの含有量が10重量%を上回ると、Ni以外の成分が多くなり過ぎ、固溶限を超えて前記第2相の析出物の体積割合が増えるので、酸素の拡散バリアーとしての効果が弱まる。よって、(後述する実験例から明らかなように)このAl含有量の範囲が好適である。
(6) In the present invention, as a sixth aspect, the content of Al in the second bonding layer is 1 to 10% by weight.
When the Al content in the second bonding layer is less than 1% by weight, it is difficult to form the above-described oxide film. On the other hand, if the Al content exceeds 10% by weight, the amount of components other than Ni increases too much, exceeding the solid solubility limit and increasing the volume fraction of the second phase precipitate, so that it is effective as an oxygen diffusion barrier. Is weakened. Therefore, this Al content range is suitable (as is clear from the experimental examples described later).

(7)本発明では、第7態様として、前記第2接合層におけるSiの含有量は、1〜10重量%であることを特徴とする。
第2接合層におけるSiの含有量が1重量%未満であると、上述した酸化被膜を形成し難くなる。一方、Siの含有量が10重量%を上回ると、Ni以外の成分が多くなり過ぎ、固溶限を超えて前記第2相の析出物の体積割合が増えるので、酸素の拡散バリアーとしての効果が弱まる。よって、(後述する実験例から明らかなように)このSi含有量の範囲が好適である。
(7) In the present invention, as a seventh aspect, the Si content in the second bonding layer is 1 to 10% by weight.
When the content of Si in the second bonding layer is less than 1% by weight, it is difficult to form the above-described oxide film. On the other hand, if the Si content exceeds 10% by weight, the amount of components other than Ni increases too much, exceeding the solid solubility limit and increasing the volume fraction of the second phase precipitates, so that it is effective as an oxygen diffusion barrier. Is weakened. Therefore, this Si content range is suitable (as is clear from the experimental examples described later).

(8)本発明では、第8態様として、前記接合部には、前記第1接合層及び前記第2接合層に加え、前記第2接合層より前記酸素雰囲気側に、前記第1部材と前記第2部材とに密着すると共に前記第2接合層よりも酸素拡散係数が小さい密着層を備えたことを特徴とする。   (8) In the present invention, as an eighth aspect, in addition to the first bonding layer and the second bonding layer, the bonding member includes the first member and the second bonding layer closer to the oxygen atmosphere than the second bonding layer. An adhesion layer is provided that is in close contact with the second member and has a smaller oxygen diffusion coefficient than the second bonding layer.

本態様では、第2接合層に加えて(第2接合層よりも酸素拡散係数が小さい)密着層を備えているので、一層酸素の拡散を抑制できる。よって、一層ボイドの発生を防止できるという顕著な効果を奏する。   In this aspect, in addition to the second bonding layer, an adhesion layer (having an oxygen diffusion coefficient smaller than that of the second bonding layer) is provided, so that oxygen diffusion can be further suppressed. Therefore, there is a remarkable effect that the generation of voids can be further prevented.

(9)本発明は、第9態様(固体酸化物形燃料電池)として、前記請求項1〜8のいずれか1項に記載の接合体を備えたことを特徴とする。
固体酸化物形燃料電池は、例えば500〜900℃の高温で使用されるので、その構造材料として、例えば上述した接合体を使用すると、ボイドの発生を好適に抑制することができる。
(9) The present invention is characterized in that the joined body according to any one of claims 1 to 8 is provided as a ninth aspect (solid oxide fuel cell).
Since the solid oxide fuel cell is used at a high temperature of, for example, 500 to 900 ° C., for example, when the above-described joined body is used as the structural material, generation of voids can be suitably suppressed.

(10)本発明では、第10態様として、前記接合体は、固体電解質体と金属部材とが接合されたものであることを特徴とする。
本態様は、接合体を例示したものである。この固体電解質体に、燃料極及び酸素極を設けることによって、後述する発電を行うセル本体であるセラミックス基板を構成できる。また、金属部材としては、セル本体に接合されている(水素雰囲気側と酸素雰囲気側とを分離する)セパレータが挙げられる。
(10) In the present invention, as a tenth aspect, the joined body is obtained by joining a solid electrolyte body and a metal member.
This aspect illustrates a joined body. By providing the solid electrolyte body with a fuel electrode and an oxygen electrode, a ceramic substrate which is a cell main body for generating power described later can be configured. Moreover, as a metal member, the separator joined to the cell main body (separating the hydrogen atmosphere side and the oxygen atmosphere side) is mentioned.

実施例1の固体酸化物形燃料電池を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a solid oxide fuel cell of Example 1. FIG. 実施例1の固体酸化物形燃料電池の断面(図1のA−A断面)を拡大して模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which expands and shows typically the cross section (AA cross section of FIG. 1) of the solid oxide fuel cell of Example 1. FIG. 実施例1の固体酸化物形燃料電池の断面(図1のB−B断面)を拡大して模式的に示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing an enlarged cross section (cross section BB of FIG. 1) of the solid oxide fuel cell of Example 1. 実施例1の接合体を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a joined body of Example 1. FIG. 実施例1の接合体の断面(図4のC−C断面)を拡大して模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which expands and schematically shows the cross section (CC cross section of FIG. 4) of the joined body of Example 1. 実施例1の接合体の接合部近傍の断面(図4のC−C断面)を拡大して模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which expands and shows typically the cross section (CC cross section of FIG. 4) of the junction part vicinity of the conjugate | zygote of Example 1. FIG. 実施例1の接合体の製造手順を示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing a procedure for manufacturing the joined body of Example 1. 実施例1の接合体の変形例の製造手順を示す説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating a manufacturing procedure of a modified example of the joined body of Example 1. (a)は実施例2の接合体の接合体近傍の断面を模式的に示す説明図、(b)は実施例2の接合体の変形例の接合体近傍の断面を模式的に示す説明図、(c)は実施例3の接合体の接合体近傍の断面を模式的に示す説明図、(d)は実施例4の接合体の接合体近傍の断面を模式的に示す説明図である。(A) is explanatory drawing which shows typically the cross section of the conjugate | zygote vicinity of the conjugate | zygote of Example 2, (b) is explanatory drawing which shows typically the cross section of the conjugate | zygote vicinity of the modification of the conjugate | zygote of Example 2. (C) is explanatory drawing which shows typically the cross section of the conjugate | zygote vicinity of the conjugate | zygote of Example 3, (d) is explanatory drawing which shows typically the cross section of the conjugate | zygote vicinity of the conjugate | zygote of Example 4. . 実験方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an experiment method. 従来技術の説明図である。It is explanatory drawing of a prior art.

以下に、本発明を実施するための各種の形態(例)について説明する。
[実施形態]
<接合体の構成>
前記第1部材と第2部材との組み合わせとしては、セラミックス部材同士、セラミックス部材と金属部材、金属部材同士の組み合わせがある。
Various forms (examples) for carrying out the present invention will be described below.
[Embodiment]
<Composition of joined body>
As combinations of the first member and the second member, there are ceramic members, ceramic members and metal members, and metal members.

前記セラミックス部材の材質は特に限定されず、酸化物系セラミックス、窒化物系セラミックス、炭化物系セラミックス及びケイ化物系セラミックス等が挙げられる。
酸化物系セラミックスとしては、ジルコニア、マグネシア、アルミナ、チタニア等が挙げられる。また、2種以上の元素を含有する複合酸化物からなるセラミックスが挙げられる。窒化物系セラミックスとしては、窒化ケイ素、窒化チタン、窒化ホウ素等が挙げられる。炭化物系セラミックスとしては、炭化ケイ素、炭化タングステン等が挙げられる。ケイ化物系セラミックスとしては、ケイ化モリブデン等が挙げられる。これらのセラミックスは、セラミックス接合体の用途によって選択することができる。
The material of the ceramic member is not particularly limited, and examples thereof include oxide ceramics, nitride ceramics, carbide ceramics, and silicide ceramics.
Examples of oxide ceramics include zirconia, magnesia, alumina, and titania. Moreover, the ceramic which consists of complex oxide containing 2 or more types of elements is mentioned. Examples of nitride ceramics include silicon nitride, titanium nitride, boron nitride and the like. Examples of the carbide ceramics include silicon carbide and tungsten carbide. Examples of silicide ceramics include molybdenum silicide. These ceramics can be selected according to the application of the ceramic joined body.

前記金属部材としては、金属枠体等の金属板が挙げられ、用途に合わせて任意の金属を選択することができる。
この金属部材としては、その使用時の温度の範囲で劣化することなく、水素雰囲気側の水素含有ガスと酸素雰囲気側の酸素含有ガスとが混合しないように隔離できる金属を選択することができる。このような金属として、ステンレス鋼、ニッケル基合金及びクロム基合金を例示することができる。
As said metal member, metal plates, such as a metal frame, are mentioned, Arbitrary metals can be selected according to a use.
As the metal member, a metal that can be isolated so as not to mix the hydrogen-containing gas on the hydrogen atmosphere side and the oxygen-containing gas on the oxygen atmosphere side without deteriorating in the temperature range during use can be selected. Examples of such metals include stainless steel, nickel-based alloys, and chromium-based alloys.

