JP4808526B2 - Composite structure, method for producing composite structure, membrane oxygen separator, and membrane reactor - Google Patents

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Description

本発明は酸素イオン伝導性と電子伝導性をあわせ持つ混合伝導性固体電解質セラミックスと、金属部材とが接合された複合構造体及びその製造方法に関する。本複合構造体は、膜式酸素分離、及び膜型反応器への応用に好適である。   The present invention relates to a composite structure in which a mixed conductive solid electrolyte ceramic having both oxygen ion conductivity and electronic conductivity and a metal member are joined, and a method for manufacturing the same. This composite structure is suitable for application to membrane oxygen separation and membrane reactors.

酸素イオン伝導性と電子伝導性をあわせ持つ混合伝導性固体電解質セラミックスを使った代表的な例として、膜式酸素分離及び膜型反応器がある。   Typical examples of using mixed conductive solid electrolyte ceramics having both oxygen ion conductivity and electron conductivity include membrane oxygen separation and membrane reactors.

膜式酸素分離は、酸素分圧の差を駆動力として、酸素イオンが固体電解質内を移動する現象を利用したものである。例えば、高圧の酸素含有ガス(空気等)を固体電解質の片側に供給して、反対側から常圧の酸素を得ることができる。この場合、混合伝導性セラミックスを利用しており、酸素イオンの移動と同時に電子が移動して電荷バランスをとるため、外部回路は不要となる。   Membrane oxygen separation utilizes a phenomenon in which oxygen ions move in a solid electrolyte using a difference in oxygen partial pressure as a driving force. For example, high-pressure oxygen-containing gas (air or the like) can be supplied to one side of the solid electrolyte, and normal-pressure oxygen can be obtained from the opposite side. In this case, mixed conductive ceramics are used, and electrons move simultaneously with the movement of oxygen ions to achieve charge balance, eliminating the need for an external circuit.

膜型反応器は、固体電解質を挟んで炭化水素ガスと酸素含有ガス(例えば、空気)とを供給し、炭化水素ガスを部分酸化させて水素等に変換させるものである。この場合も、混合伝導性セラミックスを利用するため、酸素イオンの移動と同時に電子が移動して電荷バランスをとる。   The membrane reactor supplies a hydrocarbon gas and an oxygen-containing gas (for example, air) with a solid electrolyte interposed therebetween, and partially oxidizes the hydrocarbon gas to convert it into hydrogen or the like. In this case as well, since mixed conductive ceramics are used, electrons move simultaneously with the movement of oxygen ions to achieve a charge balance.

いずれの場合も、異なるガス種を固体電解質セラミックスで隔離する構造となっており、装置本体が金属製であるため、固体電解質セラミックスは、どこかで必ず金属部材と接合されることになる。しかも、接合部においてガスリークがあると、異なるガスの隔離が不完全となり、膜式酸素分離では分離酸素の純度の低下、膜型反応器では変換効率の低下を招く。したがって、固体電解質セラミックスと金属部材との接合部位は、高い接合強度は勿論、十分なガスシール性を付与する必要がある。しかも、固体電解質セラミックス内を酸素イオンが工業上利用できるレベルで移動するには700℃以上の高温が必要であることから、前述のガスシール性を高温で実現しなければならない。   In any case, the structure is such that different gas species are isolated by solid electrolyte ceramics, and the apparatus main body is made of metal, so that the solid electrolyte ceramics is surely joined to a metal member somewhere. In addition, if there is a gas leak at the junction, the separation of different gases becomes incomplete, leading to a decrease in the purity of the separated oxygen in the membrane oxygen separation and a decrease in the conversion efficiency in the membrane reactor. Therefore, it is necessary to provide a sufficient gas sealing property as well as a high bonding strength at the bonding site between the solid electrolyte ceramic and the metal member. In addition, since the high temperature of 700 ° C. or higher is necessary for oxygen ions to move within the solid electrolyte ceramics at a level that can be industrially used, the above-described gas sealing property must be realized at a high temperature.

また、このような接合体は常温から高温までの広い温度領域に晒されるため、熱膨張差に基づく応力発生が接合部位に集中し、脆弱なセラミックスが破壊されたり、セラミックスと金属接合材料の界面で剥離を生じ、ガスシール性が損なわれたりするという問題を解決しなければならない。更に、高温での長期使用を考えると、固体間拡散が容易に起きるため、接合界面における構造変化が原因となって信頼性の低下が起きる問題も解決しなければならない。   In addition, since such a bonded body is exposed to a wide temperature range from room temperature to high temperature, stress generation based on the difference in thermal expansion concentrates on the bonded portion, fragile ceramics are destroyed, and the interface between the ceramic and metal bonding material In this case, it is necessary to solve the problem that peeling occurs and gas sealing performance is impaired. Furthermore, considering long-term use at high temperatures, diffusion between solids occurs easily, so the problem of deterioration in reliability due to structural changes at the bonding interface must be solved.

このように多くの課題を解決するための高度な接合技術が求められる中、シール材としてガラスを用いる技術が従来数多く報告されてきた(例えば、特許文献1〜3参照)。これらは、使用温度に近い高温領域で軟化するガラスの性質を利用したものであり、液体シールに準ずる考え方で高温シール性を実現したものである。しかしながら、ガラスの主成分であるシリカの熱膨張係数は固体電解質セラミックスのそれと比較して極めて低い値であり、熱履歴を加えることによりシール性が損なわれる等、信頼性の点で十分とはいえない。また、長時間の高温での運転でシリカと固体電解質が反応を起こし、固体電解質が劣化するという問題に対しては十分ではなかった。   While high-level joining techniques for solving many problems are required in this way, many techniques using glass as a sealing material have been reported in the past (for example, see Patent Documents 1 to 3). These make use of the property of glass that softens in a high temperature region close to the operating temperature, and realizes high temperature sealing performance based on a concept similar to a liquid seal. However, the thermal expansion coefficient of silica, which is the main component of glass, is extremely low compared to that of solid electrolyte ceramics, and it is sufficient in terms of reliability, such as the sealing performance being impaired by the addition of thermal history. Absent. Further, it has not been sufficient for the problem that the solid electrolyte is deteriorated due to the reaction between silica and the solid electrolyte caused by the operation at a high temperature for a long time.

熱膨張係数を固体電解質に近づけることにより、信頼性を上げようとする試みも報告されている。例えば、特許文献4、5では、ガラスとセラミックスの複合体をシール材料に用いる技術を開示している。しかしながら、この場合でも、シリカとの反応による固体電解質の劣化を防ぐには十分ではなかった。   Attempts have been reported to increase the reliability by bringing the thermal expansion coefficient closer to that of the solid electrolyte. For example, Patent Documents 4 and 5 disclose a technique using a composite of glass and ceramics as a sealing material. However, even in this case, it was not sufficient to prevent the deterioration of the solid electrolyte due to the reaction with silica.

また、シール材としてアルミニウムを用いることによって、表面のみ酸化させてセラミックスとの接合強度を実現しながら、母材であるアルミニウムの高温における軟化現象を利用して熱膨張差に基づく応力発生を抑える技術が、特許文献6で開示されている。但し、アルミニウムの融点である660℃を超えたところで長時間使用するには信頼性の点で問題があった。   In addition, by using aluminum as a sealing material, only the surface is oxidized to realize the bonding strength with ceramics, and the stress generation based on the difference in thermal expansion is suppressed by utilizing the softening phenomenon of aluminum as a base material at a high temperature. Is disclosed in Patent Document 6. However, there has been a problem in terms of reliability when used for a long time at a temperature exceeding 660 ° C., which is the melting point of aluminum.

特開2004−119161号公報JP 2004-119161 A 特開2004−227848号公報JP 2004-227848 A 特開平5−29010号公報JP-A-5-29010 特開2001−135327号公報JP 2001-135327 A 特開平10−321244号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-32244 特開平9−231987号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-231987

上述したように、従来の技術では、十分に信頼性のある接合が実現されていなかった。これは、セラミックスと金属部材というような異種材料を接合し、且つ、これを高温で使用しようとする場合には、常温から高温領域までの広い温度範囲で熱膨張差に基づく応力発生が避け難いという前述の状況が背景があり、これに伴って接合界面近傍のセラミックスの破壊、あるいは接合界面での剥離の発生とガスシール性の低下といった問題が生じていたためである。   As described above, the conventional technique has not realized sufficiently reliable bonding. This is because when dissimilar materials such as ceramics and metal members are joined and they are to be used at high temperatures, it is difficult to avoid stress generation due to thermal expansion differences over a wide temperature range from room temperature to high temperature regions. This is because the above-mentioned situation has a background, and accompanying this, problems such as destruction of ceramics in the vicinity of the bonding interface, occurrence of peeling at the bonding interface, and deterioration of gas sealing performance have occurred.

