JP2019212374A - Bonding structure of sofc, and conductive bonding material used therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、SOFCの空気極とインターコネクタとを接続する接続構造とこれに用いる導電性接合材料とに関する。 The present invention relates to a connection structure for connecting an SOFC air electrode and an interconnector, and a conductive bonding material used therefor.
固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC,以下、単に「SOFC」という。)は、種々のタイプの燃料電池の中でも、発電効率が高い、環境への負荷が低い、多様な燃料の使用が可能であるなどの利点を有することから、その需要が高まっている。SOFCの単セルは、本質的な構成として、酸素イオン伝導体からなる緻密な層状の固体電解質を基本とし、この固体電解質の一方の面に多孔質構造の空気極(カソード)が、他方の面に多孔質構造の燃料極(アノード)が形成されている。そして一般には、この単セルが複数個積み重ねられ(スタックされ)電気的に接続されて、SOFCスタックとして使用されている。単セルの接続には、インターコネクタと、このインターコネクタとSOFCとを電気的に接続する接合部材が使用される。近年、インターコネクタとしては、固体電解質であるイットリア安定化ジルコニア(YSZ)と熱膨張係数が近く、耐酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼の使用が検討されている。 Solid Oxide Fuel Cell (SOFC, hereinafter referred to simply as “SOFC”) is a type of fuel cell that has high power generation efficiency and low environmental impact among various types of fuel cells. Its demand is increasing because it has advantages such as being usable. An SOFC single cell is essentially composed of a dense layered solid electrolyte made of an oxygen ion conductor, and a porous structure of an air electrode (cathode) on one side of the solid electrolyte and the other side. A fuel electrode (anode) having a porous structure is formed. In general, a plurality of the single cells are stacked (stacked) and electrically connected to be used as an SOFC stack. For connection of single cells, an interconnector and a joining member that electrically connects the interconnector and the SOFC are used. In recent years, as an interconnector, the use of ferritic stainless steel having a thermal expansion coefficient close to that of yttria-stabilized zirconia (YSZ) which is a solid electrolyte and excellent in oxidation resistance has been studied.
この金属製のインターコネクタについては、SOFCの運転温度(例えば700℃以上)において、フェライト系ステンレス鋼に高濃度に含まれるクロム(Cr)が拡散し、特に空気極材料と反応して空気極の性能を劣化(クロム被毒)させるという問題が存在する。このフェライト系ステンレス鋼からのクロムの拡散は、最近になって、インターコネクタの表面をスピネル型結晶構造を有する遷移金属酸化物によって表面処理すること(例えば、特許文献1参照)によって好適に抑制されることが知見された。そのため、SOFC用の金属製インターコネクタとしては、フェライト系ステンレス鋼からなる基材の表面を、スピネル型遷移金属酸化物でコーティング(以下、スピネルコーティングという。)した状態で出荷されている。 About this metal interconnector, chromium (Cr) contained in ferritic stainless steel diffuses at a high temperature in the operating temperature of SOFC (for example, 700 ° C. or more), and particularly reacts with the air electrode material. There is a problem of degrading performance (chromium poisoning). Recently, the diffusion of chromium from the ferritic stainless steel is suitably suppressed by surface-treating the surface of the interconnector with a transition metal oxide having a spinel crystal structure (for example, see Patent Document 1). It was discovered that Therefore, as a metal interconnector for SOFC, the surface of a base material made of ferritic stainless steel is coated with a spinel transition metal oxide (hereinafter referred to as spinel coating).
しかしながら、このスピネルコーティングは接合性が十分とは言えず、SOFCの運転に伴う温度変化に際して剥離やクラックが発生し、接合界面の抵抗が増大しやすい傾向がある。特に、SOFCでは、起動時の急速加熱やメンテナンスまたは異常時等の運転停止の際の時間短縮を目的として、ヒートサイクル耐性の更なる向上が求められている。そのため、スピネルコーティングを備えた金属製インターコネクタを使用する場合、セラミック材料からなるインターコネクタを用いる場合と比較して接合強度が劣るという課題があった。 However, this spinel coating cannot be said to have sufficient bondability, and peeling and cracking occur when the temperature changes during operation of the SOFC, and the resistance at the bonding interface tends to increase. In particular, the SOFC is required to further improve heat cycle resistance for the purpose of rapid heating at start-up, time reduction at the time of shutdown during maintenance or abnormality. Therefore, when using the metal interconnector provided with the spinel coating, there is a problem that the bonding strength is inferior compared to the case of using the interconnector made of a ceramic material.
本発明は上記の従来の問題を解決すべく創出されたものであり、その目的は、スピネルコーティングを備えた金属製インターコネクタを使用する場合であっても、例えば、SOFCの空気極とインターコネクタとを電気伝導性を確保しつつ、高い接合強度で接合することができる接合構造を提供することである。 The present invention has been created to solve the above-mentioned conventional problems, and the object thereof is, for example, even when a metal interconnector having a spinel coating is used, for example, an SOFC air electrode and an interconnector. It is to provide a bonding structure that can be bonded with high bonding strength while ensuring electrical conductivity.
上記目的を実現するべく、本発明によって、SOFCの空気極と金属製インターコネクタとを接合する接合構造が提供される。この接合構造は、SOFCの空気極と、金属製インターコネクタと、上記空気極および上記金属製インターコネクタを接合する接合部材とを含む。ここで金属製インターコネクタは、少なくともFeとCrとを含む金属基材と、この金属基材の上記接合部材に対向する側の表面に備えられ、一般式:M1 3O4(ただし、式中のM1は、遷移金属から選択される1以上の元素である。);で表される第1スピネル相を含むスピネル層と、を備える。また、上記接合部材は、一般式:ABO3(ただし、式中のAは、La、SrおよびBaからなる群から選択される2以上の元素であり、Bは、少なくともCoを含む1以上の元素である。);で表されるペロブスカイト相と、一般式:M2 3O4(ただし、式中のM2は、Ni、Fe,CoおよびCuからなる群から選択される2以上の元素である。);で表される酸化物相と、を含む。 In order to achieve the above object, the present invention provides a joining structure for joining an SOFC air electrode and a metal interconnector. The joining structure includes an SOFC air electrode, a metal interconnector, and a joining member that joins the air electrode and the metal interconnector. Here, the metal interconnector is provided on a metal base material containing at least Fe and Cr, and a surface of the metal base material on the side facing the joining member, and has a general formula: M 1 3 O 4 (however, the formula And M 1 is one or more elements selected from transition metals.); And a spinel layer including a first spinel phase represented by: In addition, the bonding member has a general formula: ABO 3 (wherein A is two or more elements selected from the group consisting of La, Sr and Ba, and B is one or more containing at least Co) And a perovskite phase represented by the general formula: M 2 3 O 4 (wherein M 2 is selected from the group consisting of Ni, Fe, Co and Cu) And an oxide phase represented by;
上記構成において、金属製インターコネクタは表面にスピネル層を備えており、Crの拡散が抑制されている。また、SOFCの空気極は、ペロブスカイト型遷移金属酸化物を主体として構成されている。そして、ここに開示される接合部材は、上記一般式で特定されるペロブスカイト相と酸化物相とを含む。接合部材が上記酸化物相を含むことで、金属製インターコネクタの表面のスピネル層に対する物理的接合性と電気的な接合性とが改善される。このような効果が発現される理由は明らかではないが、SOFCの運転温度において、このペロブスカイト型遷移金属酸化物はバンド伝導を示し、上記組成の酸化物相はスピネル型遷移金属酸化物となり得て、ホッピング伝導を示し得る。このことにより、接合部材は、良好な電気伝導性を実現する。また、接合部材は、上記ペロブスカイト相と酸化物相とを含むことから、金属製インターコネクタのスピネル層に対して高い接合性を示すと共に、SOFCの空気極に対しても高い接合性を維持することができる。これらは、例えば焼結により一体化されていることから、接合界面においても電気的に良好な接合が実現され、界面抵抗も低く抑えることができる。これにより、接合強度と界面抵抗特性とを両立させた接合構造が提供される。 In the above configuration, the metal interconnector has a spinel layer on the surface, and the diffusion of Cr is suppressed. The SOFC air electrode is mainly composed of a perovskite transition metal oxide. And the joining member disclosed here contains the perovskite phase and oxide phase which are specified by the said general formula. When a joining member contains the said oxide phase, the physical joining property and electrical joining property with respect to the spinel layer of the surface of metal interconnectors are improved. The reason why such an effect is manifested is not clear, but at the operating temperature of SOFC, the perovskite type transition metal oxide exhibits band conduction, and the oxide phase having the above composition can be a spinel type transition metal oxide. Can exhibit hopping conduction. As a result, the joining member achieves good electrical conductivity. Further, since the joining member includes the perovskite phase and the oxide phase, the joining member exhibits high joining property to the spinel layer of the metal interconnector and also maintains high joining property to the SOFC air electrode. be able to. Since these are integrated by, for example, sintering, electrically good bonding is realized even at the bonding interface, and the interface resistance can be kept low. As a result, a joint structure having both joint strength and interface resistance characteristics is provided.
ここに開示される接合構造の好ましい一態様において、上記ペロブスカイト相は、上記元素AとしてLaおよびSrを含み、上記元素BとしてCoを含む。例えば、ペロブスカイト相は、ストロンチウム・コバルタイト、ランタン・ストロンチウム・コバルタイトであることが好ましい。このようなペロブスカイト相は、例えば、SOFCの空気極材料として汎用されている材料と類似か等しい結晶構造を有し、その熱特性が類似したものであり得る。このような構成によって、例えば600℃以上800℃以下程度の低温においてもSOFCの発電性能を良好に維持することができる接合構造が提供される。 In a preferable embodiment of the junction structure disclosed herein, the perovskite phase includes La and Sr as the element A, and Co as the element B. For example, the perovskite phase is preferably strontium cobaltite or lanthanum strontium cobaltite. Such a perovskite phase may have, for example, a crystal structure similar to or equal to a material widely used as an SOFC air electrode material and similar in thermal characteristics. With such a configuration, for example, a joining structure that can maintain the power generation performance of SOFC well even at a low temperature of about 600 ° C. or higher and 800 ° C. or lower is provided.
ここに開示される接合構造の好ましい一態様において、上記酸化物相は、NiFe2O4、NiCo2O4、およびCoFe2O4から選択されるいずれか1種を主相とする。
ここで、「主相」とは、スピネル相が上記いずれか1種の酸化物からなる相を50mol%以上含んでいることを意味する。このことにより、接合材は、金属製インターコネクタの表面のスピネル層との接合性が改善される。加えて、例えば室温から、600℃以上800℃以下程度の温度範囲に亘る厳しいヒートサイクルが繰り返し付加された場合であっても、良好な接合性を維持することができる。
In a preferred embodiment of the junction structure disclosed herein, the oxide phase has any one selected from NiFe 2 O 4 , NiCo 2 O 4 , and CoFe 2 O 4 as a main phase.
Here, the “main phase” means that the spinel phase contains 50 mol% or more of the phase composed of any one of the above oxides. This improves the bonding property of the bonding material with the spinel layer on the surface of the metal interconnector. In addition, good bondability can be maintained even when a severe heat cycle is repeatedly applied, for example, from room temperature to a temperature range of about 600 ° C. to 800 ° C.
ここに開示される接合構造の好ましい一態様において、上記接合部材において、上記ペロブスカイト相と上記酸化物相との質量比は、ペロブスカイト相:酸化物相として、90:10〜20:80である。このことにより、空気極と金属製インターコネクタとの良好な接合性とを実現できる接合構造が提供される。 In a preferable aspect of the bonding structure disclosed herein, in the bonding member, a mass ratio of the perovskite phase to the oxide phase is 90:10 to 20:80 as a perovskite phase: oxide phase. This provides a joint structure that can achieve good jointability between the air electrode and the metal interconnector.
ここに開示される接合構造の好ましい一態様において、上記金属基材は、フェライト系ステンレス鋼である。フェライト系ステンレス鋼は、固体電解質であるイットリア安定化ジルコニア(YSZ)に近い熱膨張係数(Coefficient of Thermal Expansion:CTE)を備えている。また、フェライト系ステンレス鋼は、比較的高い濃度でクロムを含むことから、酸素含有雰囲気下で鋼の表面に緻密で密着性の高い耐酸化性の不動態膜を形成する。このことにより、金属基材はSOFCの運転環境において、腐食することなく良好な導電性および耐酸化性を、長時間に亘って維持することができる。このことにより、SOFCの運転および停止に基づく温度変化に伴い、空気極や金属製インターコネクタとの接合部に内部応力が発生することが抑制される。これによって、長期に亘って安定した接合構造が実現されるために好ましい。 In a preferred embodiment of the joint structure disclosed herein, the metal substrate is ferritic stainless steel. Ferritic stainless steel has a coefficient of thermal expansion (CTE) close to yttria stabilized zirconia (YSZ), which is a solid electrolyte. Moreover, since ferritic stainless steel contains chromium at a relatively high concentration, it forms a dense and highly adherent oxidation-resistant passive film on the surface of the steel in an oxygen-containing atmosphere. As a result, the metal substrate can maintain good conductivity and oxidation resistance for a long time without corroding in the operating environment of SOFC. This suppresses the occurrence of internal stress at the joint with the air electrode and the metal interconnector due to a temperature change based on the operation and stop of the SOFC. This is preferable because a stable joint structure can be realized over a long period of time.
他の側面において、ここに開示される技術は、固体酸化物形燃料電池の空気極と金属製インターコネクタとを接合する接合部材を形成するための導電性接合材料を提供する。ここで、上記金属製インターコネクタは、少なくともFeとCrとを含む金属基材と、上記金属基材の上記接合部材に対向する側の表面に備えられ、一般式:M1 3O4(ただし、式中のM1は、遷移金属から選択される1以上の元素である。);で表される第1スピネル相を含むスピネル層と、を備えている。そして、導電性接合材料は、一般式:ABO3(ただし、式中のAは、La、SrおよびBaからなる群から選択される2以上の元素であり、Bは、少なくともCoを含む1以上の元素である。);で表されるペロブスカイト型結晶構造を有するペロブスカイト酸化物粉体と、Ni、Fe,CoおよびCuからなる群から選択される2以上の元素を含む合金粉体と、を含む。上記の構成によると、接合部材中にペロブスカイト酸化物相と、合金粉末由来の酸化物相と、が形成される。この合金粉末由来の酸化物相はスピネル相を主として含み、例えば単純金属に由来して形成される酸化物相やスピネル型酸化物由来の酸化物相と比較して、導電性に優れ、また、金属製インターコネクタに対する接合性が良好となり得るために好ましい。詳細な理由は明らかではないが、このような接合性の向上は、金属製インターコネクタの表面に形成されるスピネル層と、合金粉末に含まれる上記金属種とが固溶しやすいことによるものと考えられる。そして第1スピネル相を含むスピネル層によってCr被毒は抑制される。このことにより、例えば600℃以上800℃以下程度の低温においても、Cr被毒を抑制し得る金属製インターコネクタとの接合性が良好な接合部材を好適に形成することができる。 In another aspect, the technology disclosed herein provides a conductive joining material for forming a joining member that joins an air electrode of a solid oxide fuel cell and a metal interconnector. Here, the metal interconnector is provided on a surface of a metal base containing at least Fe and Cr, and on the surface of the metal base facing the joining member, and has a general formula: M 1 3 O 4 (however, M 1 in the formula is one or more elements selected from transition metals.); A spinel layer including a first spinel phase represented by: The conductive bonding material has a general formula: ABO 3 (wherein A is two or more elements selected from the group consisting of La, Sr and Ba, and B is one or more containing at least Co) A perovskite oxide powder having a perovskite type crystal structure represented by: and an alloy powder containing two or more elements selected from the group consisting of Ni, Fe, Co and Cu. Including. According to said structure, the perovskite oxide phase and the oxide phase derived from alloy powder are formed in a joining member. The oxide phase derived from this alloy powder mainly contains a spinel phase, and is superior in conductivity, for example, compared to an oxide phase derived from a simple metal or an oxide phase derived from a spinel oxide, This is preferable because the bondability to the metal interconnector can be good. Although the detailed reason is not clear, the improvement of the bondability is due to the fact that the spinel layer formed on the surface of the metal interconnector and the metal species contained in the alloy powder are easily dissolved. Conceivable. Cr poisoning is suppressed by the spinel layer including the first spinel phase. Thereby, for example, even at a low temperature of about 600 ° C. or higher and 800 ° C. or lower, it is possible to suitably form a bonding member having good bonding properties with a metal interconnector that can suppress Cr poisoning.
ここに開示される導電性接合材料の好ましい一態様において、上記合金粉体の平均粒子径は、上記ペロブスカイト酸化物粉体の平均粒子径よりも小さい。例えば、上記ペロブスカイト酸化物粉体の平均粒子径は0.1μm以上15μm以下であって、上記合金粉体の平均粒子径は0.1μm以上10μm以下であることが好ましい。これにより、合金粉体の割合を少なくした場合であっても、合金粉体による寄与を発揮できるために好適である。 In a preferred embodiment of the conductive bonding material disclosed herein, the average particle size of the alloy powder is smaller than the average particle size of the perovskite oxide powder. For example, the average particle size of the perovskite oxide powder is preferably 0.1 μm or more and 15 μm or less, and the average particle size of the alloy powder is preferably 0.1 μm or more and 10 μm or less. Thereby, even when the proportion of the alloy powder is reduced, it is preferable because the contribution by the alloy powder can be exhibited.
ここに開示される導電性接合材料の好ましい一態様では、焼結助剤として、金属成分含有粉体をさらに含む。また、上記焼結助剤として、Cu含有粉体を含み、上記ペロブスカイト酸化物粉体および上記合金粉体の少なくとも1つは、上記BサイトにCuを含むことが好ましい。このことにより、ペロブスカイト酸化物粉体および合金粉体がより低い温度から焼結を開始し、より低温で接合性の良好な接合部材を作製することができる点において好ましい。また、焼結助剤がCu含有粉体であることで、ペロブスカイト酸化物粉体および合金粉体の焼結性がより一層改善されて、密着性、接合性に優れた接合部材を作製することができるために好ましい。 In a preferred embodiment of the conductive bonding material disclosed herein, a metal component-containing powder is further included as a sintering aid. Moreover, it is preferable that Cu-containing powder is contained as the sintering aid, and at least one of the perovskite oxide powder and the alloy powder contains Cu at the B site. This is preferable in that the perovskite oxide powder and the alloy powder can start sintering from a lower temperature and can produce a bonded member having good bondability at a lower temperature. In addition, since the sintering aid is a Cu-containing powder, the sinterability of the perovskite oxide powder and the alloy powder is further improved, and a bonded member having excellent adhesion and bondability is produced. It is preferable because
ここに開示される導電性接合材料の好ましい一態様において、上記ペロブスカイト酸化物粉体および合金粉体を分散させる分散媒を含み、ペースト状(スラリー、ディスパーションなどの形態を含む。以下同じ。)に調製されている。このことにより、ペロブスカイト酸化物粉体および合金粉体の均一分散性を高めることができ、また、印刷や塗布などの供給手法を好適に採用できる導電性接合材料が提供されるために好ましい。 In a preferable embodiment of the conductive bonding material disclosed herein, the conductive bonding material includes a dispersion medium in which the perovskite oxide powder and the alloy powder are dispersed, and is in a paste form (including forms such as slurry and dispersion; the same applies hereinafter). Has been prepared. This is preferable because the uniform dispersibility of the perovskite oxide powder and the alloy powder can be improved, and a conductive bonding material that can suitably employ a supply method such as printing or coating is provided.