ステンレス鋼としては、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼が挙げられる。フェライト系ステンレス鋼としては、SUS430以外に、SUS434及びSUS405等が挙げられる。マルテンサイト系ステンレス鋼としては、SUS403、SUS410及びSUS431等が挙げられる。オーステナイト系ステンレス鋼としては、SUS201、SUS301、SUS305等が挙げられる。更に、ニッケル基合金としては、インコネル600、インコネル718、インコロイ802等が挙げられる。クロム基合金としては、Ducrlloy CRF(94Cr5Fe1Y23)等が挙げられる。 Examples of the stainless steel include ferritic stainless steel, martensitic stainless steel, and austenitic stainless steel. Examples of ferritic stainless steel include SUS434 and SUS405 in addition to SUS430. Examples of martensitic stainless steel include SUS403, SUS410, and SUS431. Examples of austenitic stainless steel include SUS201, SUS301, and SUS305. Further, examples of the nickel-based alloy include Inconel 600, Inconel 718, Incoloy 802, and the like. Examples of the chromium-based alloy include Ducrloy CRF (94Cr5Fe1Y 2 O 3 ).

前記第1接合層のろう材としては、特に限定されず、例えばAg又はAu等を主成分とする各種のろう材を採用できる。例えばCr23を(例えば1〜5重量%)含有するAgろう材(Ag−Cr23ろう材)や、例えばPdを(例えば2〜30質量%、好ましくは3〜10質量%)含有するAgろう材(Ag−Pdろう材)を用いることができる。 The brazing material for the first bonding layer is not particularly limited, and various brazing materials mainly composed of Ag, Au, or the like can be employed. For example, Ag brazing material (Ag—Cr 2 O 3 brazing material) containing Cr 2 O 3 (for example, 1 to 5% by weight) or Pd (for example, 2 to 30% by mass, preferably 3 to 10% by mass) The contained Ag brazing material (Ag—Pd brazing material) can be used.

また、第2接合層の材質としては、前記第1接合層の材質(従って酸素拡散係数)に応じて適宜選択できるが、例えばNi、Pt、Auが挙げられる。このうち、Ni、Ptは、酸素の拡散バリアーの特性が大きく好適である。特に、Ptは、大気中でAgろう材を接合する条件で酸化が進まないので、酸素の拡散バリアーとして、一層好適である。   The material of the second bonding layer can be appropriately selected according to the material of the first bonding layer (and hence the oxygen diffusion coefficient), and examples thereof include Ni, Pt, and Au. Of these, Ni and Pt are suitable because of their large oxygen diffusion barrier properties. In particular, Pt is more suitable as an oxygen diffusion barrier because oxidation does not proceed under the condition of joining the Ag brazing filler metal in the atmosphere.

前記酸化被膜を形成するCr、Al、Siの酸化物としては、例えばCr23、Al23、SiO2が挙げられる。
前記密着層の材質としては、前記第2接合層の材質(従って酸素拡散係数)に応じて適宜選択できるが、例えばPt、酸化物ガラスが挙げられる。
<接合体が配置される雰囲気>
前記水素雰囲気側のガスとしては、例えば固体酸化物形燃料電池に用いられる燃料ガスが挙げられる。
Examples of Cr, Al, and Si oxides that form the oxide film include Cr 2 O 3 , Al 2 O 3 , and SiO 2 .
The material of the adhesion layer can be appropriately selected according to the material of the second bonding layer (accordingly, the oxygen diffusion coefficient), and examples thereof include Pt and oxide glass.
<Atmosphere in which the joined body is arranged>
Examples of the gas on the hydrogen atmosphere side include a fuel gas used in a solid oxide fuel cell.

この燃料ガスとしては、水素、水素源となる炭化水素、水素と炭化水素との混合ガス、及びこれらのガスを所定温度の水中を通過させ加湿した燃料ガス、これらのガスに水蒸気を混合させた燃料ガス等が挙げられる。炭化水素は特に限定されず、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等が挙げられる。更に、メタン、エタン、プロパン、ブタン及びペンタン等の炭素数が1〜10、好ましくは1〜7、より好ましくは1〜4の飽和炭化水素、並びにエチレン及びプロピレン等の不飽和炭化水素を主成分とするものが好ましく、飽和炭化水素を主成分とするものが更に好ましい。これらの燃料ガスは1種のみを用いてもよいし、2種以上を併用することもできる。また、50体積%以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。   As this fuel gas, hydrogen, a hydrocarbon serving as a hydrogen source, a mixed gas of hydrogen and hydrocarbons, a fuel gas obtained by passing these gases through water at a predetermined temperature and humidifying them, and water vapor mixed with these gases Examples include fuel gas. The hydrocarbon is not particularly limited, and examples thereof include natural gas, naphtha, and coal gasification gas. Further, the main components are saturated hydrocarbons having 1 to 10, preferably 1 to 7, more preferably 1 to 4 carbon atoms such as methane, ethane, propane, butane and pentane, and unsaturated hydrocarbons such as ethylene and propylene. Those having a saturated hydrocarbon as a main component are more preferable. These fuel gas may use only 1 type and can also use 2 or more types together. Moreover, you may contain inert gas, such as nitrogen and argon of 50 volume% or less.

前記酸素雰囲気側のガスとしては、例えば固体酸化物形燃料電池に用いられる支燃性ガスが挙げられる。
この支燃性ガスとしては、空気、酸素と他の気体との混合ガス等が挙げられる。また、この混合ガスには80体積%以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスが含有されていてもよい。これらの支燃性ガスのうちでは安全であって、且つ安価であるため空気(約80体積%の窒素が含まれている。)が好ましい。
<固体酸化物形燃料電池の構成>
前記接合体が用いられる固体酸化物形燃料電池としては、燃料極、固体電解質体及び空気極がこの順に積層され、燃料極と空気極の間が隔離セパレータで分離される構造が挙げられる。なお、燃料極、固体電解質体及び空気極のいずれも支持体とすることができるが、燃料極支持型が製造が容易であるので好適である。
Examples of the gas on the oxygen atmosphere side include a combustion-supporting gas used in a solid oxide fuel cell.
Examples of the combustion-supporting gas include air, a mixed gas of oxygen and another gas, and the like. The mixed gas may contain 80% by volume or less of an inert gas such as nitrogen and argon. Among these combustion-supporting gases, air (containing about 80% by volume of nitrogen) is preferable because it is safe and inexpensive.
<Configuration of solid oxide fuel cell>
Examples of the solid oxide fuel cell in which the joined body is used include a structure in which a fuel electrode, a solid electrolyte body, and an air electrode are laminated in this order, and the fuel electrode and the air electrode are separated by an isolation separator. Note that any of the fuel electrode, the solid electrolyte body, and the air electrode can be used as a support, but the fuel electrode support type is preferable because it is easy to manufacture.

また、固体酸化物形燃料電池の全体の構造としては、各種の構造のものがあり、複数の発電単位である発電層(セル)が金属製のセル間セパレータを介して積層されたものが挙げられる。この固体酸化物形燃料電池としては、各々のセルは基板状のセル本体を備え、各セルは、固体電解質体と固体電解質体の一面に設けられた燃料極と他面に設けられた空気極とを有するものが挙げられる。この場合、セル本体が第1部材に該当し、隔離セパレータが第2部材に相当する。   In addition, the overall structure of the solid oxide fuel cell includes various structures, in which a power generation layer (cell) that is a plurality of power generation units is stacked via a metal intercell separator. It is done. In this solid oxide fuel cell, each cell has a substrate-like cell body, and each cell has a solid electrolyte body, a fuel electrode provided on one surface of the solid electrolyte body, and an air electrode provided on the other surface. The thing which has these. In this case, the cell body corresponds to the first member, and the isolation separator corresponds to the second member.

更に、各々のセルの燃料極及び空気極とセル間セパレータとは、それぞれ燃料極側集電体及び空気極側集電体により電気的に接続することができる。また、各々のセルは、燃料ガスの流路と、支燃性ガスである空気の流路とを隔離するための隔離セパレータを備える。更に、それぞれのセル間を電気的に絶縁するため、セラミック等の絶縁体からなる絶縁板が、積層方向の所定部分に配設されることもある。   Further, the fuel electrode and air electrode of each cell and the inter-cell separator can be electrically connected by a fuel electrode side current collector and an air electrode side current collector, respectively. Each cell includes an isolation separator for isolating the flow path of the fuel gas from the flow path of the air that is the combustion-supporting gas. Further, in order to electrically insulate the respective cells, an insulating plate made of an insulator such as ceramic may be disposed at a predetermined portion in the stacking direction.