さらに問題解決を困難にしているのは、この2つの問題が相互に関係している点である。例えば、界面での剥離を避けるために、銀ろうに代表される接合用のシール材料のセラミックスへの密着性を向上させると、シール材料がセラミックスと反応し易くなり、接合界面近傍でセラミックスの破壊が生じ易くなる。一方、接合界面近傍でのセラミックスの破壊を避けるためには、銀ろうの場合、ろう材中の銀以外の成分の量を減らすことが有効である。これによってシール材料のセラミックスとの反応は低減され、セラミックスへのシール材料の浸襲も見られなくなって、セラミックスの破壊は無くなる。しかし、一方、シール材料のセラミックスへの密着性は低下し、今度は接合界面の剥離が生じ易くなる。このように、従来技術の2つの課題の解決は、ジレンマの関係にあった。   What makes it difficult to solve the problem is that these two problems are related to each other. For example, in order to avoid peeling at the interface, if the adhesiveness of the sealing material for bonding represented by silver brazing is improved to the ceramic, the sealing material is likely to react with the ceramic, and the ceramic is destroyed near the bonding interface. Is likely to occur. On the other hand, in order to avoid destruction of ceramics in the vicinity of the bonding interface, in the case of silver brazing, it is effective to reduce the amount of components other than silver in the brazing material. As a result, the reaction of the sealing material with the ceramic is reduced, the invasion of the sealing material into the ceramic is not observed, and the ceramic is not destroyed. On the other hand, however, the adhesion of the sealing material to the ceramic is lowered, and this time, the joining interface is liable to peel off. Thus, the solution to the two problems of the prior art was in a dilemma.

本発明は前述の問題点に鑑み、不可避と考えられる熱膨張差に基づく応力発生があった場合でも、十分に信頼性の高い複合構造体及びその製造方法を提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a sufficiently reliable composite structure and a method for manufacturing the same, even when stress is generated based on a difference in thermal expansion that is considered inevitable.

本発明の複合構造体は以下である。
(1)固体電解質セラミックスと金属部材とが銀ろうによって接合されている複合構造体であって、前記固体電解質セラミックスの少なくとも銀ろう接合する部位の表面に金属めっき層を形成した後、前記金属めっき層の表面に銀と銅とを含んでいる金属ペースト塗布層を形成し、更に前記金属ペースト塗布層を介して、前記固体電解質セラミックスと前記金属部材とが銀ろう接合されていることを特徴とする複合構造体。
(2)前記金属めっき層は複数の金属めっき層からなり、前記複数の金属めっき層の中の少なくとも一層が金又は金を含む合金めっき層であることを特徴とする(1)に記載の複合構造体。
(3)前記金属めっき層は複数の金属めっき層からなり、前記複数の金属めっき層の中の少なくとも一層が銀又は銀を含む合金めっき層であることを特徴とする(1)に記載の複合構造体。
(4)前記金属めっき層は複数の金属めっき層からなり、前記固体電解質セラミックスに接する第一のめっき層が、ニッケル、コバルト、クロムからなる群の中から1種又は2種以上の組合せからなることを特徴とする(1)〜(3)の何れか1つに記載の複合構造体。
(5)前記金属めっき層の全体の厚さが0.02μm以上5μm以下であることを特徴とする(1)〜(4)の何れか1つに記載の複合構造体。
(6)前記金属ペースト塗布層に含まれる銅が、金属銅粉末又は銀銅合金粉末の何れか一方又は双方として金属ペーストに添加されており、かつ、前記銅の含有量が前記金属ペースト塗布層中の銀に対して0.1質量%以上20質量%以下であることを特徴とする(1)に記載の複合構造体。
(7)前記金属ペースト塗布層の塗布量が、前記金属ペースト塗布層中の銀の質量で単位面積あたり0.001g/cm2以上0.1g/cm2以下であることを特徴とする(1)又は(6)に記載の複合構造体。
(8)前記銀ろうは、金属成分として90質量%以上の銀が含まれていることを特徴とする(1)に記載の複合構造体。
(9)前記銀ろうは、金属成分として銀のみが含まれていることを特徴とする(1)に記載の複合構造体。
The composite structure of the present invention is as follows.
(1) A composite structure in which solid electrolyte ceramics and a metal member are joined by silver brazing, and after forming a metal plating layer on at least a surface of the solid electrolyte ceramics to be joined by silver brazing, the metal plating A metal paste coating layer containing silver and copper is formed on the surface of the layer, and further, the solid electrolyte ceramic and the metal member are joined by silver brazing via the metal paste coating layer. A composite structure.
(2) The composite according to (1), wherein the metal plating layer includes a plurality of metal plating layers, and at least one of the metal plating layers is gold or an alloy plating layer containing gold. Structure.
(3) The composite according to (1), wherein the metal plating layer includes a plurality of metal plating layers, and at least one of the metal plating layers is silver or an alloy plating layer containing silver. Structure.
(4) The metal plating layer includes a plurality of metal plating layers, and the first plating layer in contact with the solid electrolyte ceramics includes one or a combination of two or more selected from the group consisting of nickel, cobalt, and chromium. The composite structure according to any one of (1) to (3), wherein
(5) The composite structure according to any one of (1) to (4), wherein the entire thickness of the metal plating layer is 0.02 μm or more and 5 μm or less.
(6) Copper contained in the metal paste coating layer is added to the metal paste as one or both of metal copper powder and silver copper alloy powder, and the copper content is the metal paste coating layer. It is 0.1 mass% or more and 20 mass% or less with respect to silver in the inside, The composite structure as described in (1) characterized by the above-mentioned.
(7) The coating amount of the metal paste coating layer is 0.001 g / cm 2 or more and 0.1 g / cm 2 or less per unit area in terms of the mass of silver in the metal paste coating layer (1) Or a composite structure according to (6).
(8) The composite structure according to (1), wherein the silver solder contains 90% by mass or more of silver as a metal component.
(9) The composite structure according to (1), wherein the silver solder contains only silver as a metal component.

本発明の膜式酸素分離装置は以下である。
(10)(1)〜(9)の何れか1つに記載の複合構造体を有することを特徴とする膜式酸素分離装置。
The membrane oxygen separator of the present invention is as follows.
(10) A membrane-type oxygen separator comprising the composite structure according to any one of (1) to (9).

本発明の膜型反応器は以下である。
(11)(1)〜(9)の何れか1つに記載の複合構造体を有することを特徴とする膜型反応器。
The membrane reactor of the present invention is as follows.
(11) A membrane reactor comprising the composite structure according to any one of (1) to (9).

本発明の複合構造体の製造方法は以下である。
(12)(1)〜(9)の何れか1つに記載の複合構造体の製造方法であって、固体電解質セラミックスの接合表面に、予め金属ペースト塗布層を形成してから、前記金属ペースト塗布層部分と金属部材との間に銀ろう部材を配して、前記銀ろうの融点以上に加熱して、前記固体電解質セラミックスと前記金属部材とを銀ろう接合することを特徴とする複合構造体の製造方法。
(13)(1)〜(9)の何れか1つに記載の複合構造体の製造方法であって、固体電解質セラミックスの接合表面に、一層又は複数層の金属めっき層を形成し、前記金属めっき層の表面に金属ペースト塗布層を形成してから、前記金属ペースト塗布層部分と金属部材との間に銀ろう部材を配して、前記銀ろうの融点以上に加熱して、前記固体電解質セラミックスと前記金属部材とを銀ろう接合することを特徴とする複合構造体の製造方法。
The manufacturing method of the composite structure of the present invention is as follows.
(12) The method for manufacturing a composite structure according to any one of (1) to (9), wherein a metal paste coating layer is formed in advance on a joining surface of a solid electrolyte ceramic, and then the metal paste A composite structure characterized in that a silver brazing member is disposed between the coating layer portion and the metal member, and the solid electrolyte ceramic and the metal member are joined by silver brazing by heating above the melting point of the silver brazing. Body manufacturing method.
(13) The method for producing a composite structure according to any one of (1) to (9), wherein one or more metal plating layers are formed on a joining surface of a solid electrolyte ceramic, and the metal After forming a metal paste coating layer on the surface of the plating layer, a silver brazing member is disposed between the metal paste coating layer portion and the metal member, and heated to the melting point of the silver brazing or above, the solid electrolyte A method for manufacturing a composite structure, comprising: bonding a ceramic and the metal member by silver brazing.