ここに開示される導電性接合材料の好ましい一態様において、ペースト状に調製された導電性接合材料であって、150℃で乾燥後に850℃で焼成したときの焼成収縮率が3%以下である。このことにより、焼成時の収縮を抑制して、金属製インターコネクタとの密着よく接合部材を作製することができる。 In a preferred embodiment of the conductive bonding material disclosed herein, the conductive bonding material prepared in a paste form, having a firing shrinkage rate of 3% or less when dried at 150 ° C. and then fired at 850 ° C. . Thereby, the shrinkage | contraction at the time of baking can be suppressed and a joining member can be produced with sufficient adhesiveness with metal interconnectors.
以上の通り、ここに開示される技術によると、SOFCの空気極と金属製インターコネクタとを密着性および接合性よく接合することができる導電性接合材料が提供される。したがって、ここに開示される技術は、燃料極と固体電解質と空気極とを備えるSOFCと、金属製インターコネクタと、上記空気極と上記金属製インターコネクタとを接合する接合部材と、を備えるSOFCスタックをも提供する。ここで上記接合部材は、上記のいずれかに記載の導電性接合材料の焼成物により構成されている。この導電性接合材料は、例えば900℃以下の低温で焼成することによって、上記接合部材を好適に形成することができる。したがって、SOFCのスタックに際し、SOFCを例えば1000℃以上の高温に晒す必要が無いため、SOFCの単セルにおける各種成分のマイグレーションや劣化が抑制されたものとして提供される。 As described above, according to the technology disclosed herein, a conductive bonding material capable of bonding an SOFC air electrode and a metal interconnector with good adhesion and bondability is provided. Therefore, the technology disclosed herein includes an SOFC including a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode, a metal interconnector, and a joining member that joins the air electrode and the metal interconnector. A stack is also provided. Here, the joining member is composed of a fired product of the conductive joining material described above. The conductive bonding material can form the bonding member suitably by firing at a low temperature of 900 ° C. or lower, for example. Therefore, since it is not necessary to expose the SOFC to a high temperature of, for example, 1000 ° C. or higher when stacking the SOFC, it is provided that migration and deterioration of various components in the SOFC single cell are suppressed.
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項(例えば、導電性接合材料および接合部材)以外の事柄であって、本発明の実施に必要な事柄(例えば、本発明を特徴付けないSOFCの単セルの構成や、SOFCの製造および運転プロセス等)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、本明細書において数値範囲を示す「X〜Y」との表記は、特にことわりのない限り、「X以上Y以下」を意味する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. It should be noted that matters other than matters specifically mentioned in the present specification (for example, conductive bonding materials and bonding members) and matters necessary for the implementation of the present invention (for example, a single SOFC that does not characterize the present invention). The cell configuration, SOFC manufacturing and operation processes, etc.) can be grasped as design matters of those skilled in the art based on the prior art in the field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field. Further, in the present specification, the notation “X to Y” indicating a numerical range means “X or more and Y or less” unless otherwise specified.
[SOFCスタック]
図1は、一実施形態に係るSOFCスタック1を模式的に示す分解斜視図である。ここに開示される技術により提供されるSOFCスタック1は、複数のSOFCの単セル10A、10Bと、複数の金属製のインターコネクタ50、50Aとを備えている。SOFCスタック1は、SOFCの単セル10A、10Bが、金属製インターコネクタ50、50Aを介して積み重ねられたスタック構造を有する。SOFCスタック1は、公知の製造方法に準じて製造することができる。
[SOFC stack]
FIG. 1 is an exploded perspective view schematically showing a SOFC stack 1 according to an embodiment. The SOFC stack 1 provided by the technology disclosed herein includes a plurality of SOFC single cells 10A and 10B and a plurality of metal interconnectors 50 and 50A. The SOFC stack 1 has a stack structure in which SOFC single cells 10A and 10B are stacked via metal interconnectors 50 and 50A. The SOFC stack 1 can be manufactured according to a known manufacturing method.
単セル10A、10Bの構成は従来と同様であってよく、特に限定されない。本実施形態では、単セル10A、10Bは、それぞれ、固体電解質層30を基本とし、この固体電
解質層30の一方の面に空気極(カソード)20を、他方の面に燃料極(アノード)40を一体的に備えている。
The configuration of the single cells 10A and 10B may be the same as the conventional one, and is not particularly limited. In the present embodiment, each of the unit cells 10A and 10B is based on the solid electrolyte layer 30, and the air electrode (cathode) 20 is provided on one surface of the solid electrolyte layer 30, and the fuel electrode (anode) 40 is provided on the other surface. Is integrated.
固体電解質層30は、空気極20と燃料極40との間に位置する。固体電解質層30は、酸素イオン(O2−)を選択的に透過する役割を有する。また、固体電解質層30は、空気極20を流れるガスと、燃料極40を流れるガスとを分離する役割を併せ持つ。この固体電解質層30は、酸素イオン伝導材料によって構成される緻密な薄層により構成される。酸素イオン伝導材料は、例えば、イットリア等の安定化剤で安定化されたジルコニア(例えば、YSZ:Yttria stabilized zirconia)や、ガドリニア等のドープ剤がドープされたセリア(例えば、GDC:Gadolinia doped ceria)等である。 The solid electrolyte layer 30 is located between the air electrode 20 and the fuel electrode 40. The solid electrolyte layer 30 has a role of selectively transmitting oxygen ions (O 2− ). The solid electrolyte layer 30 also has a role of separating the gas flowing through the air electrode 20 and the gas flowing through the fuel electrode 40. The solid electrolyte layer 30 is formed of a dense thin layer made of an oxygen ion conductive material. Examples of the oxygen ion conductive material include zirconia stabilized with a stabilizer such as yttria (for example, YSZ: Yttria stabilized zirconia) and ceria doped with a dopant such as gadolinia (for example, GDC: Gadolinia doped ceria). Etc.
空気極20は、固体電解質層30の一方の表面に、酸素イオンを相対的に高濃度に供給する役割を有する。空気極20には、酸素イオンの原料たる酸素を含む、酸素含有ガス(典型的には空気等)が供給される。空気極20は、酸素から酸素イオンを生成する。空気極20は、酸素イオンを効率よく生成するために、酸素イオン電子複合伝導材料から構成される多孔質体である。酸素イオン電子複合伝導材料は、固体電解質との反応性が低いとの観点から、例えば、ランタンコバルタイト(LaCoO3)系やランタンマンガナイト(LaMnO3)を主体とするペロブスカイト型酸化物である。 The air electrode 20 has a role of supplying oxygen ions at a relatively high concentration to one surface of the solid electrolyte layer 30. The air electrode 20 is supplied with an oxygen-containing gas (typically air or the like) containing oxygen as a raw material for oxygen ions. The air electrode 20 generates oxygen ions from oxygen. The air electrode 20 is a porous body made of an oxygen ion / electron composite conductive material in order to efficiently generate oxygen ions. The oxygen ion electron composite conductive material is a perovskite oxide mainly composed of lanthanum cobaltite (LaCoO 3 ) or lanthanum manganite (LaMnO 3 ) from the viewpoint of low reactivity with the solid electrolyte.
燃料極40は、固体電解質層30の他方の表面の酸素イオンの濃度を相対的に低くする役割を有する。燃料極40には、酸素イオンと反応して酸素イオンを消費することができる燃料ガスが供給される。燃料ガスは、典型的には、水素(H2)または炭化水素(例えばメタン;CH4)、アンモニア(NH3)等である。燃料極40は、酸素イオンと燃料ガスとの反応を促進する役割を有する。また、燃料極40は、酸素イオンの消費により放出される電子を受け取り、外部負荷へと伝導する役割を有する。燃料極40は、例えば、触媒作用を有する触媒材料から構成される多孔質体である。触媒材料は、例えば、ニッケル系の金属材料(例えばNiやNiO)や、ニッケル系の金属材料と固体電解質材料(例えば、イットリア安定化ジルコニア)とのサーメットである。 The fuel electrode 40 has a role of relatively reducing the concentration of oxygen ions on the other surface of the solid electrolyte layer 30. A fuel gas that can react with oxygen ions and consume oxygen ions is supplied to the fuel electrode 40. The fuel gas is typically hydrogen (H 2 ) or hydrocarbon (eg, methane; CH 4 ), ammonia (NH 3 ), and the like. The fuel electrode 40 has a role of promoting the reaction between oxygen ions and fuel gas. Further, the fuel electrode 40 has a role of receiving electrons emitted by consumption of oxygen ions and conducting them to an external load. The fuel electrode 40 is a porous body made of, for example, a catalyst material having a catalytic action. The catalyst material is, for example, a nickel-based metal material (for example, Ni or NiO) or a cermet of a nickel-based metal material and a solid electrolyte material (for example, yttria-stabilized zirconia).
金属製インターコネクタ50、50Aは、複数の単セル10A、10Bを相互に電気的に接続し、単セル10A、10Bで生成された電子を外部に取り出すための要素である。図1の中央に位置する金属製インターコネクタ50Aは、2つの単セル10A、10Bの間に介在して、単セル10A、10Bを直列に接続している。ただし、単セル10A、10Bは、並列に接続してもよい。金属製インターコネクタ50、50Aの表面には、図示しないスピネル層が備えられている。これによって、金属製インターコネクタ50、50AからのCrの拡散を抑制することができる。 The metal interconnectors 50 and 50A are elements for electrically connecting the plurality of single cells 10A and 10B to each other and taking out the electrons generated in the single cells 10A and 10B to the outside. A metal interconnector 50A located in the center of FIG. 1 is interposed between two single cells 10A and 10B and connects the single cells 10A and 10B in series. However, the single cells 10A and 10B may be connected in parallel. A spinel layer (not shown) is provided on the surfaces of the metal interconnectors 50 and 50A. Thereby, the diffusion of Cr from the metal interconnectors 50 and 50A can be suppressed.
金属製インターコネクタ50Aは、セル対向面52が空気極20に対向するように、単セル10Aとスタックされる。金属製インターコネクタ50Aは、セル対向面54が燃料極40に対向するように、単セル10Bとスタックされる。金属製インターコネクタ50、50Aの空気極20に対向する側のセル対向面52には、例えば複数の溝部が形成されており、酸素含有ガスが流れるための酸素含有ガス流路53を構成している。酸素含有ガス流路53は、図示しない酸素含有ガスの供給源に接続されている。また、金属製インターコネクタ50、50Aの燃料極40に対向する側のセル対向面54には、例えば複数の溝部が形成されており、燃料ガスが流れるための燃料ガス流路55を構成している。燃料ガス流路55は、図示しない燃料ガスの供給源に接続されている。金属製インターコネクタ50、50Aと単セル10Aとの間は、接合部材60によって気密に接合される。金属製インターコネクタ50、接合部材60および単セル10A、10Bが一体的に接合されることで、ここに開示される接合構造が構成される。
図1においては、空気極20の金属製インターコネクタ50に面する側の表面の全面に接合部材60を設けている。これにより、作業工程を簡略化して接合部材60を備えることができる。しかしながら、接合部材60は、セル対向面52と空気極20との間にのみ設けることもできる。また、接合部材60は、金属製インターコネクタ50、50Aの表面の一部または全部に設けることもできる。さらに、接合部材60は、セル対向面54と燃料極40との間に設けることもできる。
The metal interconnector 50A is stacked with the single cell 10A so that the cell facing surface 52 faces the air electrode 20. The metal interconnector 50A is stacked with the single cell 10B so that the cell facing surface 54 faces the fuel electrode 40. The cell facing surface 52 on the side facing the air electrode 20 of the metal interconnector 50, 50A is formed with, for example, a plurality of grooves, and constitutes an oxygen-containing gas flow path 53 for flowing an oxygen-containing gas. Yes. The oxygen-containing gas channel 53 is connected to an oxygen-containing gas supply source (not shown). Further, for example, a plurality of groove portions are formed on the cell facing surface 54 of the metal interconnectors 50, 50A facing the fuel electrode 40, and a fuel gas flow path 55 for flowing the fuel gas is formed. Yes. The fuel gas channel 55 is connected to a fuel gas supply source (not shown). The metal interconnectors 50 and 50A and the single cell 10A are hermetically joined by the joining member 60. The metal interconnector 50, the joining member 60, and the single cells 10A and 10B are joined together to form the joining structure disclosed herein.
In FIG. 1, the joining member 60 is provided on the entire surface of the air electrode 20 on the side facing the metal interconnector 50. Thereby, a work process can be simplified and the joining member 60 can be provided. However, the joining member 60 can also be provided only between the cell facing surface 52 and the air electrode 20. Moreover, the joining member 60 can also be provided in part or all of the surface of the metal interconnectors 50 and 50A. Further, the joining member 60 can be provided between the cell facing surface 54 and the fuel electrode 40.
SOFCの発電時には、SOFCスタック1は、600℃以上、例えば600〜900℃程度の高温域にまで昇温される。また、このような作動温度において、酸素含有ガス流路53には、酸素含有ガス、例えば空気(Air)が供給される。燃料ガス流路55には、燃料ガス、例えば水素(H2)が供給される。固体電解質層30の一方の表面と他方の表面とに酸素分圧の異なるガスが供給されることにより、酸素濃度差が生じる。このことが起電力となって、空気極20では酸素が分解されて、酸素イオンが形成される。酸素イオンは空気極20から燃料極40に向けて、固体電解質層30の内部を移動する。燃料極40では、酸素イオンと燃料ガスとが反応して水(H2O)が生成されるとともに、電子が放出される。これにより、SOFCによる電気エネルギーの生成が実現される。 At the time of SOFC power generation, the temperature of the SOFC stack 1 is raised to a high temperature range of 600 ° C. or higher, for example, about 600 to 900 ° C. Further, at such an operating temperature, the oxygen-containing gas channel 53 is supplied with an oxygen-containing gas, for example, air (Air). A fuel gas, for example, hydrogen (H 2 ) is supplied to the fuel gas channel 55. When gases having different oxygen partial pressures are supplied to one surface and the other surface of the solid electrolyte layer 30, a difference in oxygen concentration occurs. This becomes an electromotive force, and oxygen is decomposed at the air electrode 20 to form oxygen ions. The oxygen ions move inside the solid electrolyte layer 30 from the air electrode 20 toward the fuel electrode 40. In the fuel electrode 40, oxygen ions and the fuel gas react to generate water (H 2 O), and electrons are emitted. Thereby, the production | generation of the electrical energy by SOFC is implement | achieved.
なお、この実施形態では、単セル10A、10Bがそれぞれ3層構造である。しかしながら、単セル10A、10Bの構造はこれに限定されない。単セル10A、10Bは、上記以外の層を有していてもよい。例えば、固体電解質層30と空気極20との間に両者の界面を安定化させるための反応抑止層(図示せず)を備えていてもよい。反応抑止層は、例えばYSZやGDCからなる多孔質体により構成することができる。 In this embodiment, each of the single cells 10A and 10B has a three-layer structure. However, the structure of the single cells 10A and 10B is not limited to this. The single cells 10A and 10B may have layers other than those described above. For example, a reaction suppression layer (not shown) for stabilizing the interface between the solid electrolyte layer 30 and the air electrode 20 may be provided. The reaction inhibition layer can be composed of a porous body made of, for example, YSZ or GDC.
また、単セル10A、10Bは、固体電解質層30や空気極20に比べて燃料極40を厚めに形成することができる。このような単セル10A、10Bは、燃料極40が支持体としての機能を併せ持つ、燃料極支持型(Anode-Supported Cell:ASC)のセルである。一方で、単セル10A、10Bは、例えば、固体電解質層30を厚くした、電解質支持型(Electrolyte-Supported Cell:ESC)のセルであってもよいし、空気極20を厚くした空気極支持型(Cathode-Supported Cell:CSC)のセルであってもよい。また、燃料極40の外側(固体電解質層30とは反対側)に多孔質の金属シートを備えたメタルサポートセル(Metal-Supported Cell:MSC)であってもよい。さらに、単セル10A、10Bの形態も特に限定されない。具体的には示さないが、単セル10A、10Bは、例えば、平板型(Planar)、MOLB型、縦縞円筒型(Tubular)、あるいは円筒の周側面を垂直に押し潰した扁平円筒型(Flat tubular)、一体積層型等の種々の構造であってよい。 Further, the unit cells 10 </ b> A and 10 </ b> B can form the fuel electrode 40 thicker than the solid electrolyte layer 30 and the air electrode 20. Such single cells 10A and 10B are anode-supported cells (ASC) cells in which the anode 40 also has a function as a support. On the other hand, the single cells 10A and 10B may be, for example, an electrolyte-supported cell (ESC) cell in which the solid electrolyte layer 30 is thickened, or an air electrode supported type in which the air electrode 20 is thickened. (Cathode-Supported Cell: CSC) cell may be used. Further, it may be a metal-supported cell (MSC) provided with a porous metal sheet outside the fuel electrode 40 (on the side opposite to the solid electrolyte layer 30). Furthermore, the form of the single cells 10A and 10B is not particularly limited. Although not specifically shown, the single cells 10A and 10B are, for example, a flat plate type, a MOLB type, a vertical stripe cylindrical type (Tubular), or a flat cylindrical type (Flat tubular) in which the peripheral side surface of the cylinder is vertically crushed. ), And various structures such as a monolithic laminated type.
[金属製インターコネクタ]
ここで、具体的には図示しないが、SOFCスタック1に用いられる金属製インターコネクタ50、50Aは、金属基材と、スピネル層と、を備えている。
[Metal interconnector]
Here, although not specifically illustrated, the metal interconnectors 50 and 50A used in the SOFC stack 1 include a metal base material and a spinel layer.
金属基材は、金属製インターコネクタの主体となる要素であって、SOFCの運転温度域における電子導電性、耐熱性、および、単セル10A、10B(特に、固体電解質層30)に近いCTEが求められる。かかる観点から、金属製インターコネクタ50、50Aは、少なくとも鉄(Fe)とクロム(Cr)とを含む鉄−クロム系合金(Fe−Cr合金)により好ましく構成することができる。Fe−Cr合金としては、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、オーステナイト・フェライト系ステンレス鋼が挙げられ、これらのいずれであってもよい。中でも、酸素雰囲気下で良好な耐熱性、耐酸化性を示す不動態膜を好適に形成するとの観点から、金属基材はCrを約11〜32%含有するFe−Cr合金であることが好ましい。より好ましくは、フェライト系ステンレス鋼によって構成することができる。フェライト系ステンレス鋼の具体的な組成については厳密には制限されないが、例えば、SOFCの運転温度域でフェライト相を維持することができるとの観点から、SUS403等に代表される、Crを約16%以上含有するFe−Cr合金が好ましい。かかるFe−Cr合金は、高温での耐食性を高めるために、炭素(C)や窒素(N)を300ppm以下(好ましくは150ppm以下)程度にまで低減したものであることがより好ましい。また、結晶粒の微細化や耐食性向上のために、モリブデン(Mo)、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)等の元素を含むことも好ましい。このようなフェライト系ステンレス鋼は、マルテンサイト系ステンレス鋼およびオーステナイト系ステンレス鋼に比べて、相対的に電気抵抗が低く、熱膨張性が小さい。フェライト系ステンレス鋼のCTEは、例えば概ね7〜12×10−6/Kである。かかるフェライト系ステンレス鋼はこの合金材料は、良好な熱伝導度と機械的強度をもつため、セル内の温度勾配を緩和する働きも期待できる。 The metal base material is a main component of the metal interconnector, and has an electronic conductivity, heat resistance, and CTE close to the single cells 10A and 10B (particularly, the solid electrolyte layer 30) in the operating temperature range of the SOFC. Desired. From this point of view, the metal interconnectors 50 and 50A can be preferably made of an iron-chromium alloy (Fe—Cr alloy) containing at least iron (Fe) and chromium (Cr). Examples of the Fe—Cr alloy include ferritic stainless steel, austenitic stainless steel, and austenitic / ferritic stainless steel, and any of these may be used. Among these, from the viewpoint of suitably forming a passive film showing good heat resistance and oxidation resistance in an oxygen atmosphere, the metal substrate is preferably an Fe—Cr alloy containing about 11 to 32% of Cr. . More preferably, it can be made of ferritic stainless steel. Although the specific composition of the ferritic stainless steel is not strictly limited, for example, from the viewpoint that the ferrite phase can be maintained in the operating temperature range of SOFC, about 16 Cr represented by SUS403 or the like is used. Fe-Cr alloys containing at least% are preferred. The Fe—Cr alloy is more preferably one in which carbon (C) and nitrogen (N) are reduced to about 300 ppm or less (preferably 150 ppm or less) in order to improve corrosion resistance at high temperatures. It is also preferable to contain elements such as molybdenum (Mo), titanium (Ti), niobium (Nb), etc., in order to refine crystal grains and improve corrosion resistance. Such ferritic stainless steel has a relatively low electrical resistance and a low thermal expansibility compared to martensitic stainless steel and austenitic stainless steel. The CTE of ferritic stainless steel is, for example, approximately 7 to 12 × 10 −6 / K. Such ferritic stainless steel can be expected to relax the temperature gradient in the cell because this alloy material has good thermal conductivity and mechanical strength.