固体電解質体は、ZrO2、BaCeO3系酸化物、及びLaGaO3系酸化物のうち、少なくとも一つからなることが好ましい。また、これらのうち、ZrO2系酸化物を用いた固体電解質が特に好ましい。 The solid electrolyte body is preferably made of at least one of ZrO 2 , BaCeO 3 -based oxide, and LaGaO 3 -based oxide. Of these, a solid electrolyte using a ZrO 2 oxide is particularly preferable.

燃料極は、Ni及びYSZ等により形成することができる。この燃料極は、水素源となる燃料ガスと接触し、セルにおける負電極として機能する。
また、燃料極の形成に用いる材料も、Ni及びYSZに限定されず、固体酸化物形燃料電池の使用条件等により適宜選択することができる。この材料としては、例えば、Pt、Au、Ag、Cu、Pd、Ir、Ru、Rh、Ni及びFe等の金属が挙げられる。これらの金属は1種のみでもよいし、2種以上の金属の合金でもよい。
The fuel electrode can be formed of Ni, YSZ, or the like. This fuel electrode is in contact with a fuel gas serving as a hydrogen source and functions as a negative electrode in the cell.
The material used for forming the fuel electrode is not limited to Ni and YSZ, and can be appropriately selected depending on the use conditions of the solid oxide fuel cell. Examples of this material include metals such as Pt, Au, Ag, Cu, Pd, Ir, Ru, Rh, Ni, and Fe. These metals may be used alone or in an alloy of two or more metals.

また、これらの金属及び/又は合金と、Y及び希土類元素のうちの少なくとも1種により安定化されたジルコニア等のジルコニア系セラミック、セリア系セラミック及び酸化マンガン等のセラミックとの混合物(サーメットを含む。)が挙げられる。   Further, a mixture (including cermet) of these metals and / or alloys and zirconia ceramics such as zirconia stabilized by at least one of Y and rare earth elements, ceria ceramics, and ceramics such as manganese oxide. ).

更に、Ni及びCu等の金属の酸化物と、上記セラミックのうちの少なくとも1種との混合物などが挙げられる。
空気極は、例えばLa1-xSrxMnO3系複合酸化物等により形成することができる。この空気極は、酸素源となる支燃性ガスと接触し、セルにおける正電極として機能する。
Furthermore, the mixture etc. of the oxide of metals, such as Ni and Cu, and at least 1 sort (s) of the said ceramic are mentioned.
The air electrode can be formed of, for example, La 1-x Sr x MnO 3 composite oxide. This air electrode is in contact with a combustion-supporting gas serving as an oxygen source and functions as a positive electrode in the cell.

また、空気極の形成に用いる材料は、La1-xSrxMnO3系複合酸化物に限定されず、固体酸化物形燃料電池1の使用条件等により適宜選択することができる。この材料としては、例えば、Pt、Au、Ag、Pd、Ir、Ru及びRh等の金属が挙げられる。これらの金属は1種のみでもよいし、2種以上の金属の合金でもよい。 The material used for forming the air electrode is not limited to the La 1-x Sr x MnO 3 composite oxide, and can be appropriately selected depending on the use conditions of the solid oxide fuel cell 1. Examples of this material include metals such as Pt, Au, Ag, Pd, Ir, Ru, and Rh. These metals may be used alone or in an alloy of two or more metals.

更に、La、Sr、Ce、Co及びMn等の酸化物(例えば、La23、SrO、Ce23、Co23、MnO2及びFeO等)が挙げられる。
また、La、Sr、Ce、Co及びMn等のうちの少なくとも1種を含有する各種の複合酸化物(例えば、La1-xSrxFeO3系複合酸化物、La1-xSrxCo1-yFey3系複合酸化物、Pr1-xBaxCo1-yFey3系複合酸化物及びSm1-xSrxCo1-yFey3系複合酸化物等)が挙げられる。
Further, oxides such as La, Sr, Ce, Co, and Mn (for example, La 2 O 3 , SrO, Ce 2 O 3 , Co 2 O 3 , MnO 2, FeO, etc.) can be mentioned.
In addition, various composite oxides containing at least one of La, Sr, Ce, Co, Mn, and the like (for example, La 1-x Sr x FeO 3 composite oxide, La 1-x Sr x Co 1). -y Fe y O 3 composite oxide, Pr 1-x Ba x Co 1 -y Fe y O 3 composite oxide, Sm 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 composite oxide, etc.) Is mentioned.

以下に、本発明の接合体及びそれを用いた固体酸化物形燃料電池の実施例について、具体的に説明する。
a)まず、本実施例の固体酸化物形燃料電池の構成について説明する。
Examples of the joined body of the present invention and a solid oxide fuel cell using the same will be specifically described below.
a) First, the configuration of the solid oxide fuel cell of this example will be described.

図1に示す様に、本実施例の固体酸化物形燃料電池1は、燃料ガス(例えば水素)と支燃性ガス(例えば空気)との供給を受けて発電を行う装置であり、この固体酸化物形燃料電池1は、発電の基本構成である発電層(即ち固体酸化物形燃料電池セル:以下単にセルと記す)3を複数層(ここでは例えば3層3a、3b、3c)積層したものである。   As shown in FIG. 1, a solid oxide fuel cell 1 according to the present embodiment is a device that generates power by being supplied with a fuel gas (for example, hydrogen) and a combustion-supporting gas (for example, air). The oxide fuel cell 1 is formed by laminating a plurality of layers (here, for example, three layers 3a, 3b, and 3c) of a power generation layer (that is, a solid oxide fuel cell: hereinafter simply referred to as a cell) 3 that is a basic configuration of power generation. Is.

前記セル3内には、図2及び図3に模式的に示す様に、発電を行う要部である基板状のセル本体5を備えており、セル本体5では、(例えば水素)に接する燃料極7と、酸素イオン導電性を有する固体電解質体9と、酸化ガス(例えば空気中の酸素)に接触する空気極11とが、この順に積層されている。   As schematically shown in FIGS. 2 and 3, the cell 3 includes a substrate-like cell main body 5 that is a main part for generating power, and in the cell main body 5, fuel in contact with (for example, hydrogen). The electrode 7, the solid electrolyte body 9 having oxygen ion conductivity, and the air electrode 11 in contact with the oxidizing gas (for example, oxygen in the air) are stacked in this order.

尚、固体電解質体9と空気極11との間には、図示しないが、固体電解質体9と空気極11との間の反応を防止する反応防止層が形成されている。
また、本実施例では、燃料極7が支持基体となるいわゆる燃料極支持膜式のセル3を挙げているが、それに限定されるものではなく、例えば空気極支持膜式のセルや、固体電解質体が支持基体となる自立膜式のセルなどに適用することができる。
Although not shown, a reaction preventing layer for preventing a reaction between the solid electrolyte body 9 and the air electrode 11 is formed between the solid electrolyte body 9 and the air electrode 11.
Further, in this embodiment, the so-called fuel electrode support membrane type cell 3 in which the fuel electrode 7 serves as a support base is cited, but the present invention is not limited to this. For example, an air electrode support membrane type cell or a solid electrolyte is used. The present invention can be applied to a self-supporting membrane cell whose body is a supporting base.

更に、前記図2及び図3に詳しく示す様に、前記固体酸化物形燃料電池1では、セル3が、金属製のインターコネクタ(セル間セパレータ)13を介して、積層方向(両図の上下方向)に複数積層されている。   Further, as shown in detail in FIGS. 2 and 3, in the solid oxide fuel cell 1, the cells 3 are arranged in the stacking direction (up and down in both figures) via a metal interconnector (inter-cell separator) 13. Direction).

このうち、図2に示す様に、固体酸化物形燃料電池1の外周側(図2の左右方向)には、燃料極7や空気極11等を気密して囲むように、四角形の筒状の枠部15が設けられており、この枠部15には、その一部を同図の上下方向に貫通するように、各セル3の燃料極7側の空間(燃料ガス流路)17に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路19と、各燃料ガス流路17から発電後の燃料ガスを外部に排出する燃料ガス排出路21とが設けられている。   Among these, as shown in FIG. 2, on the outer peripheral side of the solid oxide fuel cell 1 (left and right direction in FIG. 2), a rectangular cylindrical shape is formed so as to airtightly surround the fuel electrode 7, the air electrode 11, and the like. The frame portion 15 is provided in a space (fuel gas flow path) 17 on the fuel electrode 7 side of each cell 3 so as to penetrate a part of the frame portion 15 in the vertical direction of the figure. A fuel gas supply passage 19 for supplying fuel gas and a fuel gas discharge passage 21 for discharging the fuel gas after power generation from each fuel gas passage 17 to the outside are provided.