本発明によれば、従来問題となっていた接合界面近傍でのセラミックスの破壊を抑制できると共に、セラミックスとシール材料の界面での剥離も防止できることから、固体電解質セラミックスと金属部材との接合における信頼性を高めることができ、膜式酸素分離における酸素純度と信頼性の向上、膜型反応器における変換効率と信頼性の向上といった、顕著な効果をもたらすことができる。   According to the present invention, it is possible to suppress the destruction of ceramics in the vicinity of the joint interface, which has been a problem in the past, and to prevent peeling at the interface between the ceramic and the sealing material. It is possible to improve the properties, and to bring about remarkable effects such as improvement of oxygen purity and reliability in membrane oxygen separation, and improvement of conversion efficiency and reliability in membrane reactors.

以下、本発明を具体的に説明する。
図1は、本発明の一例であり、代表的な構造の断面を示したものである。固体電解質セラミックス2は、多孔質支持体1の上に形成された薄膜構造となっており、全体は、片側が封じられた円筒管形状で、金属フランジ(金属部材)4の上に付き合わされている。
Hereinafter, the present invention will be specifically described.
FIG. 1 is an example of the present invention and shows a cross section of a typical structure. The solid electrolyte ceramics 2 has a thin film structure formed on the porous support 1, and the whole is in the shape of a cylindrical tube sealed on one side and attached to a metal flange (metal member) 4. Yes.

固体電解質セラミックス2と金属フランジ(金属部材)4とで形成された溝の部分に銀ろう3が配され、銀ろう3と接する固体電解質セラミックス2の表面に、銀と銅を含んでなる金属ペースト塗布層5が形成されている。固体電解質セラミックス2と銀ろう3は、金属ペースト塗布層5が形成してある部位においてガスシールされて接合される。一方、銀ろう3と金属部材4のガスシール接合は比較的容易である。   A metal paste comprising silver and copper on the surface of the solid electrolyte ceramics 2 in which a silver solder 3 is arranged in a groove formed by the solid electrolyte ceramics 2 and a metal flange (metal member) 4 and in contact with the silver solder 3 A coating layer 5 is formed. The solid electrolyte ceramics 2 and the silver solder 3 are bonded by gas sealing at a portion where the metal paste coating layer 5 is formed. On the other hand, the gas seal joining of the silver solder 3 and the metal member 4 is relatively easy.

したがって、銀ろう3を介し、固体電解質セラミックス2と金属部材4がガスシールされて接合された複合構造体が構成される。この金属ペースト塗布層5は、固体電解質セラミックス2の表面の銀ろう3と接触している部分よりも広い範囲に塗布しても良いし、あるいは銀ろう3と接触している部分の中のより狭い範囲に塗布しても良い。   Therefore, a composite structure in which the solid electrolyte ceramics 2 and the metal member 4 are gas-sealed and joined via the silver solder 3 is configured. The metal paste coating layer 5 may be applied over a wider area than the portion in contact with the silver solder 3 on the surface of the solid electrolyte ceramic 2, or more than the portion in contact with the silver solder 3. You may apply | coat to a narrow range.

また、本発明のもう一つの実施形態においては、固体電解質セラミックス2の表面に金属めっき層を形成した後、このめっき層の表面に金属ペースト塗布層5を形成し、更にこの金属ペースト塗布層5を介して、金属部材4とガスタイトに銀ろう接合された、固体電解質セラミックス2と金属部材4の複合構造体がある。   In another embodiment of the present invention, after a metal plating layer is formed on the surface of the solid electrolyte ceramic 2, a metal paste coating layer 5 is formed on the surface of the plating layer, and this metal paste coating layer 5 is further formed. There is a composite structure of the solid electrolyte ceramics 2 and the metal member 4 which is silver brazed to the metal member 4 and gas tight.

図1は、一例として片側が封じられた円筒管形状のものを図示しているが、接合部における材料の組合せ構成が同じである限り、平板形状であってもよい。また、金属部材4の構造は、銀ろう3が溶融した際に流出しないような受け皿構造のフランジを例示しているが、銀ろう3の流出が起きないよう、接合手法・条件を選べば、必ずしも受け皿構造である必要はなく、平坦な構造でもよい。   Although FIG. 1 illustrates a cylindrical tube shape with one side sealed as an example, a flat plate shape may be used as long as the combination configuration of materials in the joint is the same. In addition, the structure of the metal member 4 exemplifies a flange having a tray structure that does not flow out when the silver solder 3 is melted, but if a joining method and conditions are selected so that the silver solder 3 does not flow out, The tray structure is not necessarily required, and may be a flat structure.

本発明で用いる金属ペーストとは、金属成分を含有し、当初は流動性を有して接合対象物に塗布が可能であり、塗布後の乾燥によって、固着した塗布層が形成できるものである。また、本発明では、金属ペーストの成分として銀と銅とを含むことが必須である。これはセラミックスと銀ろうとの濡れ性を確保するためである。   The metal paste used in the present invention contains a metal component, and initially has fluidity and can be applied to an object to be joined, and a fixed coating layer can be formed by drying after coating. Moreover, in this invention, it is essential to contain silver and copper as a component of a metal paste. This is to ensure wettability between the ceramic and the silver solder.

本発明の金属ペースト塗布層に含まれる銅は、金属ペースト塗布層中の銀に対して0.1質量%以上、20質量%以下であることが望ましい。銅の含有量がこの範囲を超えると、接合後に接合部近傍の固体電解質セラミックスが破壊し易くなる問題を生じる。また、この範囲よりも含有量が少ないと、セラミックスと銀ろうの濡れ性が不安定になり、接合界面でリークを生じる問題が発生し易くなる。   The copper contained in the metal paste coating layer of the present invention is preferably 0.1% by mass or more and 20% by mass or less with respect to silver in the metal paste coating layer. When the copper content exceeds this range, there arises a problem that the solid electrolyte ceramics in the vicinity of the joined portion are easily broken after joining. On the other hand, if the content is less than this range, the wettability between the ceramic and the silver solder becomes unstable, and a problem of causing a leak at the joint interface is likely to occur.

また、銅は、酸化物の状態で添加すると効果が十分に得られず、銅及び/又は銀を含む銅合金等の金属粉末の形態で添加することが望ましい。また、これらに加えて金や白金、パラジウム等の貴金属を金属ペーストに含んでも良い。さらに、前記金属ペースト塗布層には、多少の不純物が混入しても問題は生じない。この不純物の許容範囲は、ペースト塗布層中の銀に対して1質量%以下の程度である。   Moreover, when copper is added in an oxide state, the effect is not sufficiently obtained, and it is desirable to add copper in the form of a metal powder such as a copper alloy containing copper and / or silver. In addition to these, noble metals such as gold, platinum, and palladium may be included in the metal paste. Furthermore, even if some impurities are mixed in the metal paste coating layer, no problem occurs. The allowable range of this impurity is about 1% by mass or less with respect to silver in the paste coating layer.

また、乾燥後の塗布層の健全性を確保するために、金属ペースト塗布層に有機バインダー等を含んでも良い。但し、接合のための熱処理の後でも金属ペースト塗布層を健全に保つため、金属ペーストの不揮発成分全体に対する有機バインダーの割合は、1質量%以上35質量%以下程度が望ましい。この範囲を外れて有機バインダーの量が増えると、熱処理後の塗布層の強度が低くなり過ぎる。また、この範囲よりも含有量が少ないと、添加効果が現れ難い。   Moreover, in order to ensure the soundness of the coating layer after drying, the metal paste coating layer may contain an organic binder or the like. However, in order to keep the metal paste coating layer sound even after the heat treatment for bonding, the ratio of the organic binder to the whole nonvolatile components of the metal paste is preferably about 1% by mass or more and 35% by mass or less. If the amount of the organic binder increases outside this range, the strength of the coating layer after heat treatment becomes too low. Further, if the content is less than this range, the effect of addition hardly appears.

この金属ペースト塗布層のセラミックス表面への塗布量は、金属ペースト塗布層中の銀の質量で単位面積あたり0.001g/cm2以上0.1g/cm2以下であることが望ましい。塗布量がこの範囲を超えて多くなると、接合の熱処理時に塗布層が剥離したり、接合部近傍のセラミックスが破損したりする等の問題を生じ易くなる。また、塗布量がこの範囲よりも少ないと、塗布層の効果が得られ難くなる。 The coating amount of the metal paste coating layer on the ceramic surface is preferably 0.001 g / cm 2 or more and 0.1 g / cm 2 or less per unit area in terms of the mass of silver in the metal paste coating layer. If the coating amount exceeds this range, problems such as peeling of the coating layer at the time of heat treatment for bonding and breakage of ceramics in the vicinity of the bonding portion are likely to occur. If the coating amount is less than this range, the effect of the coating layer is difficult to obtain.