スピネル層は、上記金属基材の表面のうち、少なくとも接合部材60に対向する面に設けられている。スピネル層は、一般式:M1 3O4;で表されるスピネル型結晶構造を有する第1スピネル相を含む。ここで、上記一般式において、M1は、遷移金属から選択される1以上の元素を含む。このような結晶構造を備えるスピネル層は半導体的導電性を備え、SOFCの運転温度域において良好な電気伝導性を備えることができる。ここで、遷移金属としては、元素周期律表で第3族から第11族の間に存在する元素(遷移元素)を考慮することができる。遷移金属は特に制限されないが、例えば、クロム(Cr),マンガン(Mn),鉄(Fe),コバルト(Co),ニッケル(Ni),銅(Cu),チタン(Ti),バナジウム(V),イットリウム(Y),タングステン(W)等が好適例として挙げられる。ここに開示されるスピネル層の好ましい一態様では、M1は、上記遷移金属に加えて、さらに亜鉛(Zn)を含むことができる。これらはいずれか1種を単独で含んでもよいし、2種以上を組み合わせて含んでもよい。 The spinel layer is provided on at least the surface of the metal substrate facing the bonding member 60. The spinel layer includes a first spinel phase having a spinel crystal structure represented by a general formula: M 1 3 O 4 ; Here, in the above general formula, M 1 includes one or more elements selected from transition metals. A spinel layer having such a crystal structure has semiconducting conductivity, and can have good electrical conductivity in the operating temperature range of SOFC. Here, as the transition metal, an element (transition element) existing between the third group and the eleventh group in the periodic table can be considered. The transition metal is not particularly limited. For example, chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), titanium (Ti), vanadium (V), Preferred examples include yttrium (Y), tungsten (W), and the like. In a preferred embodiment of the spinel layer disclosed herein, M 1 can further contain zinc (Zn) in addition to the transition metal. Any of these may be used alone or in combination of two or more.
スピネル型結晶構造を有する酸化物は、より詳細には、ASBS 2O4の組成式で示される酸化物であり、結晶中に、ASサイトとBSサイトの二つの陽イオンサイトを持つ。そして上記の遷移金属等が、スピネル型結晶構造におけるASサイトとBSサイトとを占める。ここでASサイトを占める元素としては、Fe、Mn、Co、Cu、NiおよびZnのいずれか1種以上が好ましい。またBSサイトを占める元素としては、Cr、Co、MnおよびFeのいずれか1種以上が好ましい。Mn、C、FeはASサイトとBSサイトのいずれに配置されてもよい。ASサイトとBSサイトを占める遷移金属の組み合わせとしては、例えば、マンガンスピネル(Mn3O4等)、コバルト−マンガン系スピネル(MnCo2O4、CoMn2O4等)、コバルト−鉄系スピネル(CoFe2O4等、ニッケル−鉄系スピネル(NiFe2O4等、ニッケル−コバルト系スピネル(NiCo2O4等、鉄−マンガン系スピネル(FeMn2O4等)、銅−マンガン系スピネル(CuMn2O4等)、鉄−亜鉛−マンガン系スピネル((Fe,Zn)Mn2O4等)が好適な例として挙げられる。スピネル層は、より好ましくは、ニッケルコバルタイトスピネル、ニッケル鉄系スピネル、コバルト鉄系スピネルであることが好ましい。 More specifically, the oxide having a spinel type crystal structure is an oxide represented by a composition formula of A S B S 2 O 4 , and includes two cation sites of the A S site and the B S site in the crystal. have. The transition metal or the like occupies the AS site and the BS site in the spinel crystal structure. Examples of the elements occupying the A S site, Fe, Mn, Co, Cu , or any one of Ni and Zn are preferred. As the element which occupies a B S site, Cr, Co, or any one of Mn and Fe are preferred. Mn, C, Fe may be disposed at any A S sites and B S sites. Examples of the combination of a transition metal occupying the A S sites and B S site, for example, manganese spinel (Mn 3 O 4, etc.), cobalt - manganese spinel (MnCo 2 O 4, CoMn 2 O 4 , etc.), cobalt - iron Spinel (CoFe 2 O 4 etc., nickel-iron spinel (NiFe 2 O 4 etc.), nickel-cobalt spinel (NiCo 2 O 4 etc., iron-manganese spinel (FeMn 2 O 4 etc.), copper-manganese spinel (CuMn 2 O 4 etc.), iron-zinc-manganese spinel ((Fe, Zn) Mn 2 O 4 etc.) are preferable examples.The spinel layer is more preferably nickel cobaltite spinel, nickel iron. A spinel and a cobalt iron spinel are preferred.
なお、金属基材の表面に備えられるスピネル層は、金属基材の表面に上記第1スピネル相を含むスピネルコーティングを施してなる金属製インターコネクタを用意することで実現してもよい。あるいは、金属基材の表面に、熱処理(典型的には、酸化雰囲気中での加熱)によって上記第1スピネル相を形成し得るスピネル前駆コーティングを施してなる金属製インターコネクタを利用して実現してもよい。このようなスピネル前駆コーティングを備える金属製インターコネクタと用いると、この金属製インターコネクタとSOFCとを後述の接合材料で接合するとき、あるいは、SOFCの運転時に、スピネル前駆コーティングが熱処理されてスピネル層となる。これにより、金属製インターコネクタは、金属基材の表面にスピネル層を備えたものとなり得る。 Note that the spinel layer provided on the surface of the metal substrate may be realized by preparing a metal interconnector obtained by applying the spinel coating containing the first spinel phase to the surface of the metal substrate. Alternatively, it is realized by using a metal interconnector obtained by applying a spinel precursor coating capable of forming the first spinel phase by heat treatment (typically heating in an oxidizing atmosphere) on the surface of the metal substrate. May be. When the metal interconnector having such a spinel precursor coating is used, the spinel precursor coating is heat-treated when the metal interconnector and the SOFC are joined with a joining material described later, or during the operation of the SOFC, so that the spinel layer is heat-treated. It becomes. Thereby, the metal interconnector can have a spinel layer on the surface of the metal substrate.
スピネル層の厚みは特に制限されないが、例えば、約10μm以下であることが適当であり、例えば、約7μm以下程度であってよく、約5μm以下が好ましい。スピネル層の厚みは、例えば約0.5μm以上が適切であり、約1μm以上程度が好ましい。 The thickness of the spinel layer is not particularly limited, but for example, it is suitably about 10 μm or less, for example, about 7 μm or less, and preferably about 5 μm or less. For example, the thickness of the spinel layer is suitably about 0.5 μm or more, and preferably about 1 μm or more.
なお、金属基材の表面には、酸素含有雰囲気においてCr2O3等の不動態膜の形成が避けられない。そしてこの表面のCr2O3皮膜が空気極のCr被毒の原因であるとも言われている。ここに開示される金属製インターコネクタ50、50Aは、少なくも空気極と接続される側の表面に、上記スピネル層を備えている。このことにより、スピネル層において金属基材(例えば不動態膜)から移動してくるCrを補足し、Crの拡散を抑制することができる。なお、かかる観点から、スピネル層中、あるいはスピネル層と金属基材との界面等に、金属基材由来のクロム含有化合物が存在することは許容される。 In addition, formation of a passive film such as Cr 2 O 3 is unavoidable on the surface of the metal substrate in an oxygen-containing atmosphere. It is also said that the Cr 2 O 3 coating on the surface is responsible for Cr poisoning of the air electrode. The metal interconnectors 50 and 50A disclosed herein are provided with the spinel layer on at least the surface connected to the air electrode. Thereby, in the spinel layer, Cr moving from a metal substrate (for example, a passive film) can be supplemented, and diffusion of Cr can be suppressed. From this point of view, it is allowed that a chromium-containing compound derived from a metal substrate exists in the spinel layer or at the interface between the spinel layer and the metal substrate.
[接合部材]
ここに開示される接合部材60は、SOFCの空気極20と金属製インターコネクタ50、50Aとを機械的に接続する要素である。そしてまた、接合部材60は、SOFCの運転環境において空気極20と金属製インターコネクタ50、50Aとを電気的にも接続する役割を担う。この接合部材60は、一般式:ABO3;で表されるペロブスカイト相と、一般式:M2 3O4;で表される酸化物相と、を含む。なお、上記一般式中のAは、La、SrおよびBaからなる群から選択される1以上の元素であり、Bは、少なくとも遷移金属元素を含む1以上の元素である。また、M2は、遷移金属から選択される1以上の元素である。
[Joint material]
The joining member 60 disclosed here is an element that mechanically connects the SOFC air electrode 20 and the metal interconnectors 50 and 50A. Further, the joining member 60 plays a role of electrically connecting the air electrode 20 and the metal interconnectors 50 and 50A in the operating environment of the SOFC. The bonding member 60 includes a perovskite phase represented by a general formula: ABO 3 ; and an oxide phase represented by a general formula: M 2 3 O 4 ; In the above general formula, A is one or more elements selected from the group consisting of La, Sr and Ba, and B is one or more elements including at least a transition metal element. M 2 is one or more elements selected from transition metals.
ペロブスカイト相について、上記一般式中、Aは、ペロブスカイト型結晶構造におけるAサイトを占める元素であって、ランタン(La)、ストロンチウム(Sr)およびバリウム(Ba)のいずれか1種以上を含むことができる。これらの元素の他にも、Aサイトには、原子番号57のランタン(Ln)から原子番号71のルテチウム(Lu)までのランタノイド元素(Ln)のいずれかを含むことができる。ランタノイド元素としては、中でも、例えばセリウム(Ce),プラセオジム(Pr),ネオジム(Nd),プロメチウム(Pm),サマリウム(Sm),ユウロピウム(Eu),ガドリニウム(Gd)等の比較的イオン半径の大きな元素であることが好ましい。Aサイトには、いずれか2種の元素が含まれてもよいし、3種以上の元素が組み合わせて含まれてもよい。 Regarding the perovskite phase, in the above general formula, A is an element occupying the A site in the perovskite crystal structure, and includes one or more of lanthanum (La), strontium (Sr), and barium (Ba). it can. In addition to these elements, the A site can contain any of lanthanoid elements (Ln) from lanthanum (Ln) having an atomic number of 57 to lutetium (Lu) having an atomic number of 71. Among the lanthanoid elements, for example, cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), promethium (Pm), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), etc. have a relatively large ionic radius. An element is preferable. Any two kinds of elements may be contained in the A site, or three or more kinds of elements may be contained in combination.
ペロブスカイト相について、上記一般式中、Bは、少なくともコバルト(Co)を含む。詳細な理由は明らかではないが、発明者らの検討によると、ペロブスカイト相はBサイトに少量であってもCoを含まないと、接触抵抗が高くなる傾向がある。また、BサイトにはCoを含むことで、比較的低温で高い酸素還元能力を発現することができる。そのため、ここに開示される技術においてペロブスカイト相は、Coを必須の元素として含有するようにしている。なお、ペロブスカイト相はBサイトにCo以外の遷移金属元素を含むことができる。この遷移金属元素については、スピネル層におけるBsサイトに含むことができる元素と同様であるために繰り返しの説明は省略する。ペロブスカイト相は、Bサイトに少なくともCoを含む限り、その割合やその他の元素の含有については特に制限されない。ペロブスカイト相に含まれるCo以外の遷移金属元素としては、特に制限されるものではないが、第1遷移元素(3d遷移元素)であることが好ましく、中でも、チタン(Ti)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)および銅(Cu)からなる群から選択される1種または2種以上が含まれることが好ましい。特に、CoとMnとを組み合わせて含むことで、優れた酸素還元能力を有する酸化物相となり得るために好ましい。この場合も、本願の効果を損ねない範囲において、CoとMnに加えて、第三の元素がBサイトに含まれてもよい。 Regarding the perovskite phase, in the above general formula, B contains at least cobalt (Co). Although the detailed reason is not clear, according to the study by the inventors, the perovskite phase tends to have high contact resistance if it does not contain Co even if it is a small amount in the B site. Further, when Co is contained in the B site, a high oxygen reduction ability can be expressed at a relatively low temperature. Therefore, in the technology disclosed herein, the perovskite phase contains Co as an essential element. The perovskite phase can contain a transition metal element other than Co at the B site. Since this transition metal element is the same as the element that can be included in the B s site in the spinel layer, repeated description is omitted. In the perovskite phase, as long as at least Co is contained in the B site, the ratio and the content of other elements are not particularly limited. The transition metal element other than Co contained in the perovskite phase is not particularly limited, but is preferably the first transition element (3d transition element), among which titanium (Ti), manganese (Mn), It is preferable that 1 type (s) or 2 or more types selected from the group which consists of iron (Fe), nickel (Ni), and copper (Cu) are contained. In particular, a combination of Co and Mn is preferable because an oxide phase having excellent oxygen reduction ability can be obtained. In this case as well, a third element may be included in the B site in addition to Co and Mn as long as the effects of the present application are not impaired.
ペロブスカイト相は、AサイトにLaとSrとを同時に含むことが好ましい。より具体的には、ペロブスカイト相は、ランタン・ストロンチウム・コバルタイトを主相として含むことが好ましい。これにより、SOFCの運転温度を低くした場合であっても好適な電気電子混合導電性を示し得るために好ましい。さらに、例えば、空気極との接合性をより高めるとの観点からは、接合対象である空気極に含まれるペロブスカイト型酸化物と同一か、あるいは共通の元素を含むペロブスカイト型酸化物を主相とすることが好ましい。また、Bサイトは、Coの他に、Feを含むことも好ましい。Feを含むことでペロブスカイト相の焼結開始温度は低下され、この接合部材60を比較的低温で作製することが可能となる。換言すると、単セル10A,10Bと金属製インターコネクタ50、50Aとを、比較的低温で接合することが可能であることを意味する。さらに、Bサイトは、Coの他に、Cuを含むことも好ましい。Cuを含むことで接合部材60は金属製インターコネクタ50、50Aとの密着性および接合性が長期の運転条件下においても良好に維持され、SOFCスタック1の耐久性が好適に高められる。 The perovskite phase preferably contains La and Sr simultaneously at the A site. More specifically, the perovskite phase preferably contains lanthanum, strontium, and cobaltite as the main phase. Thereby, even when the operating temperature of the SOFC is lowered, it is preferable because it can exhibit suitable electrical and electronic mixed conductivity. Furthermore, for example, from the viewpoint of further improving the bondability with the air electrode, the main phase is a perovskite oxide that is the same as the perovskite oxide included in the air electrode to be bonded or a common element. It is preferable to do. The B site preferably contains Fe in addition to Co. By including Fe, the sintering start temperature of the perovskite phase is lowered, and this joining member 60 can be manufactured at a relatively low temperature. In other words, it means that the single cells 10A and 10B and the metal interconnectors 50 and 50A can be joined at a relatively low temperature. Further, the B site preferably contains Cu in addition to Co. By including Cu, the bonding member 60 maintains good adhesion and bonding properties with the metal interconnectors 50 and 50A even under long-term operating conditions, and the durability of the SOFC stack 1 is preferably enhanced.
酸化物相は、一般式:M2 3O4;で表される酸化物を含む。ここで、上記一般式において、M2は、Ni、Fe,CoおよびCuからなる群から選択される2以上の元素を含む。換言すると、酸化物相は、Ni、Fe,CoおよびCuからなる群から選択される2以上の元素を含む複酸化物相である。そしてこの酸化物相は、例えば、金属製インターコネクタのスピネル層に含まれる第1スピネル相と同一か、あるいは共通の元素を少なくとも1つ含むことができる。このことにより、接合部材は金属製インターコネクタとの機械的接合性を高めることができる。さらに、この酸化物相は、好ましくはスピネル型結晶構造を有するものであってよい。換言すると、酸化物相は、第2スピネル相を含む形態であり得る。第2スピネル相は、上記の第1スピネル相と同一の組成であってもよいし、異なる組成であってもよい。このことにより、接合部材は金属製インターコネクタとの電気的接合性を高めることができる。 The oxide phase contains an oxide represented by the general formula: M 2 3 O 4 ; Here, in the above general formula, M 2 includes two or more elements selected from the group consisting of Ni, Fe, Co, and Cu. In other words, the oxide phase is a double oxide phase containing two or more elements selected from the group consisting of Ni, Fe, Co, and Cu. For example, the oxide phase can include at least one element that is the same as or common to the first spinel phase included in the spinel layer of the metal interconnector. Thereby, the joining member can improve mechanical joining property with a metal interconnector. Furthermore, this oxide phase may preferably have a spinel crystal structure. In other words, the oxide phase may be in a form including a second spinel phase. The second spinel phase may have the same composition as the first spinel phase or a different composition. Thereby, the joining member can improve the electrical joining property with a metal interconnector.
酸化物相としては、上記Ni、Fe,CoおよびCuから選択されるいずれかの金属元素を含む限り、その組成は限定されない。M2は、好ましくは、上記Ni、Fe,CoおよびCuから選択されるいずれか1種の金属元素を0.5当量以上(金属元素中の50モル%以上)の割合で含む。より好ましくは、第2スピネル相を主相とすることが好ましい。このような酸化物相は、上記第1スピネル相と同様に半導体的導電性を備え得る。このことにより、SOFCの運転温度域において良好な電気伝導性を備えることができる。
なお、このような酸化物相に含まれ得る酸化物としては、例えば、コバルト−鉄系酸化物(例えばCoFe2O4)、ニッケル−鉄系酸化物(例えばNiFe2O4)、ニッケル−コバルト系酸化物(例えばNiCo2O4)等が好適な例として挙げられる。これら酸化物相は、スピネル型結晶構造を備える場合に、金属製インターコネクタのスピネル層との接合性が良好となることに加え、基材となるフェライト系ステンレス鋼とCTEが近くなることから、スピネル型結晶構造を備えることがより好ましい。
The composition of the oxide phase is not limited as long as it includes any metal element selected from Ni, Fe, Co, and Cu. M 2 preferably contains any one metal element selected from Ni, Fe, Co and Cu in a proportion of 0.5 equivalent or more (50 mol% or more in the metal element). More preferably, the second spinel phase is the main phase. Such an oxide phase can have semiconducting conductivity like the first spinel phase. As a result, good electrical conductivity can be provided in the operating temperature range of the SOFC.