同様に、図3に示す様に、前記枠部15には、その一部を同図の上下方向に貫通するように、各セル3の空気流路23に空気を供給する空気供給路25と、各空気流路23から発電後の空気を外部に排出する空気排出路27とが設けられている。   Similarly, as shown in FIG. 3, the frame portion 15 has an air supply passage 25 for supplying air to the air flow passage 23 of each cell 3 so as to penetrate a part of the frame portion 15 in the vertical direction of the figure. An air discharge path 27 is provided for discharging the air after power generation from each air flow path 23 to the outside.

各セル3の燃料極7は、燃料極側集電体29により各セル間セパレータ13等に電気的に接続され、各空気極11は、空気極側集電体31によりAgろう材からなる接合層33を介して他のセル間セパレータ13等に電気的に接続されている。   The fuel electrode 7 of each cell 3 is electrically connected to each cell separator 13 and the like by a fuel electrode side current collector 29, and each air electrode 11 is joined by an air electrode side current collector 31 made of an Ag brazing material. It is electrically connected to the other inter-cell separator 13 or the like via the layer 33.

尚、最上部と最下部のインターコネクタを、それぞれ蓋体35、底部36と称し、最上部の空気極11は蓋体35に、最下部の燃料極7は底部36に、それぞれ電気的に接続されている。   The uppermost and lowermost interconnectors are referred to as a lid 35 and a bottom 36, respectively. The uppermost air electrode 11 is electrically connected to the lid 35, and the lowermost fuel electrode 7 is electrically connected to the bottom 36. Has been.

各セル3は、燃料ガス流路17と空気流路33とを隔離するための隔離セパレータ(セル内セパレータ)37を備えており、この隔離セパレータ37は、後に詳述する様に、接合部39によって、固体電解質体9(従ってセル本体5)の表面に接合されている。   Each cell 3 includes an isolation separator (in-cell separator) 37 for isolating the fuel gas flow path 17 and the air flow path 33, and the isolation separator 37 is connected to a joint portion 39 as will be described in detail later. Is joined to the surface of the solid electrolyte body 9 (and hence the cell body 5).

なお、隔離セパレータ37とセル本体5とが接合部39によって接合された基板状の接合体41が、本発明の接合体に該当する。
また、前記枠部15には、それぞれのセル3間を電気的に絶縁するため、絶縁体である四角形の枠状のセラミックフレーム43が、積層方向の所定部分に配設されており、さらに、強度を高めるために、四角形の枠状の金属フレーム45、47が、積層方向に配設されている。なお、それらは、Agろう材からなる接合層49、51、53、55、57によって、上下の部材と一体に接合されている。
The substrate-like joined body 41 in which the isolation separator 37 and the cell main body 5 are joined by the joining portion 39 corresponds to the joined body of the present invention.
In addition, in the frame portion 15, in order to electrically insulate the cells 3 from each other, a rectangular frame-shaped ceramic frame 43 which is an insulator is disposed in a predetermined portion in the stacking direction. In order to increase the strength, rectangular frame-shaped metal frames 45 and 47 are arranged in the stacking direction. Note that they are integrally bonded to the upper and lower members by bonding layers 49, 51, 53, 55, 57 made of Ag brazing material.

つまり、固体酸化物形燃料電池1の枠部15においては、図2及び図3の上方より、蓋体35、接合層49、金属フレーム45、接合層51、セラミックフレーム43、接合層53、隔離セパレータ37、接合層55、金属フレーム47、接合層57、セル間セパレータ13等の順で積層され、各部材は、その間のAgろう材からなる接合層49〜57により接合一体化されている。   That is, in the frame portion 15 of the solid oxide fuel cell 1, the lid 35, the bonding layer 49, the metal frame 45, the bonding layer 51, the ceramic frame 43, the bonding layer 53, and the isolation from above in FIGS. 2 and 3. The separator 37, the bonding layer 55, the metal frame 47, the bonding layer 57, the inter-cell separator 13, and the like are stacked in this order, and each member is bonded and integrated by bonding layers 49 to 57 made of an Ag brazing material therebetween.

ここで、金属部材である前記セル間セパレータ13、蓋体35、底部36、金属フレーム45、47の材質としては、隔離セパレータ37と同様に、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金等の耐熱合金を用いることができる。   Here, as the material of the inter-cell separator 13, the lid 35, the bottom 36, and the metal frames 45, 47 that are metal members, similarly to the isolation separator 37, heat resistance such as stainless steel, nickel base alloy, chromium base alloy, etc. Alloys can be used.

また、前記接合層33、49〜57を構成するAgろう材としては、Agろう材中に、Ni、Co、Cr、Ti、Ce、Sr、Mn、La、Sm、及びYの各元素の酸化物のうち、少なくとも1種を含むAgろう材を用いることができる。この酸化物としては、NiO、Co34、Cr23、TiO2、CeO2、Sr23、MnO2、La23、Sm23、Y23などが挙げられる。 Further, as the Ag brazing material constituting the bonding layers 33, 49 to 57, oxidation of each element of Ni, Co, Cr, Ti, Ce, Sr, Mn, La, Sm and Y in the Ag brazing material An Ag brazing material containing at least one of the materials can be used. Examples of the oxide include NiO, Co 3 O 4 , Cr 2 O 3 , TiO 2 , CeO 2 , Sr 2 O 3 , MnO 2 , La 2 O 3 , Sm 2 O 3 , and Y 2 O 3. .

更に、燃料極側集電体29の材質は、金属が好ましく、例えばNi又はNi基合金等により形成することができる。この燃料極側集電体29の形態は、弾性があるものが好ましく、多孔体、発泡体及び金属繊維からなるフェルト又はメッシュ等を挙げることができる。   Further, the material of the fuel electrode side current collector 29 is preferably a metal, and can be formed of, for example, Ni or a Ni-based alloy. The fuel electrode side current collector 29 preferably has elasticity, and examples thereof include felts or meshes made of porous bodies, foams, and metal fibers.

一方、空気極側集電体31の材質は、金属及び導電性セラミックを用いることができる。この金属としては、燃料極側集電体29と同様のものを用いることができるが、非弾性の緻密な板状体であってもかまわない。   On the other hand, the material of the air electrode side current collector 31 can be a metal and a conductive ceramic. As this metal, the same material as the fuel electrode side current collector 29 can be used, but an inelastic dense plate-like body may be used.

b)次に、本実施例の要部である接合体41について説明する。
図4に示す様に、接合体41は、中央に正方形の開口部61を有する四角枠状の隔離セパレータ37に、開口部61を覆って気密するように正方形の板状のセル本体5が接合されたものである。
b) Next, the joined body 41 which is a main part of the present embodiment will be described.
As shown in FIG. 4, the joined body 41 is joined to a square frame-shaped isolation separator 37 having a square opening 61 at the center so that the square plate-shaped cell body 5 is airtightly covered with the opening 61. It has been done.

詳しくは、図5に拡大して模式的に示す様に、接合体41は、セル本体5の上部において、固体電解質体9が露出する(平面形状が四角枠状の)露出部分63に、隔離セパレータ37の開口部61側の(平面形状が四角枠状の)縁部65が、(平面形状が四角枠状の)接合部39によって接合されたものである。   Specifically, as schematically shown in an enlarged view in FIG. 5, the joined body 41 is isolated in an exposed portion 63 where the solid electrolyte body 9 is exposed (planar shape is a square frame shape) in the upper part of the cell body 5. An edge portion 65 (planar shape is a square frame shape) on the opening 61 side of the separator 37 is joined by a joint portion 39 (a planar shape is a square frame shape).

図6に、この接合体41の接合部39の近傍を拡大して模式的に示すが、接合体41は、金属製の第1部材である隔離セパレータ37と、セラミックスを主成分とする第2部材であるセル本体5(詳しくは固体電解質体9)との間において、セル3内の水素雰囲気側である燃料ガス流路17側にAgろう材からなる第1接合層67を備えるとともに、酸素雰囲気側である空気流路23側にNiからなる第2接合層69を備えている。   FIG. 6 schematically shows an enlarged view of the vicinity of the joint portion 39 of the joined body 41. The joined body 41 includes a separation separator 37, which is a first metal member, and a second main component composed of ceramics. A first bonding layer 67 made of Ag brazing material is provided on the fuel gas flow path 17 side, which is the hydrogen atmosphere side in the cell 3, between the cell main body 5 (specifically, the solid electrolyte body 9) as a member, and oxygen A second bonding layer 69 made of Ni is provided on the air flow path 23 side which is the atmosphere side.

特に、本実施例では、酸素雰囲気側の第2接合層69の酸素拡散係数が、水素雰囲気側の第1接合層67中の酸素拡散係数より小さく設定されている
具体的には、第1接合層67を構成するAgろう材として、例えばAg−Cr23(Cr23を4重量%含有)を用いており、この第1接合層67の固体酸化物形燃料電池1の運転温度(例えば800℃)における酸素拡散係数は、1.56×10-82/sである。
In particular, in this embodiment, the oxygen diffusion coefficient of the second bonding layer 69 on the oxygen atmosphere side is set to be smaller than the oxygen diffusion coefficient in the first bonding layer 67 on the hydrogen atmosphere side. For example, Ag—Cr 2 O 3 (containing 4% by weight of Cr 2 O 3 ) is used as the Ag brazing material constituting the layer 67, and the operating temperature of the solid oxide fuel cell 1 of the first bonding layer 67 is used. The oxygen diffusion coefficient at (for example, 800 ° C.) is 1.56 × 10 −8 m 2 / s.