本発明における金属ペースト塗布層の形成方法は、いかなる方法によっても良いが、筆等によって塗りつけても良いし、コーターでコーティングしてもよいし、ペーストにディップしてディップコートしても良い。   The method for forming the metal paste coating layer in the present invention may be any method, but may be applied with a brush or the like, may be coated with a coater, or may be dip coated by dip coating.

本発明において、接合用のシール材料として銀ろう、即ち、純銀又は銀合金を用いているのは、銀の化学的な特性による。即ち、銀は、高温でも金属状態にある方が酸化物状態にあるより安定であるため、高温で軟化状態を保つことで良好なシール性を実現することができるからである。   In the present invention, the use of silver brazing, that is, pure silver or a silver alloy, as the sealing material for bonding is due to the chemical characteristics of silver. That is, since silver is more stable in a metal state even at a high temperature than in an oxide state, good sealing performance can be realized by maintaining a softened state at a high temperature.

本発明では、銀ろうに、濡れ性を改善するための添加元素である、銅やインジウム、スズ等を含んでもよいが、銀ろうは金属成分として90質量%以上銀を含むことが望ましい。これは、前記の添加元素の存在によって、銀ろうのセラミックスとの濡れ性が向上できるものの、その副作用としてセラミックスが破壊し易くなるためである。   In the present invention, the silver solder may contain copper, indium, tin, and the like, which are additive elements for improving wettability, but the silver solder preferably contains 90% by mass or more of silver as a metal component. This is because the presence of the additive element can improve the wettability of the silver brazing ceramics, but the ceramics are easily destroyed as a side effect.

本発明のポイントは、銀ろうに濡れ性向上のための添加元素を含まなくても、セラミックスと銀ろうの接合において最も重要であるこの界面に、銅に代表される濡れ性向上成分が必要最低限の量だけ存在すれば、十分な濡れ性が確保され、なおかつ、セラミックスへの悪影響が除去できるとの新知見と、これを実行するための好適な方法として、金属ペースト塗布層の形成を見出したことにある。   The point of the present invention is that, even if an additive element for improving the wettability is not contained in the silver brazing, a wettability improving component represented by copper is necessary at this interface, which is most important in the joining of the ceramic and the silver brazing. New knowledge that sufficient wettability can be ensured if a limited amount is present and that adverse effects on ceramics can be removed, and formation of a metal paste coating layer has been found as a suitable method for carrying out this. That is.

即ち、本発明においては、金属ペースト塗布層の存在により、セラミックスと銀ろうの濡れ性が十分確保できるので、銀ろうが添加物を含有する必要性が低減されている。このため、本発明のより好ましい実施形態においては、銀ろうを、添加物を含まない純粋な銀とする。但し、この際に銀ろうには、多少の不純物が混入しても問題は生じない。この不純物の許容範囲は、銀に対して1質量%以下の程度である。   That is, in the present invention, the presence of the metal paste coating layer can sufficiently secure the wettability of the ceramic and the silver brazing, so that the necessity of the silver brazing containing the additive is reduced. For this reason, in a more preferred embodiment of the present invention, the silver solder is pure silver with no additives. However, no problem arises even if some impurities are mixed in the silver solder at this time. The allowable range of this impurity is about 1% by mass or less with respect to silver.

金属めっき層は、一つには固体電解質の劣化を回避するバリア層の効果を有するため、金属ペースト塗布層と共に用いられると、複合材料の信頼性を一層向上させることに役立つ。このため、金属めっき層としては、化学的に安定な金属を使用するのが、より信頼性を向上する上で重要である。   The metal plating layer, in part, has the effect of a barrier layer that avoids deterioration of the solid electrolyte, and therefore, when used together with the metal paste coating layer, it helps to further improve the reliability of the composite material. For this reason, it is important to use a chemically stable metal as the metal plating layer in order to further improve the reliability.

また、ガスリークを最小に抑えるためには、金属めっきの材質は、固体電解質セラミックス及び金属ペースト層との密着性に優れたものが好適に使用される。これらを満足する金属めっきの材質として、例えば、Au、Pt、Pd、Ni、Cr、Co又はこれら金属を含む合金を例として挙げることができるが、特に、金又は金を含む合金めっき層を含む金属めっきがバリア層として好適である。これは、金の化学的な特性による。したがって、全体を金又は金を含む合金めっき層としても勿論よいが、材料費を安くするという観点からは多層めっきでも好適に使用することができる。   Moreover, in order to suppress gas leak to the minimum, the material of metal plating is preferably used that has excellent adhesion to the solid electrolyte ceramics and the metal paste layer. Examples of metal plating materials that satisfy these requirements include Au, Pt, Pd, Ni, Cr, Co, and alloys containing these metals, but particularly include gold or alloy plating layers containing gold. Metal plating is suitable as the barrier layer. This is due to the chemical nature of gold. Therefore, it is of course possible to use gold or an alloy plating layer containing gold as a whole, but multilayer plating can also be suitably used from the viewpoint of reducing material costs.

多層めっきの場合、少なくとも一層が金又は金を含む合金めっき層であることがより好ましい。この合金めっきの例としては、金と銀の合金等が挙げられる。また、同様の理由から、銀又は銀を含む合金めっき層を含む金属めっきが、もう一つのバリア層として好適な金属めっき層として挙げられる。   In the case of multilayer plating, it is more preferable that at least one layer is gold or an alloy plating layer containing gold. Examples of this alloy plating include gold and silver alloys. For the same reason, metal plating including silver or an alloy plating layer containing silver can be cited as another metal plating layer suitable as another barrier layer.

一方、ガスリークを最小限に抑える目的から、固体電解質セラミックスに接する第一のめっき層としては、ニッケル、コバルト、クロムからなる群の中の1種又は2種以上の組合せとするのが望ましい。これらの元素は、固体電解質と反応することが殆ど無く、且つ、密着性良く形成することができるためである。   On the other hand, for the purpose of minimizing gas leakage, the first plating layer in contact with the solid electrolyte ceramic is preferably one or a combination of two or more in the group consisting of nickel, cobalt, and chromium. This is because these elements hardly react with the solid electrolyte and can be formed with good adhesion.

金属めっき層全体の厚さは、使用温度、及び雰囲気を考慮して適宜決定されるものの、あまり薄くし過ぎると金属めっきによるバリア効果や濡れ性の向上効果があまり出ず、逆に厚くし過ぎると剥離し易くなるため、本発明に有効なめっき厚さは、概ね、0.02μm以上5μm以下の範囲である。金又は金を含む合金めっき層の厚さ、銀又は銀を含む合金めっき層の厚さ、ニッケル、コバルト、クロムによる第一めっき層の厚さについてもこの範囲の中で、適宜決定される。   Although the thickness of the entire metal plating layer is appropriately determined in consideration of the operating temperature and atmosphere, if it is made too thin, the effect of improving the barrier effect and wettability by metal plating will not come out much, and conversely it will be too thick. Therefore, the effective plating thickness for the present invention is generally in the range of 0.02 μm to 5 μm. Within this range, the thickness of the gold or gold-containing alloy plating layer, the thickness of silver or the alloy plating layer containing silver, and the thickness of the first plating layer made of nickel, cobalt, or chromium are also appropriately determined.

めっきの形成方法としては、蒸着法やスパッタリング法等の気相めっき法を用いても良いが、めっき浴に浸漬して無電解めっきする方法が最も簡便な方法である。なお、めっき層には、多少の不純物が混入していても構わない。例えば、次亜リン酸等を使った無電解NiめっきではNiめっき層にリンが混入することがある。また、スパッタリングで金属めっき層を形成するとアルゴンが混入するが、いずれにしても、このような不純物は混入していても一向に差し支えない。   As a method for forming the plating, a vapor phase plating method such as a vapor deposition method or a sputtering method may be used, but a method of electroless plating by dipping in a plating bath is the simplest method. Note that some impurities may be mixed in the plating layer. For example, in electroless Ni plating using hypophosphorous acid or the like, phosphorus may be mixed into the Ni plating layer. Further, when a metal plating layer is formed by sputtering, argon is mixed, but in any case, even if such impurities are mixed, there is no problem.