Examples of oxides that can be included in such an oxide phase include cobalt-iron-based oxides (for example, CoFe 2 O 4 ), nickel-iron-based oxides (for example, NiFe 2 O 4 ), and nickel-cobalt. A suitable example is a system oxide (for example, NiCo 2 O 4 ). When these oxide phases have a spinel type crystal structure, in addition to the good bondability with the spinel layer of the metal interconnector, the ferritic stainless steel and CTE as the base material are close, More preferably, it has a spinel crystal structure.
接合部材60において、酸化物相は少しでも含まれていることで金属製インターコネクタ表面のスピネル層との接合性を高めることができる。ここで、接合性向上の効果を明瞭に発現させるとの観点から、ペロブスカイト相と酸化物相との合計に占める酸化物相の割合は、5質量%を超えるとよく、10質量%以上が好ましく、15質量%以上がより好ましく、20質量%以上が特に好ましい。しかしながら、酸化物相の割合が過剰になると、空気極との接合性が低下し得る。かかる観点から、ペロブスカイト相と酸化物相との合計に占める酸化物相の割合は、90質量%未満であるとよく、80質量%以下が好ましく、75質量%以下がより好ましく、70質量%以下が特に好ましい。 In the joining member 60, since the oxide phase is contained even a little, the joining property with the spinel layer on the surface of the metal interconnector can be improved. Here, from the viewpoint of clearly expressing the effect of improving the bondability, the ratio of the oxide phase in the total of the perovskite phase and the oxide phase should exceed 5% by mass, and preferably 10% by mass or more. 15 mass% or more is more preferable, and 20 mass% or more is particularly preferable. However, when the ratio of the oxide phase becomes excessive, the bondability with the air electrode may be lowered. From this viewpoint, the ratio of the oxide phase in the total of the perovskite phase and the oxide phase is preferably less than 90% by mass, preferably 80% by mass or less, more preferably 75% by mass or less, and 70% by mass or less. Is particularly preferred.
なお、後述するが、接合部材60は、粉体材料の焼結体として好ましく構成することができる。この場合、接合部材60は、ペロブスカイト相および酸化物相以外のその他の成分として、粉体の焼結を補助する成分である焼結助剤成分を含み得る。焼結助剤は、ペロブスカイト相および酸化物相を構成する成分よりも融点の低い金属成分(典型的には遷移金属成分)とすることができる。そしてその焼成物は、典型的には、金属酸化物(典型的には遷移金属酸化物)等の金属含有成分である。このことから、接合部材60は、ペロブスカイト相および酸化物相の他に、焼結助剤に由来する金属成分含有相を含むことができる。 In addition, although mentioned later, the joining member 60 can be preferably comprised as a sintered compact of powder material. In this case, the joining member 60 may include a sintering aid component that is a component that assists the sintering of the powder as other components other than the perovskite phase and the oxide phase. The sintering aid can be a metal component (typically a transition metal component) having a lower melting point than the components constituting the perovskite phase and the oxide phase. The fired product is typically a metal-containing component such as a metal oxide (typically a transition metal oxide). From this, the joining member 60 can include a metal component-containing phase derived from the sintering aid in addition to the perovskite phase and the oxide phase.
接合部材60において、ペロブスカイト相および酸化物相は、接合部材60を構成する主体であることが好ましい。ペロブスカイト相および酸化物相の合計は、接合部材60の質量を100質量部としたときに、50質量部以上であることが好ましく、75質量部以上がより好ましく、80質量部以上がさらに好ましく、85質量部以上が特に好ましく、90質量部以上であってよい。ペロブスカイト相および酸化物相以外の結晶相を完全に排除することは困難であると予想されるが、接合部材60は、ペロブスカイト相および酸化物相のみから構成されていてもよい。その一方で、接合部材60が、焼結助剤に由来する金属成分含有相を含む場合は、金属成分含有相は、ペロブスカイト相および酸化物相の合計を100質量部としたときに、おおよそ25質量部以下の割合で含まれ得る。金属成分含有相の割合は、20質量部以下がより好ましく、15質量部以下が更に好ましく、10質量部以下が特に好ましい。金属成分含有相の割合の下限は特に制限されないが、焼結助剤の添加効果が発揮されるには、1質量部以上とすることが適切であり、例えば、3質量部以上とするとよい。 In the bonding member 60, the perovskite phase and the oxide phase are preferably main constituents of the bonding member 60. The total of the perovskite phase and the oxide phase is preferably 50 parts by mass or more, more preferably 75 parts by mass or more, further preferably 80 parts by mass or more, when the mass of the bonding member 60 is 100 parts by mass. 85 parts by mass or more is particularly preferable, and may be 90 parts by mass or more. Although it is expected that it is difficult to completely eliminate crystal phases other than the perovskite phase and the oxide phase, the bonding member 60 may be composed of only the perovskite phase and the oxide phase. On the other hand, when the joining member 60 includes the metal component-containing phase derived from the sintering aid, the metal component-containing phase is approximately 25 when the total of the perovskite phase and the oxide phase is 100 parts by mass. It may be contained in a proportion of less than or equal to parts by mass. The proportion of the metal component-containing phase is more preferably 20 parts by mass or less, further preferably 15 parts by mass or less, and particularly preferably 10 parts by mass or less. The lower limit of the ratio of the metal component-containing phase is not particularly limited, but is suitably 1 part by mass or more, for example, 3 parts by mass or more in order to exert the effect of adding the sintering aid.
なお、上記のペロブスカイト相および酸化物相の割合は、例えば、後述の試験例1に示すように接合部断面のEDX分析等の結果により把握することができる。つまり、接合部の任意の断面におけるペロブスカイト相と酸化物相との面積割合は、そのまま接合部におけるペロブスカイト相と酸化物相との体積割合を反映し得る。例えば、接合構造の断面における各元素濃度分布から、画像解析の手法によって、各相の分布領域を区分けして各相ごとの合計の面積(単位は、例えば、ピクセル)を算出することで、接合部におけるペロブスカイト相および酸化物相の体積割合を把握することができる。 In addition, the ratio of said perovskite phase and an oxide phase can be grasped | ascertained by results, such as EDX analysis of a junction cross section, as shown in below-mentioned Test Example 1, for example. That is, the area ratio between the perovskite phase and the oxide phase in an arbitrary cross section of the joint portion can directly reflect the volume ratio between the perovskite phase and the oxide phase in the joint portion. For example, from the concentration distribution of each element in the cross section of the junction structure, the distribution area of each phase is divided by the image analysis technique, and the total area (unit is, for example, pixel) for each phase is calculated. The volume ratio of the perovskite phase and the oxide phase in the part can be grasped.
なお、必ずしもこれに限定されるものではないが、ペロブスカイト相と酸化物相とは、ペロブスカイト相の大きさが酸化物相の大きさと同じであるか、より大きいことが好ましい。より具体的には、一例として、接合部材60が、ペロブスカイト相を含む第1焼結粒子部と、酸化物相を含む第2焼結粒子部とを含むとき、第1焼結粒子部の平均径は、第2焼結粒子部の平均径よりも大きいことが好ましい。なお、ここでいう平均径(大きさ)とは、例えば、接合部材60の任意の断面について顕微鏡観察したときに、元素分析等によって区別したペロブスカイト相を含む第1焼結粒子部と酸化物相を含む第2焼結粒子部との、2軸平均径に基づき判断することができる。第1焼結粒子部および第2焼結粒子部の2軸平均径は、各相の焼結粒子部について、それぞれ10以上の2軸平均径を測定した結果の算術平均値を採用するとよい。観察に用いる顕微鏡は、特に制限されないが、接合部材60の組織観察をするに適した倍率での観察が可能な顕微鏡を用いることができる。例えば、高倍率のマイクロスコープ、走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡などである。より具体的には、例えば、ペロブスカイト相は、おおよそ0.1μm以上であることが好ましく、15μm以下であることが好ましい。また、酸化物相は、おおよそ0.1μm以上であることが好ましく、10μm以下であることが好ましい。特に制限されないが、ペロブスカイト相の大きさは、酸化物相の大きさの、1〜20倍程度であることが好ましく、2〜10倍程度であることがより好ましい。なお、ペロブスカイト相は、全体が一体的に焼結して、例えばマトリックスを形成していてもよい。この場合、酸化物相は、ペロブスカイト相マトリックスの中に、島状に点在する相として観察されうる。 Although not necessarily limited to this, it is preferable that the perovskite phase and the oxide phase have the same or larger perovskite phase than the oxide phase. More specifically, as an example, when the joining member 60 includes a first sintered particle portion including a perovskite phase and a second sintered particle portion including an oxide phase, the average of the first sintered particle portion The diameter is preferably larger than the average diameter of the second sintered particle part. The average diameter (size) here refers to, for example, the first sintered particle portion and the oxide phase including a perovskite phase distinguished by elemental analysis or the like when an arbitrary cross section of the bonding member 60 is observed with a microscope. It can judge based on the biaxial average diameter with the 2nd sintered particle part containing. As the biaxial average diameter of the first sintered particle portion and the second sintered particle portion, an arithmetic average value obtained by measuring the biaxial average diameter of 10 or more for each sintered particle portion may be employed. Although the microscope used for observation is not particularly limited, a microscope capable of observation at a magnification suitable for observing the structure of the bonding member 60 can be used. For example, a high-power microscope, a scanning electron microscope, a transmission electron microscope, or the like. More specifically, for example, the perovskite phase is preferably about 0.1 μm or more, and preferably 15 μm or less. Moreover, it is preferable that an oxide phase is about 0.1 micrometer or more, and it is preferable that it is 10 micrometers or less. Although not particularly limited, the size of the perovskite phase is preferably about 1 to 20 times the size of the oxide phase, and more preferably about 2 to 10 times. The perovskite phase may be integrally sintered as a whole to form, for example, a matrix. In this case, the oxide phase can be observed as a phase interspersed with islands in the perovskite phase matrix.
なお、空気極20は多孔質構造を有している。典型的には、空気極20は、気孔率が10〜60%程度の多孔質構造を有している。一方で、金属製インターコネクタ50、50Aは原子レベルで緻密な金属組織からなる。したがって、これらを接合し、上記の通り空気極と同一ないしは類似に組成を有する接合部材60は、気孔率が10〜60%程度の多孔質構造を有していることが好ましい。これにより、接合部材60は、空気極20と金属製インターコネクタ50、50Aとの間のCTEの差に伴う熱応力を緩和しやすくなるために好ましい。 The air electrode 20 has a porous structure. Typically, the air electrode 20 has a porous structure with a porosity of about 10 to 60%. On the other hand, the metal interconnectors 50 and 50A have a dense metal structure at the atomic level. Therefore, it is preferable that the joining member 60 that joins them and has the same or similar composition as the air electrode as described above has a porous structure with a porosity of about 10 to 60%. Thereby, since the joining member 60 becomes easy to relieve | moderate the thermal stress accompanying the difference of CTE between the air electrode 20 and the metal interconnectors 50 and 50A, it is preferable.
また、接合部材60の25℃から800℃におけるCTEは、19.3×10−6/K以下であることが好ましい。例えば、ランタンコバルタイトのCTEは、約20×10−6/K程度である。これに対し、金属製インターコネクタ50、50Aを構成するCr−Fe合金のCTEは、上記の通り、7〜12×10−6/Kと大幅に低い。本発明者らの検討によると、接合部材60は、CTEを19×10−6/K以下程度にまで低減させることで、Cr−Fe合金との運転環境における長期の接合性が高められるとの知見を得ている。接合部材60のCTEは、18.9×10−6/K以下がより好ましく、18.8×10−6/K以下が特に好ましい。なお、接合部材60のCTEは、ペロブスカイト相および酸化物相の組成に大きく依存する。例えば、ペロブスカイト相および酸化物相がBサイトにFeやCuを含む場合、CTEが大きく低減され得る。このような場合、CTEは、18.7×10−6/K以下がより好ましく、例えば18×10−6/K以下であってよい。CTEの下限は特に制限されず、例えば、17×10−6/Kを超えているとよく、17.5×10−6/K以上、より好ましくは17.8×10−6/K以上とすることができる。 Moreover, it is preferable that CTE in 25 to 800 degreeC of the joining member 60 is 19.3 * 10 < -6 > / K or less. For example, the CTE of lanthanum cobaltite is about 20 × 10 −6 / K. On the other hand, the CTE of the Cr—Fe alloy constituting the metal interconnectors 50 and 50A is significantly low as 7 to 12 × 10 −6 / K as described above. According to the study by the present inventors, the long-term joining property in the operating environment with the Cr—Fe alloy can be improved by reducing the CTE to about 19 × 10 −6 / K or less. We have knowledge. The CTE of the joining member 60 is more preferably 18.9 × 10 −6 / K or less, and particularly preferably 18.8 × 10 −6 / K or less. The CTE of the joining member 60 greatly depends on the composition of the perovskite phase and the oxide phase. For example, when the perovskite phase and the oxide phase contain Fe or Cu at the B site, CTE can be greatly reduced. In such a case, the CTE is more preferably 18.7 × 10 −6 / K or less, for example, 18 × 10 −6 / K or less. The lower limit of CTE is not particularly limited, and may be, for example, more than 17 × 10 −6 / K, more preferably 17.5 × 10 −6 / K or more, and more preferably 17.8 × 10 −6 / K or more. can do.
なお、本明細書におけるCTEは、特に言及しない限り、熱機械分析装置(Thermomechanical Analysis:TMA)を用いて、室温(25℃)から800℃までの温度領域において測定した平均線膨張係数を意味し、かかる温度領域における試料の長さの変化量を測定温度差で割った値をいう。この熱膨張係数は、JIS Z2285:2003に規定される金属材料の線膨張係数の測定方法またはJIS R1618:2002に規定されるファインセラミックスの熱機械分析による熱膨張の測定方法に準じて測定することができる。 In addition, CTE in this specification means an average linear expansion coefficient measured in a temperature range from room temperature (25 ° C.) to 800 ° C. using a thermomechanical analyzer (TMA) unless otherwise specified. The value obtained by dividing the change in the length of the sample in this temperature range by the measured temperature difference. The coefficient of thermal expansion should be measured according to the method for measuring the linear expansion coefficient of metallic materials specified in JIS Z2285: 2003 or the method for measuring thermal expansion by thermomechanical analysis of fine ceramics specified in JIS R1618: 2002. Can do.
[導電性接合材料]
接合部材60は、上記の通りの気孔率とCTEとを備えることから、例えば、粉体の焼結体により構成されていることが好ましい。そこで、ここに開示する技術は、接合部材60を好ましく製造することのできる導電性接合材料を提供する。この導電性接合材料は、ペロブスカイト酸化物粉体と合金粉体とを含む。
[Conductive bonding material]
Since the joining member 60 includes the porosity and the CTE as described above, it is preferable that the joining member 60 is made of, for example, a powder sintered body. Therefore, the technique disclosed herein provides a conductive bonding material that can preferably manufacture the bonding member 60. This conductive bonding material includes perovskite oxide powder and alloy powder.
(ペロブスカイト酸化物粉体)
ペロブスカイト酸化物粉体は、接合部材60におけるペロブスカイト相を形成する。換言すると、ペロブスカイト酸化物粉体が焼結されてペロブスカイト相を形成する。焼成によって原料と焼成体との組成は厳密には異なり得るが、ここに開示される接合部材は、例えば600℃〜800℃という比較的低温での焼成により作製できる。このことから、ペロブスカイト酸化物粉体の組成は、上記のペロブスカイト相の組成と概ね同一とすることができる。
(Perovskite oxide powder)
The perovskite oxide powder forms a perovskite phase in the bonding member 60. In other words, the perovskite oxide powder is sintered to form a perovskite phase. Although the composition of the raw material and the fired body may differ strictly depending on the firing, the joining member disclosed herein can be produced by firing at a relatively low temperature of, for example, 600 ° C. to 800 ° C. From this, the composition of the perovskite oxide powder can be made substantially the same as the composition of the perovskite phase.
また、ペロブスカイト酸化物粉体の平均粒子径は、大きすぎると焼成して接合部材を作製する際に、ペロブスカイト酸化物粉体と合金粉体との反応性が均一とならないために好ましくない。ペロブスカイト酸化物粉体の平均粒子径は、5μm以下程度が適切であり、4μm以下程度が好ましく、例えば3μm以下程度がさらに好ましい。ペロブスカイト酸化物粉体の平均粒子径の下限は特に制限されないが、ハンドリング性の観点から、例えば、0.1μm以上程度を目安とすることができる。 On the other hand, if the average particle size of the perovskite oxide powder is too large, it is not preferable because the reactivity between the perovskite oxide powder and the alloy powder does not become uniform when firing to produce a bonded member. The average particle size of the perovskite oxide powder is suitably about 5 μm or less, preferably about 4 μm or less, and more preferably about 3 μm or less. The lower limit of the average particle size of the perovskite oxide powder is not particularly limited, but from the viewpoint of handling properties, for example, about 0.1 μm or more can be used as a guide.
(合金粉体)
また、合金粉体は、接合部材60における酸化物相を形成する。換言すると、合金粉体は焼成により酸化されて焼結されて酸化物相(典型的には複酸化物相)を形成する。したがって、合金粉体の組成は、上記の酸化物相に含まれている金属元素に対応したものを含むことができる。具体的には、合金粉体は、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、鉄(Fe)および銅(Cu)からなる群から選択される2種以上からなる合金を含む。合金粉体は、上記の4種の金属元素のうちのいずれか2種以上のみからなる合金であってもよいし、上記の2種の金属元素と他の元素とを含む合金粉体であってもよい。この合金粉体が、金属単体からなる粉末の混合ではなく、合金を形成していることで、焼成時の反応性(酸化)が均一かつ良好に進行しうるために好ましい。また、焼成後に得られる酸化物について、良好な複酸化物(典型的には、スピネル構造を有する酸化物)を好適に形成し得るために好ましい。
(Alloy powder)
Further, the alloy powder forms an oxide phase in the bonding member 60. In other words, the alloy powder is oxidized and sintered by firing to form an oxide phase (typically a double oxide phase). Therefore, the composition of the alloy powder can include the one corresponding to the metal element contained in the oxide phase. Specifically, the alloy powder includes an alloy composed of two or more selected from the group consisting of nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), and copper (Cu). The alloy powder may be an alloy composed of only two or more of the above four kinds of metal elements, or may be an alloy powder containing the above two kinds of metal elements and other elements. May be. It is preferable that the alloy powder is formed by forming an alloy rather than a mixture of powders of a single metal because the reactivity (oxidation) during firing can proceed uniformly and satisfactorily. In addition, an oxide obtained after firing is preferable because a favorable double oxide (typically, an oxide having a spinel structure) can be suitably formed.