一方、第2接合層69を構成するNiは、純Niであり、この第2接合層69の固体酸化物形燃料電池1の同様な運転温度(例えば800℃)における酸素拡散係数は、3.48×10-182/sである。 On the other hand, Ni constituting the second bonding layer 69 is pure Ni, and the oxygen diffusion coefficient of the second bonding layer 69 at the same operating temperature (for example, 800 ° C.) of the solid oxide fuel cell 1 is 3. 48 × 10 −18 m 2 / s.

特に、本実施例では、酸素雰囲気側の第2接合層69の酸素拡散係数が、水素雰囲気側の第1接合層67中の酸素拡散係数より小さく設定されていることが重要であり、この関係を満たす範囲内で、第1接合層67のろう材の材料、第2接合層69の材料(例えば金属材料)を適宜選択することができる。   In particular, in this embodiment, it is important that the oxygen diffusion coefficient of the second bonding layer 69 on the oxygen atmosphere side is set smaller than the oxygen diffusion coefficient in the first bonding layer 67 on the hydrogen atmosphere side. Within the range that satisfies the conditions, the material of the brazing material of the first bonding layer 67 and the material (for example, metal material) of the second bonding layer 69 can be appropriately selected.

なお、下記の表1に、各材料の各温度(℃)における酸素拡散係数(m2/s)を示す。 Table 1 below shows the oxygen diffusion coefficient (m 2 / s) at each temperature (° C.) of each material.

c)次に、固体酸化物形燃料電池1の製造方法について説明する。
まず、例えばSUS430からなる板材を打ち抜いて、セル間セパレータ13、隔離セパレータ37、金属フレーム45、47を製造した。
c) Next, a method for manufacturing the solid oxide fuel cell 1 will be described.
First, for example, a plate material made of SUS430 was punched out to manufacture the inter-cell separator 13, the isolation separator 37, and the metal frames 45 and 47.

また、マイカにより絶縁フレーム43を製造した。
更に、セル本体5を製造した。具体的には、燃料極7のグリーンシートの一方の表面(表面側)に、表面全体を覆うように、固体電解質体9の材料を印刷し、更に、この固体電解質体9の印刷層の上に、反応防止層の材料を印刷し、一旦焼成する。その後、反応防止層の表面に空気極13の材料を印刷し、焼成してセル本体5を製造した。
Also, an insulating frame 43 was manufactured from mica.
Furthermore, the cell body 5 was manufactured. Specifically, the material of the solid electrolyte body 9 is printed on one surface (surface side) of the green sheet of the fuel electrode 7 so as to cover the entire surface, and further, on the printed layer of the solid electrolyte body 9. Next, the material of the reaction preventing layer is printed and fired once. Thereafter, the material of the air electrode 13 was printed on the surface of the reaction preventing layer and baked to manufacture the cell body 5.

次に、各セル本体5の周縁部の表面に、Agろう材を介して、隔離セパレータ37の内縁部が接するように配置し、ろう付け接合した。
具体的には、図7(a)に示す様に、隔離セパレータ37の内縁部に沿って、接合部39の第1接合層67の形成位置に、四角枠状に(ペースト状の)Agろう材からなるろう材層71を形成した。同様に、セル本体5(詳しくは固体電解質体9の露出部分63)の周縁部に沿って、接合部39の第1接合層67の形成位置に、四角枠状に同じ(ペースト状の)Agろう材からなるろう材層73を形成した。
Next, it arrange | positioned so that the inner edge part of the isolation | separation separator 37 might contact | connect the surface of the peripheral part of each cell main body 5 via Ag brazing material, and it brazed and joined.
Specifically, as shown in FIG. 7A, a square frame (paste-like) Ag brazing is formed along the inner edge of the isolation separator 37 at the position where the first bonding layer 67 of the bonding portion 39 is formed. A brazing material layer 71 made of a material was formed. Similarly, the same (pasty) Ag in the form of a square frame is formed along the peripheral edge of the cell body 5 (specifically, the exposed portion 63 of the solid electrolyte body 9) at the position where the first bonding layer 67 of the bonding portion 39 is formed. A brazing material layer 73 made of a brazing material was formed.

次に、図7(b)に示す様に、隔離セパレータ37とセル本体5とを近づけて、両ろう材層71、73を密着させた。具体的には、周知の様に、例えばセラミックスからなる耐熱性緩衝材(図示せず)の上に、前記密着させた隔離セパレータ37とセル本体5とを載置し、その上に重り(図示せず)を乗せて、所定の圧力(例えば500Pa以上)を加えた。   Next, as shown in FIG. 7 (b), the separator 37 and the cell body 5 were brought close to each other and the brazing filler metal layers 71 and 73 were brought into close contact with each other. Specifically, as is well known, for example, the insulative separator 37 and the cell body 5 are placed on a heat-resistant cushioning material (not shown) made of ceramic, for example, and a weight (see FIG. A predetermined pressure (for example, 500 Pa or more) was applied.

その後、大気中で(例えば1000℃に)加熱した後に冷却して、第1接合層67を形成するとともに、この第1接合層67によって隔離セパレータ37とセル本体5とをろう付け接合して一体化した。   Then, after heating in the atmosphere (for example, to 1000 ° C.) and cooling to form the first bonding layer 67, the isolation separator 37 and the cell body 5 are brazed and bonded together by the first bonding layer 67. Turned into.

なお、隔離セパレータ37の表面には、ろう付け時に酸化被膜が形成されるので、塩酸又は硫酸等により被膜の除去を行う。
次に、図7(c)、(d)に示す様に、電解めっきによって、第1接合層67の露出する一方の側面(即ち酸素雰囲気側の側面:同図右側)に、Niからなるめっき層である第2接合層69を形成する。なお、水素雰囲気側の側面にはマスキングによって、めっき層を形成しないようにする。ここで、めっき条件は、例えば電解めっき液(硫酸ニッケル24%、酸化ニッケル4.5%、ホウ酸3%、イオン交換水(残部))、温度20℃、めっき時間30分である。
Since an oxide film is formed on the surface of the isolation separator 37 during brazing, the film is removed with hydrochloric acid or sulfuric acid.
Next, as shown in FIGS. 7C and 7D, plating made of Ni is formed on one exposed side surface of the first bonding layer 67 (that is, the side surface on the oxygen atmosphere side: the right side in FIG. 7) by electrolytic plating. A second bonding layer 69 as a layer is formed. Note that the plating layer is not formed on the side surface on the hydrogen atmosphere side by masking. Here, the plating conditions are, for example, an electrolytic plating solution (nickel sulfate 24%, nickel oxide 4.5%, boric acid 3%, ion-exchanged water (remainder)), temperature 20 ° C., and plating time 30 minutes.

これによって、隔離セパレータ37に接合部39によってセル本体5が接合された接合体41が得られた。
その後、枠部15を形成するように、金属フレーム45、セラミックフレーム43、セル本体5、金属フレーム47の順で重ね合わせ、更に、前記図3の固体酸化物形燃料電池1の構成となるように、セル間セパレータ13、空気極側集電体31、燃料極側集電体29などを積層し、治具を用いて組み付けるとともに、接合箇所(即ち接合層33、49〜57を形成する部分)にAgろう材を配置した。
As a result, a joined body 41 in which the cell body 5 was joined to the isolation separator 37 by the joining portion 39 was obtained.
Thereafter, the metal frame 45, the ceramic frame 43, the cell body 5, and the metal frame 47 are stacked in this order so as to form the frame portion 15, and further, the solid oxide fuel cell 1 of FIG. The inter-cell separator 13, the air electrode side current collector 31, the fuel electrode side current collector 29, and the like are stacked and assembled using a jig, and joint portions (that is, portions where the joint layers 33 and 49 to 57 are formed) ) Ag brazing material was placed.