膜式酸素分離装置や膜式反応器で用いられる混合伝導性固体電解質セラミックスは、ペロブスカイト型酸化物を中心とする混合伝導性材料で、850℃で0.1S/m以上の酸化物イオン伝導率を有する酸化物、あるいは酸化物と金属との複合材料等が好適に用いられる。よく知られているペロブスカイト型酸化物材料の例として、(La、Sr)(Co、Fe)Ox、(Ba、Sr)(Co、Fe)Ox、(Ba、Sr)(Co、Nb)Ox系(但し、xは、電荷中性条件を満たすように決まる値)等が挙げられる。また、膜式反応器では、メタン等炭化水素ガスのような還元性の強い雰囲気でも酸化物が分解しないよう、膜式酸素分離で用いられる材料と比較してCo含有量を減らした材料がより好ましい。 Mixed conductive solid electrolyte ceramics used in membrane oxygen separators and membrane reactors are mixed conductive materials centered on perovskite-type oxides and oxide ion conductivity of 0.1 S / m or more at 850 ° C. An oxide having an oxide or a composite material of an oxide and a metal is preferably used. Examples of well-known perovskite oxide materials include (La, Sr) (Co, Fe) Ox , (Ba, Sr) (Co, Fe) Ox , (Ba, Sr) (Co, Nb) Ox type (where x is a value determined so as to satisfy the charge neutrality condition). In addition, in the membrane reactor, a material having a reduced Co content compared to the material used in the membrane oxygen separation is more preferable so that the oxide does not decompose even in a highly reducing atmosphere such as hydrocarbon gas such as methane. preferable.

本発明の、望ましい一つの実施形態として、金属部材をアルミニウムを8%以上含むアルミニウム青銅製とし、固体電解質セラミックスとして、気孔率10%以上の多孔体としたときの大気中での熱膨張係数が、100〜850℃の間で21ppm/℃以上29ppm/℃以下のものを選択する方法が挙げられる。このような固体電解質セラミックスの例として、組成が下記の(式1)で表されるものを挙げることができる。
{LnaBab1-a-b}{B1-xB'x}αO(3-δ) ・・・ (式1)
(ここで、Lnは、Y又はランタノイド元素から選ばれる1種又は2種以上の元素の組合せ。Aは、Sr又はCaから選ばれる1種又は2種の元素の組合せ。Bは、Co、Fe、Cr又はGaの中から、Fe又はCoを必ず含んで選ばれる1種又は2種以上の元素の組合せで、CrとGaのモル数の和が全B元素のモル数(1−x)に対し0%以上20%以下。B'は、Nb、Ta、Ti又はZrの中からNb又はTaを必ず含んで選ばれる1種又は2種以上の元素の組合せで、TiとZrのモル数の和が全B'元素のモル数xに対し0%以上20%以下。ただし、0≦a≦0.2、0.1≦b≦0.2、0.07<x≦0.5、0.9≦α≦1.2、δは電荷中性条件を満たすように決まる値。)
As one desirable embodiment of the present invention, the metal member is made of aluminum bronze containing 8% or more of aluminum, and the solid electrolyte ceramic is a porous body having a porosity of 10% or more. And a method of selecting a material of 21 to 29 ppm / ° C. between 100 and 850 ° C. As an example of such a solid electrolyte ceramic, the one whose composition is represented by the following (formula 1) can be given.
{Ln a Ba b A 1- ab} {B 1-x B 'x} αO (3- δ) ··· ( Equation 1)
(Here, Ln is a combination of one or more elements selected from Y or lanthanoid elements. A is a combination of one or two elements selected from Sr or Ca. B is Co, Fe. , A combination of one or more elements selected from the group consisting of Cr and Ga, including Fe or Co, and the sum of the number of moles of Cr and Ga is the number of moles of all B elements (1-x) 0% or more and 20% or less, B ′ is a combination of one or two or more elements selected from Nb, Ta, Ti, or Zr that must contain Nb or Ta, and has a mole number of Ti and Zr. The sum is 0% or more and 20% or less with respect to the number of moles x of all B ′ elements, provided that 0 ≦ a ≦ 0.2, 0.1 ≦ b ≦ 0.2, 0.07 <x ≦ 0.5, 0 .9 ≦ α ≦ 1.2, δ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition.)

本発明の複合構造体を有する膜式酸素分離装置及び膜型反応器は、セラミックスと金属部材の接合界面近傍での、セラミックスの破壊及び接合界面での剥離とガスリーク発生を、同時に抑制することができる。このため、装置の始動、停止等に伴って繰り返し接合部に熱応力を受けたとしても、接合部でのガスシール性の低下といった問題を生じることの無い、高信頼性の装置が実現可能となる。   The membrane oxygen separation apparatus and membrane reactor having the composite structure of the present invention can simultaneously suppress destruction of ceramics, separation at the joint interface, and generation of gas leaks in the vicinity of the joint interface between the ceramic and the metal member. it can. For this reason, it is possible to realize a highly reliable apparatus that does not cause a problem of deterioration in gas sealability at the joint even if the joint is repeatedly subjected to thermal stress as the apparatus is started, stopped, etc. Become.

この構造を有する複合構造体を使った膜式酸素分離装置は、例えば、図1に示す酸素分離用の複合構造体を装置内に有し、構造体の外側に高温高圧の空気を供給し、内側に透過した酸素を収集する。酸素イオンの固体電解質内での移動は、酸素分圧の高い方から低い方へ起きるため、外側の原料空気側を高温常圧とし、内側の分離酸素側を減圧することによっても酸素を分離することができる。酸素の分離構造体は、酸素イオン伝導性と電子伝導性を併せ持つ混合伝導性固体電解質の薄膜が多孔質支持体の上に形成された構造となっており、酸素イオンの移動に伴って電子が反対方向に移動するため、電荷中性の条件が固体電解質の中で満足されることから、外部配線が不要で、シンプルな構造となっている。   A membrane type oxygen separation apparatus using a composite structure having this structure has, for example, a composite structure for oxygen separation shown in FIG. 1, and supplies high-temperature and high-pressure air to the outside of the structure. Collect the permeated oxygen inside. Since the movement of oxygen ions in the solid electrolyte occurs from the higher oxygen partial pressure to the lower one, oxygen is also separated by setting the outer raw material air side to high temperature normal pressure and reducing the inner separated oxygen side. be able to. The oxygen separation structure has a structure in which a thin film of mixed conductive solid electrolyte having both oxygen ion conductivity and electron conductivity is formed on a porous support, and electrons move along with the movement of oxygen ions. Since it moves in the opposite direction, the charge neutral condition is satisfied in the solid electrolyte, so that no external wiring is required and the structure is simple.

本膜式酸素分離装置は、混合伝導性固体電解質が薄膜化されているので、酸素イオンの移動が効率よく行われる。薄膜の厚さは、一般的には1〜100μmの範囲である。一方、多孔質支持体は、良好な通気性を持つと同時に、機械的な強度を確保するために用いられる。したがって、多孔質支持体の多孔度は両者(通気性と機械的強度)が満足される範囲内で調整されるが、一般的には、気孔率(=100−緻密体に対する相対密度(%))で20〜60%の範囲である。多孔質支持体の厚みも両者の特性を加味して決定されるが、一般的には、1〜50mmの範囲の中から選ばれる。   In this membrane oxygen separator, the mixed conductive solid electrolyte is made thin, so that the movement of oxygen ions is performed efficiently. The thickness of the thin film is generally in the range of 1 to 100 μm. On the other hand, the porous support is used for ensuring mechanical strength while having good air permeability. Therefore, the porosity of the porous support is adjusted within a range in which both (breathability and mechanical strength) are satisfied, but generally the porosity (= 100-relative density (%) with respect to the dense body) ) In the range of 20 to 60%. The thickness of the porous support is also determined in consideration of both characteristics, but is generally selected from the range of 1 to 50 mm.

一方、膜型反応器は、メタン等の炭化水素ガスを触媒により部分酸化させ、合成ガス(水素と一酸化炭素の混合ガス)を得るものである。合成ガスは、メタノール、フィッシャー・トロプシュ合成油、ジメチルエーテル等、クリーン燃料の原料となる工業価値の高いガスである。また、一酸化炭素の水性ガスシフト反応(CO+H2O→H2+CO2)による水素製造を組み合わせることにより、水素製造用原料としても有望である。 On the other hand, the membrane reactor is one in which a hydrocarbon gas such as methane is partially oxidized by a catalyst to obtain a synthesis gas (mixed gas of hydrogen and carbon monoxide). Syngas is a gas with high industrial value that is a raw material for clean fuel, such as methanol, Fischer-Tropsch synthetic oil, and dimethyl ether. Moreover, it is also promising as a raw material for hydrogen production by combining hydrogen production by a water gas shift reaction of carbon monoxide (CO + H 2 O → H 2 + CO 2 ).