合金粉体の平均粒子径は特に制限されない。例えば、上記のペロブスカイト酸化物粉体と良好に混合できる程度の大きさであればよい。例えば、合金粉体の平均粒子径は、10μm以下程度が適切であり、9μm以下程度が好ましく、例えば8μm以下程度がさらに好ましい。合金粉体の平均粒子径の下限は特に制限されないが、ハンドリング性の観点から、例えば、0.1μm以上程度を目安とすることができる。なお、ペロブスカイト酸化物粉体および合金粉体は、これらを構成する粒子が独立して存在している場合に限り、上記のペロブスカイト相または酸化物相の粒径と概ね対応すると考えることができる。 The average particle size of the alloy powder is not particularly limited. For example, it may be of a size that can be satisfactorily mixed with the perovskite oxide powder. For example, the average particle size of the alloy powder is suitably about 10 μm or less, preferably about 9 μm or less, and more preferably about 8 μm or less. The lower limit of the average particle diameter of the alloy powder is not particularly limited, but from the viewpoint of handling properties, for example, about 0.1 μm or more can be used as a guide. The perovskite oxide powder and the alloy powder can be considered to generally correspond to the particle diameter of the perovskite phase or oxide phase only when the particles constituting them are present independently.
また、ペロブスカイト酸化物粉体と合金粉体とは、平均粒子径が同じであってもよいし、異なっていてもよい。平均粒子径を異ならせる場合、ペロブスカイト酸化物粉体の方が相対的に小さく、合金粉体の方が相対的に大きいことが好ましい。合金粉体は、ペロブスカイト酸化物粉体に比べて融点が低い。また、合金粉体は、ペロブスカイト酸化物粉体に比べてCTEが小さい。したがって、ペロブスカイト酸化物粉体を合金粉体よりも小さくすることで、ペロブスカイト酸化物粉体に起因する焼成収縮率の増大を抑制することができる。また、ペロブスカイト酸化物粉体を合金粉体よりも小さくすることで、より少ない量でCTEを低減させる効果を発揮することができる。 The perovskite oxide powder and the alloy powder may have the same or different average particle diameter. When the average particle size is varied, it is preferable that the perovskite oxide powder is relatively small and the alloy powder is relatively large. The alloy powder has a lower melting point than the perovskite oxide powder. In addition, the alloy powder has a smaller CTE than the perovskite oxide powder. Therefore, by making the perovskite oxide powder smaller than the alloy powder, it is possible to suppress an increase in the firing shrinkage rate due to the perovskite oxide powder. Further, by making the perovskite oxide powder smaller than the alloy powder, the effect of reducing the CTE with a smaller amount can be exhibited.
また、例えば代表的なランタンコバルタイトのCTEは、約22×10−6/K程度である。これに対し、マンガンコバルタイトやフェライト系ステンレス鋼のCTEはそれぞれ、約13×10−6/K程度、約7〜12×10−6/K程度であり得る。したがって、接合部材のCTEを、例えば好適に14×10−6/K以上19×10−6/K以下程度に調整するには、必ずしもこれに特に制限されないが、合金粉体の大きさはペロブスカイト酸化物粉体の大きさの、1倍以上であることが好ましく、1.4倍以上がより好ましく、5倍以上が更に好ましく、7倍以上がより一層好ましく、例えば10倍以上としてもよい。ペロブスカイト酸化物粉体の合金粉体に対する大きさの上限は特に制限されないが、上記好適な粒子径の範囲を考慮すると、例えば30倍以下、好ましくは20倍以下、典型的には15倍以下程度とするとよい。 For example, the CTE of typical lanthanum cobaltite is about 22 × 10 −6 / K. On the other hand, the CTEs of manganese cobaltite and ferritic stainless steel can be about 13 × 10 −6 / K and about 7 to 12 × 10 −6 / K, respectively. Therefore, the CTE of the joining member is not particularly limited to adjust the CTE of, for example, preferably 14 × 10 −6 / K or more to 19 × 10 −6 / K or less, but the size of the alloy powder is not limited to perovskite. The size of the oxide powder is preferably 1 times or more, more preferably 1.4 times or more, still more preferably 5 times or more, still more preferably 7 times or more, and may be, for example, 10 times or more. The upper limit of the size of the perovskite oxide powder with respect to the alloy powder is not particularly limited, but considering the preferable range of the particle diameter, for example, 30 times or less, preferably 20 times or less, typically about 15 times or less. It is good to do.
導電性接合材料において、ペロブスカイト酸化物粉体と合金粉体との割合は、接合部材60におけるペロブスカイト相と酸化物相との割合に関係する。例えば、CTEの相対的に小さい合金粉体が多いほど、接合部材60のCTEを低減することができる。かかる観点から、ペロブスカイト酸化物粉体と合金粉体との合計に占める合金粉体の割合は、5質量%を超えることが好ましい。合金粉体の割合は、7質量%以上がより好ましく、10質量%以上がさらに好ましく、15質量%以上がより好ましく、20質量%以上がより特に好ましい。しかしながら、合金粉体が過剰に含まれると、空気極との接合性が低下し得るために好ましくない。したがって、合金粉体の割合は、おおよそ80質量%未満が適切であり、75質量%以下が好ましく、70質量%以下がより好ましく、65質量%以下がさらに好ましく、60質量%以下が特に好ましい。例えば、合金粉体は20質量%以上50質量%以下とすることができる。 In the conductive bonding material, the ratio between the perovskite oxide powder and the alloy powder is related to the ratio between the perovskite phase and the oxide phase in the bonding member 60. For example, the CTE of the joining member 60 can be reduced as the alloy powder having a relatively small CTE increases. From this viewpoint, it is preferable that the ratio of the alloy powder in the total of the perovskite oxide powder and the alloy powder exceeds 5% by mass. The ratio of the alloy powder is more preferably 7% by mass or more, further preferably 10% by mass or more, more preferably 15% by mass or more, and particularly preferably 20% by mass or more. However, an excessive amount of alloy powder is not preferable because the bondability with the air electrode can be lowered. Accordingly, the proportion of the alloy powder is suitably less than about 80% by mass, preferably 75% by mass or less, more preferably 70% by mass or less, further preferably 65% by mass or less, and particularly preferably 60% by mass or less. For example, the alloy powder can be 20 mass% or more and 50 mass% or less.
(分散媒)
なお、ここに開示される導電性接合材料は、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて、上記の粉体材料の他に、分散媒等の他の構成成分を含むことができる。かかる他の構成成分については、SOFCの単セル10A、10Bの形成手法などの種々の基準に照らして調整することができる。
(Dispersion medium)
Note that the conductive bonding material disclosed herein can contain other components such as a dispersion medium in addition to the above powder material, as long as the object of the present invention is not deviated. Such other components can be adjusted in light of various criteria such as the method of forming the SOFC single cells 10A, 10B.
上記の粉体状の導電性接合材料は、そのまま圧縮成形する等して、SOFCの単セル10A、10Bと金属製インターコネクタ50Aとの接合に供してもよいし、あるいは、粉体状の導電性接合材料を分散媒中に分散したペースト(インク、スラリー、サスペンションなどを包含する)の形態に調製して用いるようにしてもよい。このとき用いる分散媒としては、上記の第1および第2の酸化物粉体および必要に応じて焼結助剤を良好に分散し得るものであればよく、従来のこの種のペーストに用いられている各種の分散媒を特に制限なく使用することができる。典型的には、かかる分散媒としては、粘度調整のための有機バインダと有機溶剤との混合物を考慮することができる。
有機溶剤としては、例えば、エチレングリコールおよびジエチレングリコール誘導体(グリコールエーテル系溶剤)、トルエン、キシレン、ブチルカルビトール(BC)、ターピネオール等の高沸点有機溶剤の1種を単独で、または、2種以上を組み合わせて使用することができる。
The above-mentioned powdery conductive joining material may be used for joining the SOFC single cells 10A, 10B and the metal interconnector 50A by compression molding or the like. The adhesive bonding material may be prepared and used in the form of a paste (including ink, slurry, suspension, etc.) dispersed in a dispersion medium. The dispersion medium used at this time may be any dispersion medium that can disperse the above-mentioned first and second oxide powders and, if necessary, the sintering aid satisfactorily. Various dispersion media can be used without particular limitation. Typically, as such a dispersion medium, a mixture of an organic binder and an organic solvent for viscosity adjustment can be considered.
As the organic solvent, for example, one kind of high-boiling organic solvents such as ethylene glycol and diethylene glycol derivatives (glycol ether solvents), toluene, xylene, butyl carbitol (BC), terpineol, or two or more kinds are used. Can be used in combination.
また、有機バインダとしては、粘性を示す種々の樹脂成分を含むことができる。かかる樹脂成分はペーストを調製するのに良好な粘性および塗膜形成能(例えば、印刷性や、基板に対する付着性等を含む)を付与し得るものであればよく、従来のこの種のペーストに用いられているものを特に制限なく使用することができる。例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、アルキド樹脂、セルロース系高分子、ポリビニルアルコール、ロジン樹脂等を主体とするものが挙げられる。このうち、特にエチルセルロース等のセルロース系高分子が含まれているのが好ましい。なお、かかる分散媒には、分散剤や可塑剤等のこの種の分散媒に一般的に使用され得る任意の添加剤が含まれていても良い。 Moreover, as an organic binder, the various resin component which shows viscosity can be included. Any resin component may be used as long as it can impart a good viscosity and a film-forming ability (including, for example, printability and adhesion to a substrate) to prepare a paste. What is used can be used without particular limitation. Examples thereof include those mainly composed of acrylic resin, epoxy resin, phenol resin, alkyd resin, cellulosic polymer, polyvinyl alcohol, rosin resin and the like. Among these, it is particularly preferable that a cellulosic polymer such as ethyl cellulose is contained. The dispersion medium may contain any additive that can be generally used for this type of dispersion medium, such as a dispersant and a plasticizer.
分散媒の割合は、導電性接合材料の使用目的に応じて適宜調整することができる。例えば、金属製インターコネクタ50Aのセル対向面52の形態や、その成形に採用する手法等に応じて、適宜調整することができる。一例として、ペースト状の形態の導電性接合材料は、印刷等の手法により金属製インターコネクタ50Aのセル対向面52に供給するのに好ましく用いることができる。この場合、分散媒が、ペースト状の導電性接合材料全体に占める割合は、5質量%以上60質量%以下程度とすることが好ましく、7質量%以上50質量%以下がより好ましく、10質量%以上40質量%以下が特に好ましい。また、ビヒクルに含まれる有機バインダは、例えば、ペースト全体の1質量%以上15質量%以下程度、好ましくは1質量%以上10質量%以下程度、より好ましくは1質量%以上7質量%以下程度の割合とすることが例示される。かかる構成とすることで、例えば、導電性接合材料の粉体成分を均一な厚さの層状体(例えば、塗膜)として形成(塗布)し易く、取扱いが容易であり、さらにかかる塗布物から分散媒を除去するのに長時間を要することがないために好適である。 The ratio of the dispersion medium can be appropriately adjusted according to the purpose of use of the conductive bonding material. For example, it can be appropriately adjusted according to the form of the cell facing surface 52 of the metal interconnector 50A, the method employed for the molding, and the like. As an example, the paste-like conductive bonding material can be preferably used for supplying the cell facing surface 52 of the metal interconnector 50A by a technique such as printing. In this case, the ratio of the dispersion medium to the entire paste-like conductive bonding material is preferably about 5% by mass to 60% by mass, more preferably 7% by mass to 50% by mass, and more preferably 10% by mass. The content is particularly preferably 40% by mass or less. The organic binder contained in the vehicle is, for example, about 1% by mass to 15% by mass of the entire paste, preferably about 1% by mass to 10% by mass, and more preferably about 1% by mass to 7% by mass. The ratio is exemplified. By adopting such a configuration, for example, the powder component of the conductive bonding material can be easily formed (coated) as a layered body (for example, a coating film) with a uniform thickness, is easy to handle, and further from the coated material. It is preferable because it does not take a long time to remove the dispersion medium.
なお、ペースト状に調製するに際し、上記粉体状の導電性接合材料および分散媒の混合には、例えば、公知の三本ロールミル等を用いることができる。これにより、ペロブスカイト酸化物粉体、合金粉体および焼成助剤を均一に混合することができる。また、これらの粉体材料を分散媒に均質に分散させることができる。その結果、ペースト状の導電性接合材料を得ることができる。ペースト状の導電性接合材料は、所望の用途に応じて適切な粘度に調整することによって、塗布または印刷等の形態で導電性接合材料を所望の位置に所望の形態にて簡便に供給することが可能となる。 In preparing the paste, for example, a known three-roll mill can be used for mixing the powdery conductive bonding material and the dispersion medium. Thereby, the perovskite oxide powder, the alloy powder and the firing aid can be mixed uniformly. Moreover, these powder materials can be uniformly dispersed in a dispersion medium. As a result, a paste-like conductive bonding material can be obtained. By adjusting the viscosity of the paste-like conductive bonding material to an appropriate viscosity according to the desired application, the conductive bonding material can be simply supplied to the desired position in the desired form in the form of coating or printing. Is possible.
導電性接合材料は、金属製インターコネクタ50Aのセル対向面52と、SOFCの単セル10Aの空気極20との間に供給される。つまり、例えば、金属製インターコネクタ50Aのセル対向面52に導電性接合材料を供給した後、単セル10Aの空気極20側が導電性接合材料に当接するように単セル10Aを重ねあわせる。このようにして単セル10A、10Bと金属製インターコネクタ50、50Aとをスタックした後、焼成する。この場合の焼成温度は、従来と同様に1000〜1150℃程度とすることもできるが、ここに開示された技術によると、焼成温度は、900℃以下、例えば700〜900℃程度とすることができる。焼成時間は、例えば、1〜5時間程度とすることができる。これにより、導電性接合材料に含まれるバインダや分散媒等が消失し、ペロブスカイト酸化物粉体および合金粉体が焼結して、接合部材60が形成される。同時に、接合部材60によって、SOFCの空気極20と金属製インターコネクタ50Aとを強固に密着性よく接合することができる。 The conductive bonding material is supplied between the cell facing surface 52 of the metal interconnector 50A and the air electrode 20 of the SOFC single cell 10A. That is, for example, after supplying the conductive bonding material to the cell facing surface 52 of the metal interconnector 50A, the single cells 10A are overlapped so that the air electrode 20 side of the single cell 10A comes into contact with the conductive bonding material. In this manner, the single cells 10A and 10B and the metal interconnectors 50 and 50A are stacked and then fired. In this case, the firing temperature can be about 1000 to 1150 ° C. as in the conventional case, but according to the technique disclosed herein, the firing temperature is 900 ° C. or less, for example, about 700 to 900 ° C. it can. The firing time can be, for example, about 1 to 5 hours. Thereby, the binder, the dispersion medium, and the like contained in the conductive bonding material disappear, and the perovskite oxide powder and the alloy powder are sintered to form the bonding member 60. At the same time, the joining member 60 can firmly join the SOFC air electrode 20 and the metal interconnector 50A with good adhesion.
なお、上記の導電性接合材料の焼成温度は、SOFCの空気極20の焼成温度とほぼ同じである。また、導電性接合材料を構成する上記ペロブスカイト酸化物粉体および合金粉体は、空気極材料と共通の組成であり得る。そこで、ここに開示する技術は、かかる導電性接合材料を、空気極20の形成用材料としても提供する。 Note that the firing temperature of the conductive bonding material is substantially the same as the firing temperature of the SOFC air electrode 20. Further, the perovskite oxide powder and alloy powder constituting the conductive bonding material may have the same composition as the air electrode material. Therefore, the technology disclosed herein provides such a conductive bonding material as a material for forming the air electrode 20.
(空気極形成用材料)
空気極(カソード)20は、上記燃料極40と同様に多孔質構造を有している。一般に、空気極20は接合部材60よりも気孔率が大きい。空気極20の気孔率は特に限定されないものの、気孔率は、電気化学反応のための燃料ガス,固体電解質層,空気極等による3相界面の割合と適切な強度と両立するために、10%以上50%以下(好適には10%以上40%以下、例えば15%以上30%以下)であることが好ましい。
(Air electrode forming material)
The air electrode (cathode) 20 has a porous structure like the fuel electrode 40. In general, the air electrode 20 has a larger porosity than the joining member 60. Although the porosity of the air electrode 20 is not particularly limited, the porosity is 10% in order to satisfy both the ratio of the three-phase interface due to the fuel gas for the electrochemical reaction, the solid electrolyte layer, the air electrode, etc. and the appropriate strength. It is preferably 50% or less (preferably 10% or more and 40% or less, for example, 15% or more and 30% or less).
そこで、導電性接合材料を空気極形成用材料として用いる場合は、導電性接合材料に造孔材を加えるとよい。造孔材は、空気極20等の電極を多孔質構造に形成するために電極形成用材料に配合される材料であって、電極作製時(焼成時)に消失する各種の材料を用いることができる。例えば、造孔材としては、粒状の合成樹脂材料、炭素粉体、天然有機粉体等を好ましく用いることができる。 Therefore, when a conductive bonding material is used as the air electrode forming material, a pore former may be added to the conductive bonding material. The pore former is a material blended with the electrode forming material in order to form an electrode such as the air electrode 20 in a porous structure, and various materials that disappear when the electrode is manufactured (fired) may be used. it can. For example, as the pore former, granular synthetic resin material, carbon powder, natural organic powder, or the like can be preferably used.
粒状樹脂材料としては、電極の焼成時(典型的には、700〜900℃程度の焼成時)に消失することができる各種の合成樹脂からなる粒子状の材料を用いることができる。典型的には、いわゆる樹脂ビーズを好ましく用いることができる。かかる粒状樹脂材料は、粒子の粒径が揃ったものを容易に入手することができ、また表面形態も滑らかであるため、電極形成用のスラリーを調製したときの流動性を良好に保ち得るために好ましい。また、所望の多孔質構造(例えば、細孔径分布がシャープな多孔質構造等)の電極を形成し得る点においても好ましい。かかる粒状樹脂材料を構成する樹脂の種類は特に制限されず、例えば、代表的には、ポリエチレン,ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、ポリスチレン,スチレン・アクリロニトリル共重合体,アクリロニトリル・ブタジエン・スチレンポリマー等のポリスチレン系樹脂、アクリル系樹脂、ビニルエステル系樹脂およびこれらの複合体等が例示される。 As the granular resin material, a particulate material made of various synthetic resins that can disappear when the electrode is baked (typically when baking at about 700 to 900 ° C.) can be used. Typically, so-called resin beads can be preferably used. Such a granular resin material can be easily obtained with a uniform particle size, and since the surface form is smooth, it can maintain good fluidity when a slurry for electrode formation is prepared. Is preferable. Moreover, it is also preferable in that an electrode having a desired porous structure (for example, a porous structure having a sharp pore size distribution) can be formed. The type of resin constituting such a granular resin material is not particularly limited. For example, typically, polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene, polystyrene such as polystyrene, styrene / acrylonitrile copolymer, acrylonitrile / butadiene / styrene polymer, and the like. Examples of such resins include acrylic resins, acrylic resins, vinyl ester resins, and composites thereof.
造孔材として各種の炭素粉体を用いることもできる。かかる炭素粉体は700℃〜900℃でほぼ焼失するため、電極の焼成時にほぼ全てが燃え抜けるために好適である。炭素粉体としては、その結晶構造や製造方法等は特に制限されず、黒鉛(天然黒鉛およびその改質体、人造黒鉛)等に代表される各種の炭素材料を用いることができる。
天然有機粉体としては、例えば、澱粉を含む各種の植物のうち、澱粉を多く含む種子(胚乳)、塊根等の部位を粉体にしたものや、かかる部位か抽出した澱粉粉体であってよい。例えば、代表的には、もち米粉、米粉、大麦粉、小麦粉、オート(燕麦)粉、とうもろこし粉、えんどう豆粉、じゃがいも粉、さつまいも粉、キャッサバ粉、葛粉、サゴ粉、アマランス粉、バナナ粉、アロールート粉、カンナ粉などの食物粉、馬鈴薯澱粉、コーンスターチ、タピオカ粉等の澱粉粉体を例示することができる。
Various carbon powders can also be used as the pore former. Since such carbon powder is almost burned off at 700 ° C. to 900 ° C., almost all of the carbon powder is suitable for burning out when the electrode is fired. The carbon powder is not particularly limited in its crystal structure, manufacturing method, etc., and various carbon materials represented by graphite (natural graphite and modified products thereof, artificial graphite) and the like can be used.