そして、このように組み付けた構成を、大気中で(例えば1000℃で)加熱した後に冷却して、ろう付け接合により一体化し、固体酸化物形燃料電池1を完成した。
なお、隔離セパレータ37とセル本体5とを接合するAgろう材(第1Agろう材)の溶融温度が、接合層33、49〜57のAgろう材(第2Agろう材)の溶融温度より高くなるように、その組成が選択されている。例えば第1Agろう材としては、上述の様に、Ag−4重量%Cr23を用い、第2Agろう材としては、Ag−5重量%Pdを用いることができる。
Then, the assembled structure was heated in the atmosphere (for example, at 1000 ° C.) and then cooled and integrated by brazing to complete the solid oxide fuel cell 1.
Note that the melting temperature of the Ag brazing material (first Ag brazing material) that joins the separator 37 and the cell body 5 is higher than the melting temperature of the Ag brazing material (second Ag brazing material) of the joining layers 33 and 49 to 57. As such, its composition is selected. For example, as described above, Ag-4 wt% Cr 2 O 3 can be used as the first Ag brazing material, and Ag-5 wt% Pd can be used as the second Ag brazing material.

d)次に、本実施例の効果について説明する。
本実施例では、接合体41は、金属製の第1部材である隔離セパレータ37と、セラミックスを主成分とする第2部材であるセル本体5とが、水素雰囲気側の第1接合層67と酸素雰囲気側の第2接合層69とを有する接合部39により接合されており、しかも、第2接合層69の酸素拡散係数が第1接合層67の酸素拡散係数より小さく設定されている。
d) Next, the effect of the present embodiment will be described.
In the present embodiment, the joined body 41 includes an isolation separator 37 that is a first metal member and a cell body 5 that is a second member mainly composed of ceramics, and a first joining layer 67 on the hydrogen atmosphere side. The oxygen diffusion coefficient of the second bonding layer 69 is set to be smaller than the oxygen diffusion coefficient of the first bonding layer 67.

そのため、この接合体41が例えば400℃以上のような高温で使用された場合に、水素雰囲気側より酸素が第1接合層67中に拡散したときでも、酸素雰囲気側より酸素が第2接合層69中に拡散しにくく(従って、接合部39中に拡散しにくく)なっている。よって、接合部39中で水素と酸素が反応してボイドが発生することを抑制できるので、ボイドの発生よるろう材の劣化を防止できるという効果を奏する。   Therefore, when the joined body 41 is used at a high temperature such as 400 ° C. or higher, oxygen is diffused from the oxygen atmosphere side to the second joining layer even when oxygen diffuses into the first joining layer 67 from the hydrogen atmosphere side. 69 is less likely to diffuse into the joint 69 (and therefore less likely to diffuse into the joint 39). Therefore, since it is possible to suppress the generation of voids due to the reaction of hydrogen and oxygen in the joint portion 39, it is possible to prevent the brazing material from being deteriorated due to the generation of voids.

特に、本実施例では、第2接合層69における酸素拡散係数が、例えば800℃において、3.48×10-182/sであるので、ボイドの発生が極めて少ないという利点がある。 In particular, in this embodiment, since the oxygen diffusion coefficient in the second bonding layer 69 is 3.48 × 10 −18 m 2 / s at 800 ° C., for example, there is an advantage that generation of voids is extremely small.

なお、前記第2接合層69の材料としては、Ni以外の例えばPt等の(第1接合層67より)酸素拡散係数が小さい材料を採用できる。
また、図8に示す様に、第1接合層81における水素雰囲気側及び酸素雰囲気側に、電解めっきによって、Niからなるめっき層83、85を形成してもよい。ここでは、酸素雰囲気側のめっき層85が、第2接合層85である。
As the material of the second bonding layer 69, a material having a small oxygen diffusion coefficient such as Pt other than Ni (as compared to the first bonding layer 67) can be adopted.
Also, as shown in FIG. 8, plated layers 83 and 85 made of Ni may be formed on the hydrogen atmosphere side and the oxygen atmosphere side of the first bonding layer 81 by electrolytic plating. Here, the plating layer 85 on the oxygen atmosphere side is the second bonding layer 85.

次に、実施例2について説明するが、前記実施例1と同様な内容の説明は省略する。
図9(a)に示す様に、本実施例では、第1部材及び第2部材は、前記実施例1と同様な、隔離セパレータ91とセル本体93である。
Next, the second embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
As shown in FIG. 9A, in the present embodiment, the first member and the second member are the isolation separator 91 and the cell main body 93 similar to those in the first embodiment.

また、接合部95を構成する第1接合層97は、前記実施例1と同様なAgろう材から形成されており、第2接合層99は、Ni合金からなる。Ni合金としては、NiとCr、Al、Siのうち少なくとも1種の合金である、例えばNi−3Al、Ni−20Cr、Ni−3Siを採用できる。   The first bonding layer 97 constituting the bonding portion 95 is made of the same Ag brazing material as that of the first embodiment, and the second bonding layer 99 is made of a Ni alloy. As the Ni alloy, for example, Ni-3Al, Ni-20Cr, or Ni-3Si, which is at least one of Ni, Cr, Al, and Si, can be used.

なお、第2接合層99におけるCrの含有量としては、10〜30重量%を採用できる。また、第2接合層99におけるAlの含有量としては、1〜10重量%を採用できる。或いは、第2接合層99におけるSiの含有量としては、1〜10重量%を採用できる。   In addition, as content of Cr in the 2nd joining layer 99, 10 to 30 weight% is employable. Moreover, as content of Al in the 2nd joining layer 99, 1 to 10 weight% is employable. Alternatively, the content of Si in the second bonding layer 99 can be 1 to 10% by weight.

特に、第2接合層99が上述した組成の合金から構成されている場合に、第2接合層99が高温の酸素雰囲気に晒されると、例えば前記実施例1の様な固体酸化物形燃料電池に使用されると、Cr、Al、Siが酸化されることによって、Niの酸化が抑制される。   In particular, when the second bonding layer 99 is made of an alloy having the above-described composition, when the second bonding layer 99 is exposed to a high-temperature oxygen atmosphere, for example, the solid oxide fuel cell as in the first embodiment is used. When used, the oxidation of Ni is suppressed by oxidation of Cr, Al and Si.

また、この酸化によって、第2接合層99の酸化雰囲気側に、図9(b)に示す様に、合金の組成に応じた酸化被膜101が形成される。例えば、Al23、Cr23、SiO2からなる酸化被膜101が形成される。 Further, as a result of this oxidation, an oxide film 101 corresponding to the composition of the alloy is formed on the oxidation atmosphere side of the second bonding layer 99 as shown in FIG. 9B. For example, an oxide film 101 made of Al 2 O 3 , Cr 2 O 3 , or SiO 2 is formed.

これらの酸化被膜101は、第1接合層97に比べて酸素拡散係数が小さいので(例えばAl23:800℃で1.14×10-142/s)、ボイドの発生を抑制できるという利点がある。 Since these oxide films 101 have a smaller oxygen diffusion coefficient than the first bonding layer 97 (for example, Al 2 O 3 : 1.14 × 10 −14 m 2 / s at 800 ° C.), generation of voids can be suppressed. There is an advantage.

つまり、金属状態のNiが酸素の拡散バリアーの効果を発揮するとともに、前記酸化被膜101も酸素の拡散バリアーの効果を発揮できるので、ボイドの発生を効果的に抑制できるという利点がある。   That is, Ni in a metal state exhibits the effect of an oxygen diffusion barrier, and the oxide film 101 can also exhibit the effect of an oxygen diffusion barrier, so that there is an advantage that generation of voids can be effectively suppressed.

なお、酸化被膜101は、上述の様に実際に高温での使用の際に形成されてもよいが、予め高温の酸化雰囲気に晒すことによって形成してもよい。或いは、例えば製造の際に(例えばろう付けの際に)形成してもよい。   The oxide film 101 may be formed when actually used at a high temperature as described above, but may be formed by exposing it to a high-temperature oxidizing atmosphere in advance. Alternatively, for example, it may be formed during manufacture (for example, during brazing).

次に、実施例3について説明するが、前記実施例1と同様な内容の説明は省略する。
図9(c)に示す様に、本実施例では、第1部材及び第2部材は、前記実施例1と同様な、隔離セパレータ111とセル本体113である。
Next, the third embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
As shown in FIG. 9C, in the present embodiment, the first member and the second member are the isolation separator 111 and the cell body 113 similar to those in the first embodiment.

また、接合部115を構成する第1接合層117及び第2接合層119は、前記実施例1と同様なAgろう材及びNiから形成されている。
特に本実施例では、第2接合層119の酸素雰囲気側に、酸化物ガラスからなる密着層120が形成されている。この密着層120は、第1接合層117より酸素拡散係数が小さいので、ボイドの発生を大きく抑制できるという利点がある。
Further, the first bonding layer 117 and the second bonding layer 119 constituting the bonding portion 115 are made of the same Ag brazing material and Ni as in the first embodiment.
In particular, in this embodiment, an adhesion layer 120 made of oxide glass is formed on the oxygen atmosphere side of the second bonding layer 119. Since the adhesion layer 120 has an oxygen diffusion coefficient smaller than that of the first bonding layer 117, there is an advantage that generation of voids can be greatly suppressed.

なお、この密着層120は、ガラスペーストをディスペンサーで塗布し、その後焼成することにより形成することができる。   The adhesion layer 120 can be formed by applying a glass paste with a dispenser and then baking it.