構造的には、膜式酸素分離装置と類似の図1で例示した複合構造体を装置内に有し、炭化水素ガスと空気(部分酸化用酸素の供給源)の2種類のガスを、固体電解質を挟んで対向するよう供給するのが効率的なので、反応管の内側にガス導入のためのパイプを挿入した構造となる。反応管の外側にメタン等炭化水素ガスを、内側に空気を供給する方式を採用しても良いし、この反対の供給方法でも構わない。但し、炭化水素側の固体電解質表面には改質用の触媒が保持される。   Structurally, the apparatus has the composite structure illustrated in FIG. 1 similar to a membrane oxygen separator, and two kinds of gases, hydrocarbon gas and air (a source of oxygen for partial oxidation), are solid. Since it is efficient to supply the electrolyte so as to face each other, a structure for inserting a gas introduction pipe inside the reaction tube is provided. A system in which hydrocarbon gas such as methane is supplied to the outside of the reaction tube and air is supplied to the inside may be adopted, or the opposite supply method may be used. However, a reforming catalyst is held on the hydrocarbon-side solid electrolyte surface.

次に、本発明の複合構造体の製造方法について述べる。
まず、固体電解質セラミックスの表面に金属ペースト塗布層を形成する。金属ペーストは、金属成分の粉末と有機バインダー、溶剤等を混合し、三本ロールを用いて混練して作製することができる。また、市販の金属ペーストと添加物の金属粉末を、所定の組成になるよう調合して混合してもよい。このようにして調製したペーストを塗布・乾燥して、ペースト塗布層を形成する。ペーストの塗布層は、先に述べた筆による塗布等、均一に健全な塗布層が形成できる方法であれば、従来一般に知られている技術を使うことができる。
Next, the manufacturing method of the composite structure of this invention is described.
First, a metal paste coating layer is formed on the surface of the solid electrolyte ceramic. The metal paste can be prepared by mixing metal component powder, an organic binder, a solvent, and the like, and kneading using a three-roll. Moreover, you may mix and mix a commercially available metal paste and the metal powder of an additive so that it may become a predetermined composition. The paste thus prepared is applied and dried to form a paste application layer. As the paste application layer, a conventionally known technique can be used as long as it is a method capable of forming a uniform and sound application layer, such as application with a brush as described above.

固体電解質セラミックスの接合表面に金属ペースト塗布を施した後、これを金属部材と突合せ、接合部位に銀ろう部材を配して熱処理を行う。熱処理条件は銀ろうの融点を勘案し、最適条件が決定されるが、銀ろうの溶解が不十分でガスシール性が損なうことがないよう、銀ろうの融点以上で複合構造体が健全に作製できる温度に加熱される。また、熱処理雰囲気は、一般的には空気雰囲気の下でも十分である。   After applying a metal paste to the joining surface of the solid electrolyte ceramics, the metal paste is abutted against the metal member, and a silver brazing member is disposed at the joining portion to perform heat treatment. The heat treatment conditions are determined in consideration of the melting point of the silver brazing, but the optimum conditions are determined, but the composite structure is soundly produced above the melting point of the silver brazing so that the melting of the silver brazing is not insufficient and the gas sealability is not impaired. Heated to a temperature where it can. The heat treatment atmosphere is generally sufficient even in an air atmosphere.

また、固体電解質セラミックスの表面にまず金属めっきを施す場合、金属めっきは、気相めっき法の他に、市販のめっき浴に浸漬して析出させても良い。気相めっきの場合、接合表面のみにめっき層を形成するために、その他の表面にめっき層が堆積しないようマスキングされる。また、円筒管のような曲面へのめっきの場合には、均一な厚さを実現させるために、通常、試料を回転させながらめっき層を形成する。   Moreover, when metal plating is first performed on the surface of the solid electrolyte ceramics, the metal plating may be immersed in a commercially available plating bath in addition to the vapor phase plating method. In the case of vapor phase plating, in order to form a plating layer only on the bonding surface, masking is performed so that the plating layer does not deposit on other surfaces. In the case of plating on a curved surface such as a cylindrical tube, a plating layer is usually formed while rotating the sample in order to achieve a uniform thickness.

一方、めっき浴に浸漬して析出させる方法は、簡単な治具を使ってめっき層を形成することができるメリットがあるが、固体電解質セラミックスとの密着性の点では気相めっきより劣る傾向があることから、必要に応じて、密着性を確保するための前処理として、酸によるエッチング処理が固体電解質セラミックスの接合表面に施される。以上、金属めっきの施工方法を具体的に述べたが、金属めっきと固体電解質セラミックスとの間の密着性が確保できる方法であれば、従来一般に知られている技術を使うことができる。   On the other hand, the method of precipitating by dipping in a plating bath has the advantage that a plating layer can be formed using a simple jig, but it tends to be inferior to vapor phase plating in terms of adhesion to solid electrolyte ceramics. Therefore, as necessary, as a pretreatment for ensuring adhesion, an acid etching process is performed on the bonding surface of the solid electrolyte ceramics. As mentioned above, although the metal plating construction method was specifically described, conventionally known techniques can be used as long as the method can ensure adhesion between the metal plating and the solid electrolyte ceramics.

固体電解質セラミックスの接合表面に金属めっきを施した後、金属ペースト塗布層の形成をする。このペースト塗布以降は前記と同じ方法で実施することができる。この場合、熱処理条件は、めっきした金属材料と用いる銀ろうの融点を勘案し、最適条件が決定されるが、熱処理によりめっき層が完全溶融したり、逆に銀ろうの溶解が不十分でガスシール性が損なったりすることが無いように、銀ろうの融点以上で金属めっき層の融点以下に加熱される。また、熱処理雰囲気は、めっき材料の酸化特性にも依存するが、一般的には空気雰囲気の下でも十分である。但し、酸化が極端に進行する場合には、非酸化性雰囲気下で行われる。   After metal plating is applied to the joining surface of the solid electrolyte ceramic, a metal paste coating layer is formed. After this paste application, the same method as described above can be used. In this case, the optimum heat treatment conditions are determined in consideration of the melting point of the plated metal material and the silver brazing used. However, the plating layer is completely melted by the heat treatment or, conversely, the dissolution of the silver brazing is insufficient. In order not to impair the sealing performance, it is heated to a temperature not lower than the melting point of the silver solder and not higher than the melting point of the metal plating layer. Moreover, although the heat treatment atmosphere depends on the oxidation characteristics of the plating material, it is generally sufficient even in an air atmosphere. However, when oxidation proceeds extremely, it is performed in a non-oxidizing atmosphere.

以下、本発明について、実施例、比較例を参照しながら説明する。   The present invention will be described below with reference to examples and comparative examples.

(実施例1)
BaCO3、SrCO3、Co34、Nb25の粉末を、Ba0.2Sr0.8Co0.9Nb0.1x(xは、電荷中性条件を満たすように決まる値)の組成となるよう混合・粉砕し、空気中900℃で4時間仮焼した。得られた仮焼粉は粉砕、粒度調整後、多孔化材としてのPVA(ポリビニルアルコール)粉末と混合した。これを円筒管形状となるようゴム型に充填し、CIP(静水圧プレス)成形後、空気中1100℃にて焼成して、多孔質支持体1とした。なお、多孔質支持体1の気孔率は32%であった。
Example 1
BaCO 3 , SrCO 3 , Co 3 O 4 , Nb 2 O 5 powder mixed to have a composition of Ba 0.2 Sr 0.8 Co 0.9 Nb 0.1 O x (where x is a value determined to satisfy the charge neutrality condition) -It grind | pulverized and calcined at 900 degreeC in the air for 4 hours. The obtained calcined powder was mixed with PVA (polyvinyl alcohol) powder as a porous material after pulverization and particle size adjustment. This was filled in a rubber mold so as to have a cylindrical tube shape, CIP (hydrostatic pressure press) molding, and then fired in air at 1100 ° C. to obtain a porous support 1. The porosity of the porous support 1 was 32%.

次に、多孔質支持体1と同一材料の粉末を使った薄膜形成用スラリーを調製しておき、多孔質支持体1をスラリー中にディップし、乾燥後、空気中1250℃にて焼成した。こうして、外表面のみに50μm厚の混合伝導性固体電解質(固体電解質セラミックス2)の緻密な薄膜層を形成した。焼き上がった酸素分離管の寸法は、外径約20mm、内径約15mm、長さ約800mmであった。   Next, a slurry for forming a thin film using a powder of the same material as the porous support 1 was prepared, and the porous support 1 was dipped in the slurry, dried, and then fired at 1250 ° C. in air. Thus, a dense thin film layer of a mixed conductive solid electrolyte (solid electrolyte ceramics 2) having a thickness of 50 μm was formed only on the outer surface. The dimensions of the baked oxygen separation tube were an outer diameter of about 20 mm, an inner diameter of about 15 mm, and a length of about 800 mm.