Examples of natural organic powders include, among various types of plants containing starch, seeds (endosperm) containing a large amount of starch, powdered parts such as tuberous root, and starch powder extracted from such parts. Good. For example, typically, glutinous rice flour, rice flour, barley flour, wheat flour, oat flour, corn flour, pea bean flour, potato flour, sweet potato flour, cassava flour, katsu flour, sago flour, amaranth flour, banana flour Examples thereof include food powders such as arrow root powder and canna powder, and starch powders such as potato starch, corn starch and tapioca powder.
空気極20の形成に際しても、導電性接合材料と造孔材の他に、分散媒等の他の構成成分を含むことができる。分散媒は、上記の通り、ペースト状の導電性接合材料を調製する場合と同様の材料を用いることができる。分散媒の割合は、空気極20の形成手法に応じて調整することができる。一般に空気極20は、ペースト状の空気極形成用材料を、スクリーン印刷やドクターブレード法等の手法により、SOFCのハーフセル(燃料極40と固体電解質層30からなる半セル)の固体電解質層30上に供給して焼成する。この場合、分散媒は、ペースト全体の5質量%以上60質量%以下程度とすることが好適である。空気極形成用材料の供給は、焼成後に得られる空気極20が所定の形状および寸法となるように適宜調整することができる。空気極20は、固体電解質層30の形状に応じてその形状を適宜変更することができる。空気極20の厚みは、典型的には1μm〜200μm程度であり、好ましくは5μm〜100μm程度、より好ましくは10μm〜100μmであるが、かかる厚みに限定されるものではない。 In forming the air electrode 20, in addition to the conductive bonding material and the pore former, other components such as a dispersion medium can be included. As described above, the dispersion medium may be the same material as that used when preparing the paste-like conductive bonding material. The ratio of the dispersion medium can be adjusted according to the method of forming the air electrode 20. In general, the air electrode 20 is formed by using a paste-like air electrode forming material on the solid electrolyte layer 30 of a SOFC half cell (a half cell comprising the fuel electrode 40 and the solid electrolyte layer 30) by a method such as screen printing or a doctor blade method. To be fired. In this case, the dispersion medium is preferably about 5 mass% or more and 60 mass% or less of the entire paste. The supply of the air electrode forming material can be appropriately adjusted so that the air electrode 20 obtained after firing has a predetermined shape and dimensions. The shape of the air electrode 20 can be changed as appropriate according to the shape of the solid electrolyte layer 30. The thickness of the air electrode 20 is typically about 1 μm to 200 μm, preferably about 5 μm to 100 μm, more preferably 10 μm to 100 μm, but is not limited to such thickness.
なお、SOFCの製造方法は、従来公知の製造方法に準じればよく特別な処理を必要としないため、詳細な説明は省略する。これにより、SOFCの空気極20の少なくとも一部を、ここに開示される導電性接合材料(空気極形成用材料)の焼成物により構成することができる。この場合、空気極20の焼成と、SOFCのスタック時の焼成とは、同時に行うことも可能である。 Note that the SOFC manufacturing method may be in accordance with a conventionally known manufacturing method and does not require any special treatment, and thus detailed description thereof is omitted. Thereby, at least a part of the SOFC air electrode 20 can be constituted by a fired product of the conductive bonding material (air electrode forming material) disclosed herein. In this case, the firing of the air electrode 20 and the firing at the time of stacking of the SOFC can be performed simultaneously.
以下、本発明に関する幾つかの試験例を説明するが、本発明をかかる試験例に示すものに限定することを意図したものではない。 Hereinafter, some test examples relating to the present invention will be described, but the present invention is not intended to be limited to those shown in the test examples.
[試験例1]
[接合用材料の用意]
接合用材料として、Fe−Co合金粉体と、ペロブスカイト型酸化物粉体とを用意した。具体的には、平均粒子径(D50(Alloy))が8.0μmのFe−50%Co合金粉体(エプソンアトミックス(株)製)と、平均粒子径(D50(ABO3))が0.7μmで一般式:La0.6Sr0.4CoO3;で表される組成のペロブスカイト型酸化物(La0.6Sr0.4CoO3)粉体とを用い、合金粉体とペロブスカイト型酸化物粉体の合計に占める合金粉体の割合(質量%)を、下記の表1に示すように0.1〜100質量%の間で12通りに変化させて混合した。そしてこの混合粉体に、バインダとしてのエチルセルロースと、有機溶剤としてのテルピネオールとを添加し、三本ロールミルで混合することで、例1−1〜1−12の接合用ペーストを調製した。なお、Fe−Co合金粉体とペロブスカイト型酸化物粉体の合計100質量部に対して、バインダは3質量部の割合で、有機溶剤は20質量部の割合で配合した。
[Test Example 1]
[Preparation of joining materials]
Fe-Co alloy powder and perovskite oxide powder were prepared as bonding materials. Specifically, an Fe-50% Co alloy powder (manufactured by Epson Atmix Co., Ltd.) having an average particle size (D 50 (Alloy)) of 8.0 μm and an average particle size (D 50 (ABO 3 )). Is a perovskite oxide (La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 ) powder having a composition represented by the general formula: La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 ; The ratio (mass%) of the alloy powder occupying the total of the perovskite type oxide powder was changed and mixed in 12 ways between 0.1 and 100 mass% as shown in Table 1 below. And to this mixed powder, ethyl cellulose as a binder and terpineol as an organic solvent were added and mixed by a three-roll mill to prepare bonding pastes of Examples 1-1 to 1-12. The binder was blended at a ratio of 3 parts by mass and the organic solvent was blended at a ratio of 20 parts by mass with respect to a total of 100 parts by mass of the Fe—Co alloy powder and the perovskite oxide powder.
[CTE測定]
各例の接合用ペーストを焼成することで得られる接合部(焼成物)のCTEを測定した。すなわち、先ず、各例の接合用ペーストを所定の試験片寸法に対応した成形型に充填し、乾燥させた後、1100℃で焼成することで焼成体を得た。そして焼成体の寸法が4mm×5mm×20mmとなるように成形することで、CTE測定用の試験片とした。この試験片を用い、熱機械分析装置(株式会社リガク製、TMA8310)を使用して、室温(25℃)〜800℃の温度範囲における熱膨張係数(CTE)を測定した。熱膨張係数は、JIS 1618:2002のファインセラミックスの熱機械分析による熱膨張の測定方法に準じ、大気中で、示差膨張式にて測定した平均線膨張率から求めた。その結果を、以下の表1の「CTE」の欄に示した。
[CTE measurement]
The CTE of the joint (baked product) obtained by firing the bonding paste of each example was measured. That is, first, the bonding paste of each example was filled in a mold corresponding to a predetermined test piece size, dried, and then fired at 1100 ° C. to obtain a fired body. And it was set as the test piece for CTE measurement by shape | molding so that the dimension of a sintered body might be set to 4 mm x 5 mm x 20 mm. Using this test piece, the thermal expansion coefficient (CTE) in a temperature range of room temperature (25 ° C.) to 800 ° C. was measured using a thermomechanical analyzer (manufactured by Rigaku Corporation, TMA8310). The thermal expansion coefficient was determined from the average linear expansion coefficient measured by the differential expansion method in the atmosphere according to the method of measuring thermal expansion by thermomechanical analysis of fine ceramics of JIS 1618: 2002. The results are shown in the “CTE” column of Table 1 below.
[接合性試験]
[評価用SOFCの作製]
接合性評価用のSOFCを以下の手順で作製した。
まず、酸化ニッケル(NiO,平均粒子径0.5μm)粉末と8%イットリア安定化ジルコニア(8%YSZ,平均粒子径0.5μm)粉末との質量比60:40の混合粉末48〜58質量%に、有機溶剤(キシレン)24質量%、有機バインダ(ポリビニルブチラール;PVB)8.5質量%、気孔形成材(炭素成分)5〜15質量%および可塑剤4.5質量%を加えて混練することにより、ペースト状の燃料極支持体形成用組成物を調製した。そしてこの燃料極支持体形成用組成物を、ドクターブレード法によりキャリアシート上に塗布・乾燥することを繰り返すことで、厚みが0.5〜1.0mmの燃料極支持体グリーンシートを形成した。
[Jointability test]
[Production of SOFC for evaluation]
A SOFC for evaluation of bondability was produced by the following procedure.
First, a mixed powder of 48 to 58 mass% with a mass ratio of 60:40 of nickel oxide (NiO, average particle diameter 0.5 μm) powder and 8% yttria stabilized zirconia (8% YSZ, average particle diameter 0.5 μm) powder. And kneading by adding 24% by mass of an organic solvent (xylene), 8.5% by mass of an organic binder (polyvinyl butyral; PVB), 5-15% by mass of a pore forming material (carbon component) and 4.5% by mass of a plasticizer. Thus, a paste-like composition for forming a fuel electrode support was prepared. The fuel electrode support green sheet having a thickness of 0.5 to 1.0 mm was formed by repeatedly applying and drying the fuel electrode support forming composition on the carrier sheet by the doctor blade method.
次に、上記と同様のNiO粉末48質量%、8%YSZ粉末32質量%、有機溶剤(ターピネオール)18質量%およびバインダ(エチルセルロース;EC)2質量%を混合することで、燃料極形成用組成物を調製した。そしてこの燃料極形成用組成物を上記燃料極支持体グリーンシートの上にスクリーン印刷法により供給し、乾燥させて、厚みが約10μmの燃料極グリーンシートを形成した。 Next, a composition for forming a fuel electrode is prepared by mixing 48% by mass of NiO powder, 32% by mass of YSZ powder, 18% by mass of an organic solvent (terpineol) and 2% by mass of a binder (ethyl cellulose; EC) as described above. A product was prepared. This fuel electrode forming composition was supplied onto the fuel electrode support green sheet by screen printing and dried to form a fuel electrode green sheet having a thickness of about 10 μm.
固体電解質材料としての8%YSZ(平均粒子径0.5μm)粉末65質量%と、バインダ(EC)4質量%と、有機溶剤(ターピネオール)31質量%とを混練することにより、ペースト状の固体電解質層形成用組成物を調製した。これを上記燃料極グリーンシート上にスクリーン印刷法によってシート状に供給し、乾燥させることで、厚みが約10μmの固体電解質層グリーンシートを形成した。 A paste-like solid is obtained by kneading 65% by mass of 8% YSZ (average particle size 0.5 μm) powder, 4% by mass of a binder (EC) and 31% by mass of an organic solvent (terpineol) as a solid electrolyte material. An electrolyte layer forming composition was prepared. This was supplied to the fuel electrode green sheet in a sheet form by a screen printing method and dried to form a solid electrolyte layer green sheet having a thickness of about 10 μm.
また、反応防止層材料としての10%ガドリニウムドープセリア粉末(10%GDC,平均粒子径0.5μm)粉末65質量%と、バインダ(EC)4質量%と、有機溶剤(ターピネオール)31質量%とを混練することにより、ペースト状の反応防止層形成用組成物を調製した。これを上記固体電解質層グリーンシート上にスクリーン印刷法によってシート状に供給し、乾燥させることで、厚みが約5μmの反応防止層グリーンシートを形成した。 Further, 10% gadolinium-doped ceria powder (10% GDC, average particle size 0.5 μm) powder 65% by mass, binder (EC) 4% by mass, organic solvent (terpineol) 31% by mass as a reaction preventing layer material By kneading, a paste-like composition for forming a reaction preventing layer was prepared. This was supplied on the solid electrolyte layer green sheet in a sheet form by screen printing and dried to form a reaction prevention layer green sheet having a thickness of about 5 μm.
このようにして用意した積層グリーンシートを円形に切り抜き、1350℃で共焼成することで、燃料極支持体,燃料極層,固体電解質層および反応防止層が順に一体的に積層されたSOFCのハーフセルを得た。なお、焼成後のハーフセルの形状は、直径20mmの円形となるように調整した。 The thus-prepared laminated green sheet is cut into a circle and cofired at 1350 ° C., so that the fuel electrode support, the fuel electrode layer, the solid electrolyte layer, and the reaction prevention layer are integrally laminated in this order in an SOFC half cell. Got. In addition, the shape of the half cell after baking was adjusted so that it might become a circle with a diameter of 20 mm.
次いで、空気極材料として、平均粒子径が1μmのランタンストロンチウムコバルトフェライト(LSCF)粉末を用い、これにバインダ(EC)および分散媒(TE)を、LSCF:EC:TE=80:3:17の質量比で混合することで、ペースト状の空気極形成用組成物を調製した。そしてこの空気極形成用組成物を、上記で用意したSOFCのハーフセルの反応防止層上にスクリーン印刷法によって円形シート状に供給し、乾燥させることで、空気極層グリーンシートを形成した。その後、空気極層グリーンシートをハーフセルごと1100℃で焼成して層状の空気極を形成することで、評価用のSOFCを得た。なお、空気極の寸法は、直径10mm、厚み約30μmとなるようにスクリーン印刷条件を調整した。 Next, lanthanum strontium cobalt ferrite (LSCF) powder having an average particle diameter of 1 μm is used as an air electrode material, and a binder (EC) and a dispersion medium (TE) are used as the air electrode material, and LSCF: EC: TE = 80: 3: 17. By mixing at a mass ratio, a paste-like composition for forming an air electrode was prepared. The air electrode forming green sheet was formed by supplying the air electrode forming composition onto the SOFC half-cell reaction-preventing layer prepared above in the form of a circular sheet by screen printing and drying. Then, the SOFC for evaluation was obtained by baking the air electrode layer green sheet at 1100 ° C. together with the half cells to form a layered air electrode. The screen printing conditions were adjusted so that the air electrode had a diameter of 10 mm and a thickness of about 30 μm.
[カソードとの接合強度]
評価用のSOFCのカソード表面に、用意した例1−1〜1−12の接合用ペーストを乾燥膜厚が約40μmとなるようそれぞれ塗布し、乾燥させた後、850℃で焼成することで、接合層を形成した。そしてこの接合層とSOFCのカソードとの物理的(機械的)接合性について評価した。
具体的には、接合層とカソードとの接合強度を、JIS K5600−5−6:1999に規定されるクロスカット試験に準じて評価した。クロスカット試験では、まず、接合層の端部から5mm以上離れた位置に、1mmの間隔で6本の平行なカットを入れることで、25マスの格子パターンを形成した。そして格子パターンを覆うように幅24mmの透明感圧付着テープ(付着強さ4.01N/mm)を貼り付け、テープのなす角が約60°となる方向に引き剥がしたのち、クロスカットの全面積(25マス)に占める剥がれた部分の面積割合(剥離面積率)P(%)を算出した。
[Joint strength with cathode]
By applying the prepared bonding pastes of Examples 1-1 to 1-12 to the cathode surface of the SOFC for evaluation so that the dry film thickness is about 40 μm, drying, and firing at 850 ° C., A bonding layer was formed. The physical (mechanical) bondability between this bonding layer and the SOFC cathode was evaluated.
Specifically, the bonding strength between the bonding layer and the cathode was evaluated in accordance with a crosscut test defined in JIS K5600-5-6: 1999. In the cross-cut test, first, a grid pattern of 25 squares was formed by making six parallel cuts at 1 mm intervals at a position 5 mm or more away from the end of the bonding layer. Then, a transparent pressure-sensitive adhesive tape with a width of 24 mm (adhesion strength: 4.01 N / mm) is applied to cover the lattice pattern, and the tape is peeled off in a direction where the angle formed by the tape is about 60 °. The area ratio (peeling area ratio) P (%) of the peeled portion in the area (25 squares) was calculated.
そして下記に示すように、接合部材の剥離面積率Pに対応した評価記号を、表1の「カソード接合強度」の欄に示した。なお、下記の評価記号は、日本塗料検査協会の碁盤目試験の評価点数と概ね対応しており、「×」は0点に、「△」は2点に、「〇」は4〜6点に、「◎」は8〜10点に相当する。
×:65<P
△:35<P≦65
○: 5<P≦35
◎: 0≦P≦5
As shown below, the evaluation symbols corresponding to the peeled area ratio P of the joining member are shown in the “cathode joining strength” column of Table 1. In addition, the following evaluation symbols generally correspond to the score of the cross-cut test of the Japan Paint Inspection Association, “×” is 0 point, “△” is 2 points, “◯” is 4-6 points In addition, “◎” corresponds to 8 to 10 points.
×: 65 <P
Δ: 35 <P ≦ 65
○: 5 <P ≦ 35
A: 0 ≦ P ≦ 5
[金属製ICとの接合強度]
上記のSOFCのカソードに代えて、金属製インターコネクタ(IC)の表面に、用意した例1−1〜1−12の接合用ペーストを乾燥膜厚が約40μmとなるようそれぞれ塗布し、乾燥させた後、850℃で焼成することで、接合層を形成した。そしてこの接合層と金属製ICとの物理的(機械的)接合性について、上記カソードについての試験と同様に評価し、その結果を、表1の「IC接合強度」の欄に示した。
[Joint strength with metal IC]
Instead of the above-mentioned SOFC cathode, each of the prepared bonding pastes of Examples 1-1 to 1-12 was applied to the surface of a metal interconnector (IC) so that the dry film thickness was about 40 μm and dried. After that, the bonding layer was formed by firing at 850 ° C. The physical (mechanical) bondability between the bonding layer and the metal IC was evaluated in the same manner as in the test for the cathode, and the result is shown in the “IC bonding strength” column of Table 1.
なお、金属製ICとしては、Co3O4コーティングの前駆層を備えたフェライト系ステンレス板を用いた。具体的には、この金属製ICは、フェライト系ステンレス板の表面にNiをストライクめっきして下処理をしたのち、CoめっきにてCo膜を形成したものである。この金属製ICには、上記850℃の焼成による熱処理によって、最表面にCo3O4スピネル相を主体とするCo3O4コーティングが形成されるように設計されている。Coめっきは、Co3O4コーティングの厚みが約5μmとなるように形成した。なお、この金属製ICは、上記熱処理によってステンレス板の表面にCrが析出し得るが、その最表面にCo3O4コーティングが存在することによってCrの拡散(Cr被毒)が抑制されている。 In addition, as a metal IC, a ferritic stainless steel plate provided with a precursor layer of Co 3 O 4 coating was used. Specifically, this metal IC is obtained by forming a Co film by Co plating after strike-treating Ni on the surface of a ferritic stainless steel plate and performing a pretreatment. This metallic IC is by heat treatment sintering of the 850 ° C., are designed to Co 3 O 4 coating composed mainly of Co 3 O 4 spinel phase on the outermost surface. The Co plating was formed so that the thickness of the Co 3 O 4 coating was about 5 μm. In this metallic IC, Cr can precipitate on the surface of the stainless steel plate by the heat treatment, but the diffusion of Cr (Cr poisoning) is suppressed by the presence of the Co 3 O 4 coating on the outermost surface. .