次に、実施例4について説明するが、前記実施例1と同様な内容の説明は省略する。
本実施例の接合体は、固体酸化物形燃料電池以外の装置に使用することができる。例えば、機械切削工具、インバーター用セラミックス基板(HV/EV車用パワーデバイス)、タービンローターのような装置に用いることができる。
Next, the fourth embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
The joined body of the present embodiment can be used for apparatuses other than solid oxide fuel cells. For example, it can be used in devices such as machine cutting tools, inverter ceramic substrates (HV / EV vehicle power devices), and turbine rotors.

図9(d)に示す様に、本実施例では、第1部材及び第2部材として、例えばアルミナからなる板状のセラミックス部材121、123を用いている。
また、接合部125を構成する第1接合層127は、前記実施例1と同様なAgろう材から形成されており、第2接合層129は、第1接合層127より酸素拡散係数が小さな例えばNi又はPtから構成されている。
As shown in FIG. 9D, in this embodiment, plate-shaped ceramic members 121 and 123 made of alumina, for example, are used as the first member and the second member.
Further, the first bonding layer 127 constituting the bonding portion 125 is formed of the same Ag brazing material as that of the first embodiment, and the second bonding layer 129 has an oxygen diffusion coefficient smaller than that of the first bonding layer 127. It consists of Ni or Pt.

本実施例においても、前記実施例1と同様な効果を奏する。
また、本実施例の変形例では、第1部材及び第2部材として、例えばステンレス鋼からなる板状の金属部材を用いることができる。
<実験例>
次に、本発明の効果を確認した実験例について説明する。
Also in the present embodiment, the same effects as in the first embodiment can be obtained.
Moreover, in the modification of a present Example, the plate-shaped metal member which consists of stainless steel, for example can be used as a 1st member and a 2nd member.
<Experimental example>
Next, experimental examples in which the effect of the present invention has been confirmed will be described.

本実験例では、図10に示す実験装置を用いて、接合体の接合部におけるボイドの発生の有無を調べたものである。
図10に示す様に、この実験装置131は、円筒形状のステンレス鋼製の金属パイプ133の先端に、その開口部分を塞ぐように、円盤状のステンレス鋼製の板材135を接合したものである。
In this experimental example, using the experimental apparatus shown in FIG. 10, the presence / absence of voids in the joined portion of the joined body was examined.
As shown in FIG. 10, this experimental apparatus 131 is obtained by joining a disk-shaped stainless steel plate 135 to the tip of a cylindrical stainless steel metal pipe 133 so as to close the opening. .

この板材135の中心には、貫通孔137が開けられており、この貫通孔137を上方より塞ぐように、(前記実施例1と同様な固体電解質体からなる)セラミックス基板139が接合部141によって接合されている。   A through hole 137 is opened at the center of the plate member 135, and a ceramic substrate 139 (made of a solid electrolyte body similar to that of the first embodiment) is joined by the joint portion 141 so as to close the through hole 137 from above. It is joined.

つまり、接合部141は、金属パイプ133内の内部空間143から外側の外部空間145にガスが通過することを防止するように(気密するように)、貫通孔137の上部の開口部147の周囲を覆うように配置されている。   In other words, the joint 141 surrounds the opening 147 above the through-hole 137 so as to prevent gas from passing from the internal space 143 in the metal pipe 133 to the external space 145 outside (to be airtight). It is arranged to cover.

なお、接合部141は、前記実施例1、2と同様に、水素雰囲気側の第1接合層149と酸素雰囲気側の第2接合層151とから構成されている。
そして、実験では、下記表2に示す様に、第1接合層149として、800℃での酸素拡散係数が1.56×10-82/sのAgろう材(詳しくはAg−4重量%Cr23)を用い、第2接合層151として、800℃での各酸素拡散係数を有する各種の材料を用いた。なお、表2に示す様に、Niに他の物質を所定量添加した場合の酸素拡散係数は、第2接合層と第2接合層の酸素側にできる酸化被膜までを含めたもので、Ni単体の3.48×10-182/sよりも小さい値となっている。
As in the first and second embodiments, the bonding portion 141 includes a first bonding layer 149 on the hydrogen atmosphere side and a second bonding layer 151 on the oxygen atmosphere side.
In the experiment, as shown in Table 2 below, as the first bonding layer 149, an Ag brazing material having an oxygen diffusion coefficient of 1.56 × 10 −8 m 2 / s at 800 ° C. (specifically, Ag-4 weight) % Cr 2 O 3 ), and various materials having various oxygen diffusion coefficients at 800 ° C. were used as the second bonding layer 151. As shown in Table 2, the oxygen diffusion coefficient when a predetermined amount of another substance is added to Ni includes the second bonding layer and the oxide film formed on the oxygen side of the second bonding layer. The value is smaller than the single unit of 3.48 × 10 −18 m 2 / s.

実験条件は、温度を850℃に設定し、内部空間143に1気圧の水素を供給するとともに、外部空間145に1気圧の酸素を供給し、20時間及び200時間におけるボイドの発生状態(即ちAgろう材の劣化の状態)を調べた。   The experimental condition is that the temperature is set to 850 ° C., 1 atm of hydrogen is supplied to the internal space 143 and 1 atm of oxygen is supplied to the external space 145, and voids are generated in 20 hours and 200 hours (ie, Ag). The state of deterioration of the brazing material) was investigated.

その結果を、下記表2に記す。なお、表2の各耐久評価における×はボイドの発生を示し、○はボイドの発生がないことを示している。また、総合評価における×、△、○は、この順番で耐久性が優れていることを示している。   The results are shown in Table 2 below. In each durability evaluation in Table 2, “x” indicates the occurrence of a void, and “◯” indicates that no void is generated. Moreover, x, (triangle | delta), (circle) in comprehensive evaluation has shown that durability is excellent in this order.

※1:第2接合層と第2接合層の酸素側にできる酸化被膜までを含めた酸素拡散係数が、3.48×10-182/sより小さい値。
この表2から明らかな様に、第1接合層より第2接合層の方が酸素拡散係数の小さい材料を用いることにより、ボイドの発生を抑制できること、即ち耐久性に優れていることが分かる。
* 1: The oxygen diffusion coefficient including the second bonding layer and the oxide film formed on the oxygen side of the second bonding layer is a value smaller than 3.48 × 10 −18 m 2 / s.
As is clear from Table 2, it can be seen that the use of a material having a smaller oxygen diffusion coefficient in the second bonding layer than in the first bonding layer can suppress the generation of voids, that is, the durability is excellent.

また、NiにCrを10〜30重量%含む場合には、それ以外のCr含有量に比べて、耐久性が高いことが分かる。
同様に、NiにAlを1〜10重量%含む場合には、それ以外のAl含有量に比べて、耐久性が高いことが分かる。
Further, it can be seen that when Ni contains 10 to 30% by weight of Cr, the durability is higher than other Cr contents.
Similarly, when Al is contained in Ni in an amount of 1 to 10% by weight, it can be seen that durability is higher than other Al contents.

同様に、NiにSiを1〜10重量%含む場合には、それ以外のSi含有量に比べて、耐久性が高いことが分かる。
尚、本発明は前記実施例等になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
Similarly, it can be seen that when Ni is contained in Ni in an amount of 1 to 10% by weight, the durability is higher than other Si contents.
Needless to say, the present invention is not limited to the above-described embodiments and the like, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention.

1…固体酸化物形燃料電池
3、3a、3b、3c…発電層(セル)
5、93、113…セル本体
7…燃料極
9…固体電解質体
11…空気極
37、91、111…隔離セパレータ
39、95、115、125、141…接合部
41…接合体
67、81、97、117、127、149…第1接合層
69、85、99、119、129、151…第2接合層
120…密着層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Solid oxide fuel cell 3, 3a, 3b, 3c ... Electric power generation layer (cell)
5, 93, 113 ... Cell body 7 ... Fuel electrode 9 ... Solid electrolyte body 11 ... Air electrode 37, 91, 111 ... Isolation separator 39, 95, 115, 125, 141 ... Joint part 41 ... Joint body 67, 81, 97 117, 127, 149: first bonding layer 69, 85, 99, 119, 129, 151: second bonding layer 120: adhesion layer

Claims (10)