次に、市販の銀ペーストに、市販の銅粉末を添加し、よく混合して塗布用の金属ペーストを作製した。銅粉末の添加量は、ペースト中の銀に対して7質量%とした。この金属ペーストを、前記で作製した酸素分離管の開放端から20mm程度までの領域に、乾燥質量0.03g/cm2程度を目安に筆塗りして自然乾燥し、金属ペースト塗布層5を形成した。この金属ペースト塗布層5が形成された酸素分離管をアルミニウム青銅製金属フランジ(金属部材4)とつき合わせ、銀のみを含有する銀ろうを用いて接合した。接合条件は、大気雰囲気、970℃、20分とした。 Next, a commercially available copper powder was added to a commercially available silver paste and mixed well to prepare a metal paste for coating. The amount of copper powder added was 7% by mass relative to the silver in the paste. This metal paste is applied to the area from the open end of the oxygen separation tube prepared above to about 20 mm with a brush with a dry mass of about 0.03 g / cm 2 as a guide, and then naturally dried to form a metal paste coating layer 5. did. The oxygen separation tube on which the metal paste coating layer 5 was formed was brought into contact with an aluminum bronze metal flange (metal member 4) and joined using a silver solder containing only silver. The bonding conditions were an air atmosphere, 970 ° C., and 20 minutes.

次に、接合された複合構造体の評価を行った。外観上、接合部位は綺麗に仕上がっていた。接合部のガスシール性を評価するため、常温下、分離管外側に1MPaの圧縮空気を導入し、内側に漏れるガスの流量を計測した。その結果、漏れ量は認められず、接合部におけるリークが無いことを確認した。   Next, the bonded composite structure was evaluated. From the appearance, the joint part was finished beautifully. In order to evaluate the gas sealing property of the joint, 1 MPa of compressed air was introduced to the outside of the separation tube at room temperature, and the flow rate of the gas leaking inside was measured. As a result, no leakage was observed, and it was confirmed that there was no leakage at the joint.

そこで、本複合構造体を使って900℃で酸素分離実験を行った。酸素分離実験は、複合構造体の外側に1MPaに圧縮された高温空気を導入し、分離された酸素の純度から高温でのリーク速度(差圧0.9MPa)を評価することができる。その結果、酸素純度99.9999%以上(ガスクロマトグラフィーで不純物ガスは検出限界以下)を確認し、接合部における高温でのリークは皆無と判断された。   Therefore, an oxygen separation experiment was conducted at 900 ° C. using this composite structure. In the oxygen separation experiment, high-temperature air compressed to 1 MPa is introduced to the outside of the composite structure, and the leak rate (differential pressure 0.9 MPa) at high temperature can be evaluated from the purity of the separated oxygen. As a result, it was confirmed that the oxygen purity was 99.9999% or higher (impurity gas was below the detection limit by gas chromatography), and it was judged that there was no leakage at a high temperature at the junction.

引き続き、熱サイクル試験を実施した。実施要領は、常温から900℃まで昇温速度50℃/時間で加熱、900℃におけるリーク評価試験(上述の酸素分離実験)、900℃から常温まで降温速度−50℃/時間で冷却、常温でのリーク評価試験、の繰り返し評価とした。その結果、15回まで繰り返し評価を行っても、常温/高温(900℃)共リークは全く認められず、信頼性の高い接合体(複合構造体)となっていることが分かった。   Subsequently, a thermal cycle test was conducted. The procedure is as follows: heating from normal temperature to 900 ° C. at a heating rate of 50 ° C./hour, leak evaluation test at 900 ° C. (the above-mentioned oxygen separation experiment), cooling from 900 ° C. to normal temperature at a cooling rate of −50 ° C./hour, at normal temperature This was a repeated evaluation of the leak evaluation test. As a result, it was found that even when repeated evaluations were performed up to 15 times, no room temperature / high temperature (900 ° C.) co-leakage was observed, and a highly reliable bonded body (composite structure) was obtained.

(比較例1)
実施例1と同じ要領で酸素分離管を試作し、金属ペースト塗布層の形成無しで、そのままアルミニウム青銅製金属フランジとの接合を行った。接合方法は、実施例1と同一とした。
(Comparative Example 1)
An oxygen separation tube was prototyped in the same manner as in Example 1, and was directly joined to an aluminum bronze metal flange without forming a metal paste coating layer. The joining method was the same as in Example 1.

接合界面の外観は、実施例1と比較して、銀ろうと固体電解質セラミックスの濡れ性が悪く、常温で界面からリークが認められた。また、この接合体の高温シール性の評価を行ったが、高温においても大きなリークが確認され、差圧をかけることが困難であった。   As for the appearance of the bonding interface, compared with Example 1, the wettability of the silver solder and the solid electrolyte ceramics was poor, and leakage was observed from the interface at room temperature. Further, the high temperature sealability of this joined body was evaluated, but a large leak was confirmed even at a high temperature, and it was difficult to apply a differential pressure.

(比較例2)
実施例1と同じ要領で酸素分離管を試作し、金属ペースト塗布層の形成無しで、そのままアルミニウム青銅製金属フランジとの接合を行った。接合方法は、銀ろうが銀に対して15質量%の銅を銅粉末として含む他は、実施例1と同一とした。
(Comparative Example 2)
An oxygen separation tube was prototyped in the same manner as in Example 1, and was directly joined to an aluminum bronze metal flange without forming a metal paste coating layer. The joining method was the same as in Example 1 except that the silver solder contained 15% by mass of copper as the copper powder.

接合界面の外観は、実施例1に比較して遜色なく、接合部位は綺麗に仕上がっていたが、常温において既に接合界面近傍のセラミックスにリークが検出された。また、この接合体の酸素分離実験を行ったところ、酸素純度85%程度であり、リークによる酸素純度の低下が見られた。また、引き続き行った熱サイクル試験では、常温/高温を繰り返すたびにリーク量は増大し、7回のサイクルの後、接合界面近傍の固体電解質セラミックスの部分で破損してしまった。   The appearance of the bonding interface was not inferior to that of Example 1, and the bonding site was finished fine, but leakage was already detected in the ceramic near the bonding interface at room temperature. Further, when an oxygen separation experiment of this joined body was performed, the oxygen purity was about 85%, and a decrease in oxygen purity due to leakage was observed. Further, in the subsequent thermal cycle test, the leak amount increased each time the normal temperature / high temperature was repeated, and after seven cycles, the solid electrolyte ceramics near the joint interface was damaged.

(実施例2)
実施例1と同じ要領で酸素分離管を試作し、続いて作製した酸素分離管の開放端から20mm程度までの領域を、アルカリ溶液を使って脱脂(市販脱脂剤使用、50℃、3分)後、フッ硝酸溶液でエッチング処理(常温、3分、イオン交換水による洗浄)を行った。市販のアクチベーター浴を使って触媒付与した後、やはり市販のNiめっき浴を使って90℃で4分間浸漬して、無電解めっきを行った。
(Example 2)
An oxygen separation tube was made in the same manner as in Example 1, and then the region from the open end of the produced oxygen separation tube to about 20 mm was degreased using an alkaline solution (using a commercially available degreasing agent, 50 ° C., 3 minutes). Thereafter, etching treatment (room temperature, 3 minutes, washing with ion-exchanged water) was performed with a hydrofluoric acid solution. After applying a catalyst using a commercially available activator bath, electroless plating was performed by immersing in a commercially available Ni plating bath at 90 ° C. for 4 minutes.

引き続き、市販の金めっき浴に90℃で5分間浸漬することにより、最表層に金を無電解めっきした。断面観察の結果、めっき層には、ニッケルが約1μm、金が約0.1μmの厚さで形成されていることが分かった。また、金属めっきと酸素分離管表面との間の密着性は良好で、テープ剥離試験では全く剥れることはなかった。   Subsequently, gold was electrolessly plated on the outermost layer by immersing in a commercially available gold plating bath at 90 ° C. for 5 minutes. As a result of cross-sectional observation, it was found that the plating layer was formed with a thickness of about 1 μm nickel and about 0.1 μm gold. Further, the adhesion between the metal plating and the surface of the oxygen separation tube was good, and it was not peeled off at all in the tape peeling test.

次に、実施例1と同じ方法で金属ペーストを作製し、前記で作製した酸素分離管のめっき層の開放端から15mm程度までの領域に、乾燥質量0.03g/cm2程度を目安に筆塗りして自然乾燥し、金属ペースト塗布層5を形成した。この酸素分離管をアルミニウム青銅製金属フランジ(金属部材4)とつき合わせ、銀のみを含有する銀ろうを用いて接合した。接合条件は実施例1と同じとした。 Next, a metal paste was prepared by the same method as in Example 1, and the dry mass was about 0.03 g / cm 2 in the region from the open end of the plating layer of the oxygen separator tube prepared above to about 15 mm. It was applied and naturally dried to form a metal paste coating layer 5. The oxygen separation tube was attached to an aluminum bronze metal flange (metal member 4) and joined using a silver solder containing only silver. The joining conditions were the same as in Example 1.