[接触抵抗率]
接合用ペーストを焼成して得られる接合部材と金属製ICとの電気的接合性について評価した。具体的には、用意した例1−1〜1−12の接合用ペーストを、上記と同様のCo3O4コーティングを設けたフェライト系ステンレス板(25mm×25mm)のコーティング層の側の表面に塗布し、850℃で焼成することで、厚みが約30μmの薄層状の接合部材を作製した。そして得られた接合部材と金属製ICとの間に生じる接触抵抗を測定することで、電気的接合性を評価した。接触抵抗は、抵抗率計(型式:ソーラトロン社製ポテンショスタット、SI1287)を用い、700℃の環境下、電圧を±10mVで掃引したときのIV曲線の傾きから算出した。そして得られた接触抵抗率を、表1の「接触抵抗」の欄に評価記号によって示した。なお、各評価記号は、以下の接触抵抗率に対応している。
[Contact resistivity]
The electrical bondability between the bonding member obtained by firing the bonding paste and the metal IC was evaluated. Specifically, the prepared pastes of Examples 1-1 to 1-12 were applied to the surface of the ferritic stainless steel plate (25 mm × 25 mm) provided with the same Co 3 O 4 coating as described above. By applying and firing at 850 ° C., a thin-layer joining member having a thickness of about 30 μm was produced. Then, the electrical resistance was evaluated by measuring the contact resistance generated between the obtained joining member and the metal IC. The contact resistance was calculated from the slope of the IV curve when a voltage was swept at ± 10 mV in an environment of 700 ° C. using a resistivity meter (model: potentiostat manufactured by Solartron, SI1287). The obtained contact resistivity was indicated by an evaluation symbol in the “contact resistance” column of Table 1. Each evaluation symbol corresponds to the following contact resistivity.
×:0.1Ωcm2超
△:0.05Ωcm2超0.1Ωcm2以下
○:0.02Ωcm2超0.05Ωcm2以下
◎:0.02Ωcm2以下
×: 0.1Ωcm 2 than △: 0.05Ωcm 2 ultra 0.1Ωcm 2 following ○: 0.02Ωcm 2 ultra 0.05Ωcm 2 following ◎: 0.02Ωcm 2 below
[EDX分析]
なお、例1−5で作製した接合部材と金属製ICとの接合体の接合部の断面を、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)で観察するとともに、その観察領域の一部について、エネルギー分散型X線分光分析(Energy Dispersive X-ray spectrometry:EDX)を行った。EDX分析装置としては、日本電子(株)製,JSM−6610LAを用い、走査型電子顕微鏡(SEM)による2000倍の観察領域(画像データ)について、LaのL線、SrのL線、FeのK線、CoのK線、CrのK線、OのK線を検出することで、各元素の元素マップを得た。その結果を、図2に示した。図2の各図は、(a)SEM像、(b)Laマップ、(c)Srマップ、(d)Feマップ、(e)Coマップ、(f)Crマップ、(g)Oマップを示している。なお、各元素マップにおいて、対象元素が検出された位置は相対的に白く(明るく)表示される。また、SEM像について示したように、各図の上下方向の下側の帯状部分がフェライト系ステンレス板に、上側が接合部材に、その界面(中央付近)がスピネル層に相当する。
[EDX analysis]
In addition, while observing the cross section of the joined portion of the joined member produced in Example 1-5 and the metal IC with a scanning electron microscope (SEM), about a part of the observation region, Energy dispersive X-ray spectrometry (EDX) was performed. As an EDX analyzer, JSM-6610LA manufactured by JEOL Ltd. was used, and an observation region (image data) of 2000 times by a scanning electron microscope (SEM) was used for La L line, Sr L line, Fe Element maps of each element were obtained by detecting K-rays, Co-K-rays, Cr-K-lines, and O-K-lines. The results are shown in FIG. 2 shows (a) SEM image, (b) La map, (c) Sr map, (d) Fe map, (e) Co map, (f) Cr map, and (g) O map. ing. In each element map, the position where the target element is detected is displayed relatively white (brighter). Further, as shown for the SEM image, the lower band-like portion in the vertical direction of each figure corresponds to the ferritic stainless steel plate, the upper side corresponds to the joining member, and the interface (near the center) corresponds to the spinel layer.
[酸化物相の割合]
また、上記EDX分析にて得られた元素マップ(例えばCoやFe等)を基に、画像解析法によって、各例の接合部の断面におけるペロブスカイト相と酸化物相との割合を調べた。画像解析には、米国国立衛生研究所(NIH)製の画像解析ソフト、Image J(1.45p)を用いた。例1−5のCoマップについて解析した様子を図4(a)〜(d)に例示した。
具体的には、まず(a)に示す元素マップ(ここではCoマップ)から、全領域が接合部で占められるように接合部の領域を切取り、画像解析に供した(b〜d参照)。次いで、画像全体に対し、Binary(二値化)サブメニューにてMake Binary(二値化画像の作成)処理を行い、(b)に示す二値画像を得た。ここで、Coが多く検出された領域が白、Coが多く検出されなかった領域が黒で表されている。次いで、NioseサブメニューにてDespeckle(ノイズ除去)処理をした後、Binary(二値化)サブメニューにてDilate(ダイレーション)処理を行い、再びNioseサブメニューにて、Remove Outliers (外れ値の除去)処理を行ったのち、Binary(二値化)サブメニューにて、Erode(エロージョン)処理を行うことで、(c)に示す図を得た。なお、外れ値の除去条件は、Radius(半径):2pixels、Threshold(閾値):50、Which Outliers(外れ方向):brightとした。以上の処理により、Coマップを、酸化物相の領域(白)と、ペロブスカイト相の領域(黒)とに区別した。次いで、Analyze Particles(粒子解析)処理を行うことで、(d)に示すように、このバイナリー画像における酸化物相領域(白)の数を数え、その面積(単位:ピクセル)等の計測を実施した。この結果から、次式:酸化物相の面積率(%)=酸化物相領域の面積(白色部のピクセル数)÷接合部解析全面積(全ピクセル数)×100);として酸化物相の面積率を算出し、表1に示した。
[Ratio of oxide phase]
Further, the ratio of the perovskite phase to the oxide phase in the cross section of the joint portion in each example was examined by an image analysis method based on the element map (for example, Co, Fe, etc.) obtained by the EDX analysis. For image analysis, image analysis software Image J (1.45p) manufactured by National Institutes of Health (NIH) was used. FIGS. 4A to 4D illustrate how the Co map of Example 1-5 was analyzed.
Specifically, first, the region of the junction was cut out from the elemental map shown in (a) (here, Co map) so that the entire region was occupied by the junction, and subjected to image analysis (see b to d). Next, the entire image was subjected to Make Binary (binarized image creation) processing in the Binary (binarization) submenu to obtain a binary image shown in (b). Here, a region where a large amount of Co is detected is represented by white, and a region where a large amount of Co is not detected is represented by black. Next, after performing Despeckle (noise removal) processing in the Niose submenu, Dilate processing is performed in the Binary (binarization) submenu, and Remove Outliers (removing outliers in the Niose submenu). ) After processing, the figure shown in (c) was obtained by performing Erode processing in the Binary (binarization) submenu. The outlier removal conditions were Radius: 2 pixels, Threshold: 50, and Which Outliers: bright. By the above processing, the Co map was distinguished into an oxide phase region (white) and a perovskite phase region (black). Next, Analyze Particles (particle analysis) processing is performed, and as shown in (d), the number of oxide phase regions (white) in this binary image is counted and the area (unit: pixel) is measured. did. From this result, the following formula: oxide phase area ratio (%) = area of oxide phase region (number of pixels in white part) ÷ total area of junction analysis (total number of pixels) × 100); The area ratio was calculated and shown in Table 1.
[評価]
表1に示されるように、接合用ペースト中に含まれるCo−Fe合金の割合が多くなるほど、焼成後に得られる接合部における酸化物相の割合が増えることがわかった。なお、例1−12で面積率が0%となっているのは、全体が酸化物相となって二値化できなかったことによるものであり、実際は酸化物相100%の意味である。また、接合部の物性については、CTEが比較的大きいペロブスカイト型酸化物粉体(ABO3)に対し、合金粉体(Alloy)を加えて接合用ペーストを調製することで、得られる接合部材のCTEを合金粉体の混合比(質量比)に応じて変化させられることがわかった。本例の接合用ペーストを焼成して得られる接合部材のCTEは、19.2×10-6/K〜18.0×10-6/Kの範囲で変化することが確認できた。また、例1−1、1−2に示されるように、接合用ペーストのペロブスカイト型酸化物粉末に加える合金粉末の量が少ないと、形成される接合部材とカソードとの接合強度は十分であるものの、従来と同様に金属製ICとの良好な接合を実現することができず、接合強度は極めて低くなってしまう。これは、金属製ICの表面に焼成によってスピネル層(スピネルコーティング)が形成され、このスピネル層と、ペロブスカイト型酸化物粉体のみを用いた接合部材との接合性が良好ではないことによる。具体的には示さないが、合金粉末を加えない接合用ペーストでは、金属製ICとの接合強度はさらに低くなる。このことから、接合用ペーストに合金粉末を加えることで、金属製ICのスピネル層と接合部材との接合性を改善できることがわかった。また、これら接合部材と金属製ICとの接合性を接触抵抗により評価すると、接合用ペーストに加える合金粉末の割合は、5質量%程度以上とすることがよく、10質量%程度以上が好適であり、20質量%程度以上とすることがより好適であることがわかった。
[Evaluation]
As shown in Table 1, it was found that the proportion of the oxide phase in the joint obtained after firing increased as the proportion of the Co—Fe alloy contained in the joining paste increased. In Example 1-12, the area ratio of 0% is due to the fact that the whole became an oxide phase and could not be binarized, and actually means 100% of the oxide phase. In addition, as for the physical properties of the joint part, the joint member obtained by preparing a joining paste by adding alloy powder (Alloy) to the perovskite oxide powder (ABO 3 ) having a relatively large CTE. It was found that CTE can be changed according to the mixing ratio (mass ratio) of the alloy powder. CTE of the joining member obtained by firing the bonding paste of this example, it was confirmed that changes in the range of 19.2 × 10 -6 /K~18.0×10 -6 / K . Further, as shown in Examples 1-1 and 1-2, when the amount of alloy powder added to the perovskite oxide powder of the bonding paste is small, the bonding strength between the formed bonding member and the cathode is sufficient. However, as in the prior art, it is not possible to achieve good bonding with a metal IC, and the bonding strength is extremely low. This is because a spinel layer (spinel coating) is formed on the surface of the metal IC by firing, and the bonding property between the spinel layer and the bonding member using only the perovskite oxide powder is not good. Although not specifically shown, the bonding strength with the metal IC is further reduced with a bonding paste to which no alloy powder is added. From this, it was found that by adding an alloy powder to the bonding paste, the bonding property between the spinel layer of the metal IC and the bonding member can be improved. Further, when the bondability between the bonding member and the metal IC is evaluated by contact resistance, the ratio of the alloy powder added to the bonding paste is preferably about 5 mass% or more, and preferably about 10 mass% or more. It was found that it is more preferable to set the content to about 20% by mass or more.
その一方で、例1−3〜12に示されるように、接合用ペースト中にある程度の量の合金粉末を含ませることで、接合部材とカソードおよび金属製ICとの両方の接合強度を十分に高くできることがわかった。しかしながら、接合用ペースト中に過剰の合金粉末を含ませると、金属製ICとの接合強度は十分に得られるものの、例1−11、1−12に示されるように、カソードとの接合強度は却って低下してしまうことがわかった。したがって、接合用ペーストに加える合金粉末の割合は、80質量%程度以下とすることがよく、70質量%程度以下とすることが好適であり、例えば50質量%程度以下とすることがより好適であることがわかった。 On the other hand, as shown in Examples 1-3 to 12, by including a certain amount of alloy powder in the bonding paste, the bonding strength of both the bonding member, the cathode, and the metal IC can be sufficiently increased. I knew it could be higher. However, if excessive alloy powder is included in the bonding paste, the bonding strength with the metal IC can be sufficiently obtained, but as shown in Examples 1-11 and 1-12, the bonding strength with the cathode is On the other hand, it turned out that it fell. Therefore, the ratio of the alloy powder added to the bonding paste is preferably about 80% by mass or less, preferably about 70% by mass or less, and more preferably about 50% by mass or less. I found out.
また、EDX分析の結果から、図2のSEM像に示されるように、接合体は、緻密なステンレス板の表面に形成されたスピネル層の上に、接合部材が形成されていることが確認できる。(d)Feマップ、(f)Crマップに示されるように、フェライト系ステンレス板の位置には、他の部位に比べてFeおよびCrが高濃度に存在することがわかる。また、例えば(e)(f)(g)の比較から解るように、ステンレス板の表面には、熱処理によってスピネル層であるCo3O4コーティングが形成されていることがわかる。そして、(d)(e)に示されるように、接合部材のうちで合金粉体が存在していた箇所には、Fe−Co合金粒子に由来するFe、Coが丸く高濃度で検出されることがわかった。これに対し、(b)(c)に示されるように、当該Fe−Co合金粒子に対応する位置では、Fe,Coではない測定対象元素(La,Sr)が丸く低濃度に検出されることがわかった。また、接合用ペースト中のFe−Co合金粉体は焼成によって酸化されやすいため、(g)に示されるように、Fe−Co合金粒子に対応する位置にはOが高濃度で検出され、Fe−Co合金が酸化されていることがわかった。具体的には示していないが、FeとCoとは主としてCoFe2O4からなるスピネル型複酸化物を構成しており、部分的に少量のCo3O4、Fe3O4を形成することが確認されている。さらに、(b)(c)(e)(g)などから解るように、接合部材のうちで合金粉体が存在していない箇所には、ペロブスカイト型酸化物粉末を構成するLa、Sr、Co、Oが概ね均一な濃度で存在することが確認できた。 Moreover, from the result of the EDX analysis, as shown in the SEM image of FIG. 2, it can be confirmed that the joined member is formed on the spinel layer formed on the surface of the dense stainless steel plate. . As shown in (d) Fe map and (f) Cr map, it can be seen that Fe and Cr are present at a higher concentration in the position of the ferritic stainless steel plate than in other parts. Further, for example, as can be seen from the comparison of (e), (f), and (g), it can be seen that a Co 3 O 4 coating as a spinel layer is formed on the surface of the stainless steel plate by heat treatment. Then, as shown in (d) and (e), Fe and Co derived from Fe—Co alloy particles are detected in a round and high concentration at the location where the alloy powder was present in the joining member. I understood it. On the other hand, as shown in (b) and (c), at the position corresponding to the Fe—Co alloy particles, the element to be measured (La, Sr) that is not Fe or Co is detected in a round and low concentration. I understood. In addition, since the Fe—Co alloy powder in the bonding paste is easily oxidized by firing, O is detected at a high concentration at a position corresponding to the Fe—Co alloy particles as shown in FIG. It was found that the -Co alloy was oxidized. Although not specifically shown, Fe and Co constitute a spinel-type double oxide mainly composed of CoFe 2 O 4 and partially form a small amount of Co 3 O 4 and Fe 3 O 4. Has been confirmed. Furthermore, as can be seen from (b), (c), (e), and (g), La, Sr, and Co that constitute the perovskite type oxide powder are present at locations where no alloy powder is present in the joining member. , O was confirmed to be present at a substantially uniform concentration.
ここで、(f)Crマップに示されるように、フェライト系ステンレス板の領域にはCrが確認できるが、接合部材の領域にはCrの存在は確認できない。従来の金属製ICとカソードとの接合構造によると、ステンレス表面にCr2O3からなる不動態層を形成するためにステンレス中のCrが表面に向かって移動するとともに、このCrは、接合部材中を拡散し、カソードにまで到達していた。そしてカソード材料であるLSCFのSr等と反応してSrCrO4を形成し、カソードの反応効率を低下させる原因となっていた。これに対し、ここに開示される接合構造においては、接合部材にCrはほぼ見られない。換言すると、ステンレス板の表面をスピネル層によってコーティングすることで、ステンレス板から拡散してきたCrをスピネル層で補足し、接合部材およびカソードへのCrの拡散を抑制することができる。また、上述のように、ここに開示される接合部材によると、このスピネル層を備える金属製ICと接合部材との接合を強固なものとすることができ、接合界面における接触抵抗を低く抑えることができる。したがって、ここに開示される接合体は、金属製ICを用いた場合であってもカソードのCr被毒を抑制しつつ、金属製ICとカソードとの高強度で低抵抗な接合を実現していることが確認できた。 Here, as shown in (f) Cr map, Cr can be confirmed in the region of the ferritic stainless steel plate, but the presence of Cr cannot be confirmed in the region of the joining member. According to the conventional joining structure of the metal IC and the cathode, Cr in the stainless steel moves toward the surface in order to form a passive layer made of Cr 2 O 3 on the stainless steel surface. It diffused inside and reached the cathode. Then, it reacts with Sr of LSCF, which is a cathode material, to form SrCrO 4, which causes a reduction in the reaction efficiency of the cathode. On the other hand, in the joining structure disclosed here, Cr is hardly seen in the joining member. In other words, by coating the surface of the stainless steel plate with the spinel layer, Cr diffused from the stainless steel plate can be supplemented by the spinel layer, and the diffusion of Cr to the joining member and the cathode can be suppressed. Further, as described above, according to the bonding member disclosed herein, the bonding between the metal IC having the spinel layer and the bonding member can be strengthened, and the contact resistance at the bonding interface can be kept low. Can do. Therefore, the joined body disclosed here realizes high strength and low resistance joining between the metal IC and the cathode while suppressing the Cr poisoning of the cathode even when the metal IC is used. It was confirmed that
[試験例2]
[接合用材料の用意]
上記試験例1と同様にして、例2−1〜2−5の接合用ペーストを調製した。ただし、接合用ペーストにおける、合金粉体(Alloy)とペロブスカイト型酸化物粉体(ABO3)との混合比(質量%比)は20:80で一定とした。また、合金(Fe−50%Co)粉体とペロブスカイト型酸化物(La0.6Sr0.4CoO3)粉体の平均粒子径およびその組み合わせを下記表2に示すように変化させた。なお、その他の条件は試験例1と同様にした。
[Test Example 2]
[Preparation of joining materials]
In the same manner as in Test Example 1, bonding pastes of Examples 2-1 to 2-5 were prepared. However, the mixing ratio (mass% ratio) of the alloy powder (Alloy) and the perovskite oxide powder (ABO 3 ) in the bonding paste was constant at 20:80. Further, the average particle diameter of the alloy (Fe-50% Co) powder and the perovskite oxide (La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 ) powder and the combination thereof were changed as shown in Table 2 below. The other conditions were the same as in Test Example 1.
用意した例2−1〜2−5の接合用ペーストを用いて、試験例1と同様にして、接合部材とカソードまたは金属製ICとの接合強度、ならびに接触抵抗をそれぞれ調べた。その結果を、下記の表2に示した。 Using the prepared bonding pastes of Examples 2-1 to 2-5, the bonding strength between the bonding member and the cathode or the metal IC and the contact resistance were examined in the same manner as in Test Example 1. The results are shown in Table 2 below.