酸素ガスを含有する酸素雰囲気側と水素ガスを含有する水素雰囲気側とを分離するガス分離構造体に使用され、セラミックス又は金属からなる第1部材とセラミックス又は金属からなる第2部材とを、ろう材を有する接合部によって接合した、接合体において、
前記接合部は、前記水素雰囲気側に前記ろう材からなる第1接合層を有するとともに、前記酸素雰囲気側に第2接合層を有し、
前記第2接合層中の酸素拡散係数が、前記第1接合層中の酸素拡散係数より小さいことを特徴とする接合体。
A gas separation structure for separating an oxygen atmosphere side containing oxygen gas and a hydrogen atmosphere side containing hydrogen gas is used, and a first member made of ceramics or metal and a second member made of ceramics or metal are brazed. In a joined body joined by a joint having a material,
The bonding portion has a first bonding layer made of the brazing material on the hydrogen atmosphere side and a second bonding layer on the oxygen atmosphere side,
A bonded body, wherein an oxygen diffusion coefficient in the second bonding layer is smaller than an oxygen diffusion coefficient in the first bonding layer.
前記第2接合層における酸素拡散係数が、800℃において、3.48×10-182/s以下であることを特徴とする請求項1に記載の接合体。 2. The joined body according to claim 1, wherein an oxygen diffusion coefficient in the second joining layer is 3.48 × 10 −18 m 2 / s or less at 800 ° C. 3. 前記第2接合層は、Niを主成分とし、Cr、Al、Siの少なくとも1種含む合金層であることを特徴とする請求項1又は2に記載の接合体。   The joined body according to claim 1 or 2, wherein the second joining layer is an alloy layer containing Ni as a main component and containing at least one of Cr, Al, and Si. 前記第2接合層は、Cr、Al、Siの酸化物の少なくとも1種を含む酸化被膜を備えたことを特徴とする請求項3に記載の接合体。   The joined body according to claim 3, wherein the second joining layer includes an oxide film containing at least one kind of oxides of Cr, Al, and Si. 前記第2接合層におけるCrの含有量は、10〜30重量%であることを特徴とする請求項3又は4に記載の接合体。   The joined body according to claim 3 or 4, wherein a content of Cr in the second joining layer is 10 to 30% by weight. 前記第2接合層におけるAlの含有量は、1〜10重量%であることを特徴とする請求項3又は4に記載の接合体。   The joined body according to claim 3 or 4, wherein the content of Al in the second joining layer is 1 to 10% by weight. 前記第2接合層におけるSiの含有量は、1〜10重量%であることを特徴とする請求項3又は4に記載の接合体。   The joined body according to claim 3 or 4, wherein the content of Si in the second joining layer is 1 to 10% by weight. 前記接合部には、前記第1接合層及び前記第2接合層に加え、前記第2接合層より前記酸素雰囲気側に、前記第1部材と前記第2部材とに密着すると共に前記第2接合層よりも酸素拡散係数が小さい密着層を備えたことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の接合体。   In addition to the first bonding layer and the second bonding layer, the bonding portion is in close contact with the first member and the second member closer to the oxygen atmosphere side than the second bonding layer and the second bonding layer. The joined body according to claim 1, further comprising an adhesion layer having a smaller oxygen diffusion coefficient than the layer. 前記請求項1〜8のいずれか1項に記載の接合体を備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。   A solid oxide fuel cell comprising the joined body according to any one of claims 1 to 8. 前記接合体は、固体電解質体と金属部材とが接合されたものであることを特徴とする請求項9に記載の固体酸化物形燃料電池。   The solid oxide fuel cell according to claim 9, wherein the joined body is obtained by joining a solid electrolyte body and a metal member.
JP2012105299A 2012-05-02 2012-05-02 Joined body and solid oxide fuel cell using the same Active JP5890244B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012105299A JP5890244B2 (en) 2012-05-02 2012-05-02 Joined body and solid oxide fuel cell using the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012105299A JP5890244B2 (en) 2012-05-02 2012-05-02 Joined body and solid oxide fuel cell using the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2013235651A true JP2013235651A (en) 2013-11-21
JP5890244B2 JP5890244B2 (en) 2016-03-22

Family

ID=49761634

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012105299A Active JP5890244B2 (en) 2012-05-02 2012-05-02 Joined body and solid oxide fuel cell using the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5890244B2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015153709A (en) * 2014-02-19 2015-08-24 日本特殊陶業株式会社 fuel cell
US10985386B2 (en) * 2018-04-03 2021-04-20 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Fuel cell including glass seal with barium free surface regions

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08153526A (en) * 1994-11-28 1996-06-11 Tokyo Gas Co Ltd Method for sealing porous base into place
JPH1167247A (en) * 1997-08-21 1999-03-09 Murata Mfg Co Ltd Solid electrolyte fuel cell
JP2004319286A (en) * 2003-04-16 2004-11-11 Tokyo Gas Co Ltd Manufacturing method of solid oxide fuel cell
JP2005050692A (en) * 2003-07-29 2005-02-24 Nissan Motor Co Ltd Solid electrolyte fuel cell
JP2006172946A (en) * 2004-12-16 2006-06-29 Ngk Spark Plug Co Ltd Solid electrolyte fuel battery cell, and solid electrolyte fuel battery using it and its manufacturing method
JP2006172989A (en) * 2004-12-17 2006-06-29 Ngk Spark Plug Co Ltd Solid electrolyte fuel battery cell and solid electrolyte fuel battery using it and its manufacturing method
JP2010003623A (en) * 2008-06-23 2010-01-07 Nissan Motor Co Ltd Solid oxide fuel cell stack, and bonding material
JP2010287440A (en) * 2009-06-11 2010-12-24 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Solid-oxide fuel cell and method of manufacturing the same
JP2012069389A (en) * 2010-09-24 2012-04-05 Toto Ltd Fuel cell body, fuel cell unit, fuel cell stack and fuel cell comprising them
JP5116181B1 (en) * 2011-10-14 2013-01-09 日本碍子株式会社 Fuel cell stack structure

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08153526A (en) * 1994-11-28 1996-06-11 Tokyo Gas Co Ltd Method for sealing porous base into place
JPH1167247A (en) * 1997-08-21 1999-03-09 Murata Mfg Co Ltd Solid electrolyte fuel cell
JP2004319286A (en) * 2003-04-16 2004-11-11 Tokyo Gas Co Ltd Manufacturing method of solid oxide fuel cell
JP2005050692A (en) * 2003-07-29 2005-02-24 Nissan Motor Co Ltd Solid electrolyte fuel cell
JP2006172946A (en) * 2004-12-16 2006-06-29 Ngk Spark Plug Co Ltd Solid electrolyte fuel battery cell, and solid electrolyte fuel battery using it and its manufacturing method
JP2006172989A (en) * 2004-12-17 2006-06-29 Ngk Spark Plug Co Ltd Solid electrolyte fuel battery cell and solid electrolyte fuel battery using it and its manufacturing method
JP2010003623A (en) * 2008-06-23 2010-01-07 Nissan Motor Co Ltd Solid oxide fuel cell stack, and bonding material
JP2010287440A (en) * 2009-06-11 2010-12-24 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Solid-oxide fuel cell and method of manufacturing the same
JP2012069389A (en) * 2010-09-24 2012-04-05 Toto Ltd Fuel cell body, fuel cell unit, fuel cell stack and fuel cell comprising them
JP5116181B1 (en) * 2011-10-14 2013-01-09 日本碍子株式会社 Fuel cell stack structure

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015153709A (en) * 2014-02-19 2015-08-24 日本特殊陶業株式会社 fuel cell
US10985386B2 (en) * 2018-04-03 2021-04-20 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Fuel cell including glass seal with barium free surface regions

Also Published As

Publication number Publication date
JP5890244B2 (en) 2016-03-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5242952B2 (en) Solid electrolyte fuel cell and manufacturing method thereof
JP5242985B2 (en) Solid oxide fuel cell
JP6336382B2 (en) Single cell with separator, fuel cell stack, and manufacturing method of single cell with separator
JP2006202727A (en) Solid electrolyte fuel cell
JP5198799B2 (en) Solid electrolyte fuel cell
JP2008293741A (en) Solid oxide fuel cell
JP4646102B2 (en) Solid oxide fuel cell
JP2016157693A (en) Solid oxide fuel battery single cell and solid oxide fuel battery stack
JP5079991B2 (en) Fuel cell and fuel cell
JP4995463B2 (en) Solid oxide fuel cell and method for producing the same
JP5727431B2 (en) Fuel cell with separator and fuel cell
JP5890244B2 (en) Joined body and solid oxide fuel cell using the same
JP2015022891A (en) Fuel cell with separator and fuel cell stack
JP5432231B2 (en) Joining member for solid oxide fuel cell
JP6014278B2 (en) Single cell with metal plate, fuel cell stack, and manufacturing method of single cell with metal plate
JP2007134133A (en) Solid electrolyte fuel cell
JP6917182B2 (en) Conductive members, electrochemical reaction units, and electrochemical reaction cell stacks
JP2006172989A (en) Solid electrolyte fuel battery cell and solid electrolyte fuel battery using it and its manufacturing method
JP4640906B2 (en) Laminated body and solid oxide fuel cell
JP2006004678A (en) Solid electrolyte type fuel cell
JP2006024436A (en) Solid electrolyte fuel cell
JP4279584B2 (en) Solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof
JP2004247174A (en) Solid electrolyte fuel battery
JP2016039004A (en) Fuel battery
JP6663470B1 (en) Fuel cell and cell stack device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20141215

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20150813

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20150818

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20150925

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20151020

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20151204

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20160126

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20160218

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5890244

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250