表2の例2−1,2−3,2−4に示されるように、接合用ペーストを構成する粉末の平均粒子径は、合金粉末については、小さくしても大きくしても各種接合性に影響は見られないことがわかる。しかしながら、ペロブスカイト型酸化物粉末については、比較的小粒径の場合に接合部材とカソードおよび金属製ICとの接合が良好になることがわかった。特に本試験例は、ペロブスカイト型酸化物粉末に対する合金粉末の割合が比較的少ない条件であることから、ペロブスカイト型酸化物粉末の平均粒子径が大きすぎると焼結後の接合部材におけるペロブスカイト型酸化物粉末の気孔部分に合金粉末が十分充填できず、接合性の低下が生じる虞がある。しかしながら、ペロブスカイト型酸化物粉末の平均粒子径を合金粉末よりも小さく設定することで、比較的良好な接合が実現できることがわかった。
As shown in Examples 2-1, 2-3, and 2-4 of Table 2, the average particle diameter of the powder constituting the bonding paste is various bondability, whether it is small or large for the alloy powder. It can be seen that no effect is seen. However, with respect to the perovskite type oxide powder, it has been found that when the particle size is relatively small, the bonding between the bonding member, the cathode, and the metal IC is good. Particularly in this test example, since the ratio of the alloy powder to the perovskite oxide powder is relatively small, if the average particle size of the perovskite oxide powder is too large, the perovskite oxide in the sintered bonded member There is a possibility that the porosity of the powder cannot be sufficiently filled with the alloy powder, and the bondability is deteriorated. However, it has been found that relatively good bonding can be realized by setting the average particle size of the perovskite oxide powder to be smaller than that of the alloy powder.
[試験例3]
[接合用材料の用意]
合金粉体の組成とペロブスカイト型酸化物粉体の組成とを、下記の表3のとおり変化させ、その他の条件(各粉体の平均粒子径および配合)は上記試験例1の例1−5と同様にして、例3−1〜3−5の接合用ペーストを調製した。合金粉体としては、Fe−Co合金、Fe−Ni合金、Cu−Fe合金を用いた。
[Test Example 3]
[Preparation of joining materials]
The composition of the alloy powder and the composition of the perovskite type oxide powder were changed as shown in Table 3 below, and other conditions (average particle diameter and blending of each powder) were as described in Example 1-5 of Test Example 1 above. In the same manner, the bonding pastes of Examples 3-1 to 3-5 were prepared. As the alloy powder, an Fe—Co alloy, an Fe—Ni alloy, or a Cu—Fe alloy was used.
なお、これらの合金は焼成により酸化されて、Fe−Co合金はCoFe2O4を主相とする酸化物相に、Fe−Ni合金はNiFe2O4を主相とする酸化物相に、Cu−Fe合金はCuFe2O4を主相とする酸化物相に変化する。そこで、合金粉体に代えて、高温で安定な酸化物であるCo3O4、NiO、Fe2O3を使用することで、例3−6〜8の接合用ペーストを調製した。 These alloys are oxidized by firing, and the Fe—Co alloy is converted into an oxide phase having CoFe 2 O 4 as a main phase, and the Fe—Ni alloy is converted into an oxide phase having NiFe 2 O 4 as a main phase. The Cu—Fe alloy changes to an oxide phase having CuFe 2 O 4 as a main phase. Therefore, in place of the alloy powder, Co 3 O 4 , NiO, and Fe 2 O 3 , which are oxides stable at high temperatures, were used to prepare bonding pastes of Examples 3-6 to 8-8.
また、例3−9として合金粉体を使用せずにペロブスカイト型酸化物粉体のみを用いた接合用ペーストを、例3−10として粉体としてスピネル構造を有するMnCo2O4のみを使用した接合用ペーストを、例3−11として合金粉体に代えてスピネル構造を有するMnCo2O4を使用した接合用ペーストを、それぞれ作製した。 Further, as Example 3-9, a bonding paste using only a perovskite type oxide powder without using an alloy powder was used, and as Example 3-10, only MnCo 2 O 4 having a spinel structure was used as a powder. The bonding paste was prepared by using MnCo 2 O 4 having a spinel structure instead of the alloy powder as Example 3-11.
そして用意した例3−1〜3−11の接合用ペーストを用い、試験例1と同様にして、接合部材のCTE、接合部材とカソードまたは金属製ICとの接合強度、および接触抵抗をそれぞれ調べた。その結果を、下記の表3に示した。
また、参考までに、Fe−Ni合金のみを含むペーストとFe−Co合金のみを含むペースト(例1−12参照)とを、850℃で焼成した焼成体についてのXRD分析結果を、図3(1)および(2)に示した。
Then, using the prepared bonding pastes of Examples 3-1 to 11-11, similarly to Test Example 1, the CTE of the bonding member, the bonding strength between the bonding member and the cathode or the metal IC, and the contact resistance were examined. It was. The results are shown in Table 3 below.
For reference, an XRD analysis result of a fired body obtained by firing a paste containing only an Fe—Ni alloy and a paste containing only an Fe—Co alloy (see Example 1-12) at 850 ° C. is shown in FIG. The results are shown in 1) and (2).
例3−1〜3−5に示されるように、合金粉体は、Fe,Co,Ni,Cuのうちの2つ以上からなる組成であれば、カソードおよび金属製ICに対する良好な接合性を有する接合部材を形成できることがわかった。ただし、AサイトにLaしか含まないペロブスカイト型酸化物粉末を用いた例3−5については、例えば例3−1、3−4と比較してカソードおよび金属製ICに対する接合性は良好であるにもかかわらず、接触抵抗が高くなるという結果であった。したがって、接合用ペーストに添加するペロブスカイト型酸化物粉末としては、AサイトにLaのほかに第二の元素(ここではSr)を含むとよいことが解った。 As shown in Examples 3-1 to 3-5, if the alloy powder has a composition composed of two or more of Fe, Co, Ni, and Cu, it has good bondability to the cathode and the metal IC. It was found that a joining member having the same can be formed. However, in Example 3-5 using the perovskite type oxide powder containing only La at the A site, the bondability to the cathode and the metal IC is better than that of Examples 3-1 and 3-4, for example. Nevertheless, the result was a high contact resistance. Accordingly, it has been found that the perovskite oxide powder added to the bonding paste preferably contains a second element (here, Sr) in addition to La at the A site.
なお、図3に示すように、例3−1および例3−2の接合用ペーストを焼成すると、合金粉体が焼成されてスピネル相を主相とし、その他の酸化物相を副相とする焼成体(接合部材)が得られることが解る。このことから、例3−1〜3−5の接合用ペーストに用いた合金粉体は、焼成によって酸化され、接合部材においては主としてCoFe2O4、NiFe2O4、CuFe2O4等の複酸化物の形態で存在しているといえる。これに対し、例3−6〜3−8では、合金粉体に代えて、上記元素のいずれか1種の酸化物(Co3O4、NiO、またはFe2O3)粉体を用いて接合用ペーストを調製し、接合体を形成している。したがって、例3−6〜3−8の接合体にはCo,Ni,Feが、Co3O4、NiO、Fe2O3の形態で存在している。この例3−6〜3−8の接合部材についてのCTEは、例3−1等の接合部材におけるCTEと大きく変わらない。にもかかわらず、例3−6〜3−8の接合体では、金属製ICに対する接合性が大きく低下し、また、接触抵抗も大幅に高くなってしまう。このことから、接合部材におけるFe,Co,Ni,Cu等の元素は、少なくともスピネル型結晶構造を有する酸化物の形態で含まれていることが、金属製ICのスピネル層との接合性と抵抗特性とを高める上で好ましいことがわかる。延いては、Fe,Co,Ni,Cu等の元素は、接合用ペースト中に安定な酸化物として存在するのではなく、例えば合金の形態で添加されて存在しているのがよいと言える。また、Fe,Co,Ni,Cu等が金属の単体として存在するのではなく、2種以上の合金の形態で存在することで、焼成中に接合部材中にスピネル相を好適に形成しやすく、金属製ICとの良好な接合を実現できるために好ましいといえる。 As shown in FIG. 3, when the bonding pastes of Examples 3-1 and 3-2 are fired, the alloy powder is fired to have a spinel phase as a main phase and other oxide phases as subphases. It can be seen that a fired body (joining member) is obtained. From this, the alloy powders used in the bonding pastes of Examples 3-1 to 3-5 are oxidized by firing, and the bonding member mainly includes CoFe 2 O 4 , NiFe 2 O 4 , CuFe 2 O 4, and the like. It can be said that it exists in the form of a double oxide. On the other hand, in Examples 3-6 to 3-8, an oxide powder (Co 3 O 4 , NiO, or Fe 2 O 3 ) of any one of the above elements is used instead of the alloy powder. A bonding paste is prepared to form a bonded body. Therefore, Co, Ni, and Fe are present in the joined bodies of Examples 3-6 to 3-8 in the form of Co 3 O 4 , NiO, and Fe 2 O 3 . The CTE for the joining members in Examples 3-6 to 3-8 is not significantly different from the CTE in the joining member in Example 3-1. Nevertheless, in the joined bodies of Examples 3-6 to 3-8, the bondability to the metal IC is greatly reduced, and the contact resistance is also greatly increased. From this, it is understood that elements such as Fe, Co, Ni, and Cu in the joining member are contained at least in the form of an oxide having a spinel crystal structure. It can be seen that it is preferable to improve the characteristics. In other words, it can be said that elements such as Fe, Co, Ni, and Cu are not present as stable oxides in the bonding paste, but are preferably added in the form of an alloy, for example. In addition, Fe, Co, Ni, Cu and the like are not present as a single metal, but are present in the form of two or more alloys, so that it is easy to suitably form a spinel phase in the joining member during firing, It can be said that it is preferable because good bonding with a metal IC can be realized.
これに対し、接合性ペーストに合金粉末を含まない例3−9については、金属製ICの表面にスピネル層が形成されるものの、接合部材中にスピネル相は形成されない。その結果、スピネル層によって金属製ICからのCrの拡散を抑制することはできるものの、このスピネル層を備える金属製ICと接合部材との接合強度が顕著に低下してしまうことが確認できた。 On the other hand, in Example 3-9 in which the alloy paste is not included in the bonding paste, a spinel layer is formed on the surface of the metal IC, but no spinel phase is formed in the bonding member. As a result, although it was possible to suppress the diffusion of Cr from the metallic IC by the spinel layer, it was confirmed that the bonding strength between the metallic IC provided with the spinel layer and the bonding member was significantly reduced.
金属製ICとして用いたステンレス板の表面には、Co3O4コーティングの前駆層が備えられていたことから、金属製ICには焼成によってスピネル層が形成される。このスピネル層によって、ステンレス板から接合部材に向けて拡散してくるCrを補足し、接合部材およびカソードへのCrの拡散を抑制することができる。ここで、金属製ICのステンレス板の表面にスピネル層が形成されないと、ステンレス板に含まれるCrは接合部材中を拡散し、カソードに到達し得る。その結果、拡散したCrは、接合部材やカソードに含まれるランタンストロンチウムコバルタイト(La0.6Sr0.4CO3)等に含まれるSr等と反応してSrCrO4を形成し、接合部材およびカソードの特性を悪化させる。これに対し、ここに開示される接合構造では、金属製ICの表面にはスピネル層が備えられているとともに、接合部材中にもスピネル相が存在する。このことにより、スピネル層によりCrの拡散を抑制するとともに、このスピネル層を備える金属製ICと接合部材との接合を強固なものとすることができ、接合界面における接触抵抗を低く抑えることができる。したがって、ここに開示される接合体は、金属製ICを用いた場合であってもカソードのCr被毒を抑制しつつ、金属製ICとカソードとの強固な接合を実現することができる。 Since the surface of the stainless steel plate used as the metal IC was provided with a precursor layer of Co 3 O 4 coating, a spinel layer was formed on the metal IC by firing. By this spinel layer, Cr diffused from the stainless steel plate toward the joining member can be captured, and the diffusion of Cr to the joining member and the cathode can be suppressed. Here, if the spinel layer is not formed on the surface of the stainless steel plate of the metal IC, Cr contained in the stainless steel plate can diffuse in the joining member and reach the cathode. As a result, the diffused Cr reacts with Sr contained in the lanthanum strontium cobaltite (La 0.6 Sr 0.4 CO 3 ) contained in the joining member and the cathode to form SrCrO 4 , and the properties of the joining member and the cathode are improved. make worse. On the other hand, in the joining structure disclosed here, a spinel layer is provided on the surface of the metallic IC, and a spinel phase is also present in the joining member. Accordingly, the diffusion of Cr can be suppressed by the spinel layer, the bonding between the metal IC having the spinel layer and the bonding member can be strengthened, and the contact resistance at the bonding interface can be suppressed low. . Therefore, the joined body disclosed here can realize strong joining between the metallic IC and the cathode while suppressing Cr poisoning of the cathode even when the metallic IC is used.
また、例3−10、3−11の接合ペーストは、合金粉体の代わりに、スピネル型結晶構造のMnCo2O4粉体を含み、接合部材もまたMnCo2O4相を含む。金属製ICとして使用したフェライト系ステンレス鋼の一般的なCTEは7×10−6〜12×10−6/K程度と低く、また、金属ICの表面に備えられるスピネル層のCTEは例えばMnCo2O4(バルク)で13×10−6/K程度である。したがって、例3−10、3−11の接合部材は、金属ICの表面に備えられるスピネル層と共通のMnCo2O4相を有し、かつ、CTEも近いという観点から、金属製ICとの接合が良好になったと考えられる。しかしながら、例3−10の接合部材は、ペロブスカイト型酸化物粉末を含まないペーストから形成されているためにカソードとの接合性が良好ではなく、接触抵抗が高くなってしまうことが確認された。また、例3−11の接合部材は、ペロブスカイト型酸化物粉末を含むためにカソードと金属製ICの両方との接合性が良好であるるものの、接触抵抗が高く、接合部材とスピネル層の電気的な接合が良好ではないと考えられる。このことからも、接合ペーストに添加するFe,Co,Ni,Cu等の元素は、酸化物の形態ではなく、合金の形態であるとよいことがわかる。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
Further, the bonding pastes of Examples 3-10 and 3-11 include MnCo 2 O 4 powder having a spinel crystal structure instead of the alloy powder, and the bonding member also includes a MnCo 2 O 4 phase. The general CTE of ferritic stainless steel used as a metal IC is as low as about 7 × 10 −6 to 12 × 10 −6 / K, and the CTE of the spinel layer provided on the surface of the metal IC is, for example, MnCo 2 It is about 13 × 10 −6 / K in O 4 (bulk). Therefore, the joining members of Examples 3-10 and 3-11 have the same MnCo 2 O 4 phase as that of the spinel layer provided on the surface of the metal IC, and are close to the CTE from the viewpoint of the metal IC. It is thought that the bonding was improved. However, it was confirmed that the joining member of Example 3-10 was formed from a paste containing no perovskite oxide powder, so that the joining property with the cathode was not good and the contact resistance was increased. Moreover, although the joining member of Example 3-11 contains perovskite-type oxide powder, the joining property between both the cathode and the metal IC is good, but the contact resistance is high, and the electrical properties of the joining member and the spinel layer are high. It is considered that general bonding is not good. This also shows that elements such as Fe, Co, Ni, and Cu added to the bonding paste are preferably in the form of an alloy rather than in the form of an oxide.
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
1 SOFCスタック
10,10A,10B 単セル
20 空気極(カソード)
30 固体電解質
40 燃料極(アノード)
50,50A 金属製インターコネクタ
52 ,54 セル対向面
53 空気流路
55 燃料ガス流路
1 SOFC stack 10, 10A, 10B Single cell 20 Air electrode (cathode)
30 Solid electrolyte 40 Fuel electrode (anode)
50, 50A Metal interconnectors 52, 54 Cell facing surface 53 Air flow path 55 Fuel gas flow path
Claims (13)
前記金属製インターコネクタは、
少なくともFeとCrとを含む金属基材と、
前記金属基材の前記接合部材に対向する側の表面に備えられ、一般式:M1 3O4(ただし、式中のM1は、遷移金属から選択される1以上の元素);で表される第1スピネル相を含むスピネル層と、を備え、
前記接合部材は、
一般式:ABO3(ただし、式中のAは、La、SrおよびBaからなる群から選択される2以上の元素であり、Bは、少なくともCoを含む1以上の元素);で表されるペロブスカイト相と、
一般式:M2 3O4(ただし、式中のM2は、Ni、Fe,CoおよびCuからなる群から選択される2以上の元素);で表される酸化物相と、
を含む、接合構造。 An air electrode of a solid oxide fuel cell, a metal interconnector, and a joining member that joins the air electrode and the metal interconnector,
The metal interconnector is
A metal substrate containing at least Fe and Cr;
Provided on the surface of the metal substrate facing the joining member, represented by the general formula: M 1 3 O 4 (wherein M 1 is one or more elements selected from transition metals); A spinel layer including a first spinel phase,
The joining member is
General formula: ABO 3 (wherein A is two or more elements selected from the group consisting of La, Sr and Ba, and B is one or more elements including at least Co); Perovskite phase,
An oxide phase represented by the general formula: M 2 3 O 4 (wherein M 2 is two or more elements selected from the group consisting of Ni, Fe, Co and Cu);
Including junction structure.
ここで、前記金属製インターコネクタは、
少なくともFeとCrとを含む金属基材と、
前記金属基材の前記接合部材に対向する側の表面に備えられ、一般式:M1 3O4(ただし、式中のM1は、遷移金属から選択される1以上の元素を含む。);で表される第1スピネル相を含むスピネル層と、を備え、
前記導電性接合材料は、
一般式:ABO3(ただし、式中のAは、La、SrおよびBaからなる群から選択される2以上の元素であり、Bは、少なくともCoを含む1以上の元素);で表されるペロブスカイト型結晶構造を有するペロブスカイト酸化物粉体と、
Ni、Fe,CoおよびCuからなる群から選択される2以上の元素を含む合金粉体と、を含む、導電性接合材料。 A conductive joining material for forming a joining member for joining an air electrode of a solid oxide fuel cell and a metal interconnector,
Here, the metal interconnector is
A metal substrate containing at least Fe and Cr;
Provided on the surface of the metal substrate facing the joining member, and has a general formula: M 1 3 O 4 (wherein M 1 includes one or more elements selected from transition metals) A spinel layer containing a first spinel phase represented by:
The conductive bonding material is
General formula: ABO 3 (wherein A is two or more elements selected from the group consisting of La, Sr and Ba, and B is one or more elements including at least Co); A perovskite oxide powder having a perovskite crystal structure;
And an alloy powder containing two or more elements selected from the group consisting of Ni, Fe, Co, and Cu.
前記合金粉体の平均粒子径は0.1μm以上10μm以下である、請求項7に記載の導電性接合材料。 The perovskite oxide powder has an average particle size of 0.1 μm to 5 μm,
The conductive bonding material according to claim 7, wherein an average particle size of the alloy powder is 0.1 μm or more and 10 μm or less.
前記ペロブスカイト酸化物粉体は、前記BサイトにCuを含む、請求項9に記載の導電性接合材料。 As the sintering aid, containing Cu-containing powder,
The conductive bonding material according to claim 9, wherein the perovskite oxide powder contains Cu at the B site.
150℃で乾燥後に850℃で焼成したときの焼成収縮率が3%以下である、請求項11に記載の導電性接合材料。 The conductive bonding material prepared in the paste form,
The conductive bonding material according to claim 11, wherein a firing shrinkage rate when dried at 850 ° C. after drying at 150 ° C. is 3% or less.
金属製インターコネクタと、
前記空気極と前記金属製インターコネクタとを接合する接合部材と、
を備え、
前記接合部材は、請求項6〜12のいずれか1項に記載の導電性接合材料の焼成物により構成されている、SOFCスタック。
A solid oxide fuel cell comprising a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode;
A metal interconnector;
A joining member for joining the air electrode and the metal interconnector;
With
The said joining member is a SOFC stack comprised with the baked product of the electroconductive joining material of any one of Claims 6-12.
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