接合された複合構造体の接合部位は、外観上、綺麗に仕上がっており、なおかつ、常温下での接合部におけるリークが無いことを確認した。また、900℃で酸素分離実験を行ったところ、酸素純度99.9999%以上(ガスクロマトグラフィーで不純物ガスは検出限界以下)を確認し、接合部における高温でのリークは皆無と判断された。更に、常温と900℃の間での熱サイクル試験を、実施例1と同じ方法で15回繰り返し実施したが、常温/高温(900℃)共リークは全く認められず、信頼性の高い接合体(複合構造体)となっていることが分かった。   It was confirmed that the bonded portion of the bonded composite structure was finished in appearance and that there was no leakage at the bonded portion at room temperature. When an oxygen separation experiment was performed at 900 ° C., it was confirmed that the oxygen purity was 99.9999% or more (impurity gas was below the detection limit by gas chromatography), and it was judged that there was no leakage at high temperature at the junction. Furthermore, the thermal cycle test between room temperature and 900 ° C. was repeated 15 times in the same manner as in Example 1. However, no leak at room temperature / high temperature (900 ° C.) was observed at all, and a highly reliable joined body. It turned out that it became (composite structure).

(実施例3)
実施例1と同様の方法で、各種酸素分離管を作製した。いずれの分離管も、多孔質支持管の気孔率25〜40%、混合伝導性固体電解質(固体電解質セラミックス2)の緻密膜厚み40〜70μmとなるよう調製した。得られた分離管の開放端から20mm程度までの領域を、条件を変えて金属ペースト塗布、又は、金属めっき処理を行ってから金属ペースト塗布し、実施例1と同様の手順で、アルミニウム青銅製金属フランジ(金属部材4)と添加物を含まない銀を銀ろうに用いて、接合した。
(Example 3)
Various oxygen separation tubes were produced in the same manner as in Example 1. All the separation tubes were prepared so that the porosity of the porous support tube was 25 to 40% and the dense membrane thickness of the mixed conductive solid electrolyte (solid electrolyte ceramics 2) was 40 to 70 μm. The region from the open end of the obtained separation tube to about 20 mm is coated with a metal paste under different conditions, or after applying a metal plating treatment, and then applied with a metal paste. A metal flange (metal member 4) and silver containing no additive were used for the silver solder and joined.

得られた複合構造体の信頼性を評価、比較を行った。比較の方法は、常温から900℃の温度領域で2回の熱履歴を加え、3度目の高温(900℃)における酸素分離実験で、分離酸素の純度を評価することにより行った。結果を表1にまとめる。   The reliability of the obtained composite structure was evaluated and compared. The comparison method was performed by adding two thermal histories in the temperature range from room temperature to 900 ° C. and evaluating the purity of the separated oxygen in a third oxygen separation experiment at a high temperature (900 ° C.). The results are summarized in Table 1.

Figure 0004808526
Figure 0004808526

表中の判定は、酸素純度の低下が無く、接合の信頼性の高いものを◎、若干の酸素純度の低下は認められるものの、依然として高い信頼性が認められるものを○、接合の信頼性が低いものを×として表記している。表から分かるように、本発明によって得られた複合構造体は、いずれも判定が○以上であり、信頼性の高い接合構造体となっていることが確認された。   Judgment in the table indicates that there is no decrease in oxygen purity and the bonding reliability is high, and a slight decrease in oxygen purity is recognized, but a high reliability is still recognized as good, and the bonding reliability is The lower one is marked as x. As can be seen from the table, the composite structures obtained by the present invention were all judged to be good or better, and it was confirmed that they were highly reliable joint structures.

(実施例4)
実施例1と同様の方法で、多孔質支持体1、固体電解質セラミックス2の緻密膜共にBa0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2xで構成された膜型反応器用の反応管を作製した。多孔質支持体1の気孔率30〜40%、固体電解質セラミックス2の緻密膜厚み50〜70μmとなるよう調製した。得られた反応管の開放端から20mm程度までの領域に、実施例1と同じ組成の金属ペーストを筆塗りして、金属ペーストを塗布した。さらに、実施例1と同様の手順で、ステンレスSUS310S製金属フランジ(金属部材4)と、銀に対して1質量%の銅を含む銀ろうを用いて、大気雰囲気、970℃、20分にて接合した。
Example 4
In the same manner as in Example 1, a reaction tube for a membrane reactor in which the porous support 1 and the dense membrane of the solid electrolyte ceramics 2 were both composed of Ba 0.5 Sr 0.5 Co 0.8 Fe 0.2 O x was produced. The porous support 1 was prepared to have a porosity of 30 to 40%, and a solid electrolyte ceramic 2 having a dense film thickness of 50 to 70 μm. A metal paste having the same composition as in Example 1 was applied by brushing to an area from the open end of the obtained reaction tube to about 20 mm, and the metal paste was applied. Further, in the same procedure as in Example 1, using a stainless steel SUS310S metal flange (metal member 4) and a silver solder containing 1% by mass of copper with respect to silver, in an air atmosphere at 970 ° C. for 20 minutes. Joined.

接合された複合構造体は、外観上綺麗に仕上がっており、接合部におけるリークが無いことを確認した。さらに、複合構造体の信頼性を確認するため、常温から900℃の温度領域で熱履歴を最大10回繰り返し再びリークを評価したが、変わらずリークは無かった。この結果より、本発明によって作製された膜式反応器用の複合構造体は、信頼性が高いことが確認された。   It was confirmed that the joined composite structure was finished in appearance and there was no leakage at the joint. Furthermore, in order to confirm the reliability of the composite structure, the heat history was repeated up to 10 times in the temperature range from room temperature to 900 ° C., and the leak was evaluated again, but there was no leak. From this result, it was confirmed that the composite structure for a membrane reactor produced by the present invention has high reliability.

本発明の代表的構造を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the typical structure of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 多孔質支持体
2 固体電解質セラミックス
3 銀ろう
4 金属部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Porous support body 2 Solid electrolyte ceramics 3 Silver solder 4 Metal member

Claims (13)

固体電解質セラミックスと金属部材とが銀ろうによって接合されている複合構造体であって、
前記固体電解質セラミックスの少なくとも銀ろう接合する部位の表面に金属めっき層を形成した後、前記金属めっき層の表面に銀と銅とを含んでいる金属ペースト塗布層を形成し、更に前記金属ペースト塗布層を介して、前記固体電解質セラミックスと前記金属部材とが銀ろう接合されていることを特徴とする複合構造体。
A composite structure in which a solid electrolyte ceramic and a metal member are joined by silver brazing,
After forming a metal plating layer on the surface of at least a portion of the solid electrolyte ceramic that is to be soldered with silver, a metal paste coating layer containing silver and copper is formed on the surface of the metal plating layer, and the metal paste coating is further performed. A composite structure in which the solid electrolyte ceramic and the metal member are joined by silver brazing via a layer.
前記金属めっき層は複数の金属めっき層からなり、前記複数の金属めっき層の中の少なくとも一層が金又は金を含む合金めっき層であることを特徴とする請求項1に記載の複合構造体。   The composite structure according to claim 1, wherein the metal plating layer includes a plurality of metal plating layers, and at least one of the metal plating layers is gold or an alloy plating layer containing gold. 前記金属めっき層は複数の金属めっき層からなり、前記複数の金属めっき層の中の少なくとも一層が銀又は銀を含む合金めっき層であることを特徴とする請求項1に記載の複合構造体。   The composite structure according to claim 1, wherein the metal plating layer includes a plurality of metal plating layers, and at least one of the metal plating layers is silver or an alloy plating layer containing silver. 前記金属めっき層は複数の金属めっき層からなり、前記固体電解質セラミックスに接する第一のめっき層が、ニッケル、コバルト、クロムからなる群の中から1種又は2種以上の組合せからなることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の複合構造体。   The metal plating layer includes a plurality of metal plating layers, and the first plating layer in contact with the solid electrolyte ceramics includes one or a combination of two or more selected from the group consisting of nickel, cobalt, and chromium. The composite structure according to any one of claims 1 to 3. 前記金属めっき層の全体の厚さが0.02μm以上5μm以下であることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の複合構造体。   5. The composite structure according to claim 1, wherein the entire thickness of the metal plating layer is 0.02 μm or more and 5 μm or less. 前記金属ペースト塗布層に含まれる銅が、金属銅粉末又は銀銅合金粉末の何れか一方又は双方として金属ペーストに添加されており、かつ、前記銅の含有量が前記金属ペースト塗布層中の銀に対して0.1質量%以上20質量%以下であることを特徴とする請求項1に記載の複合構造体。   Copper contained in the metal paste coating layer is added to the metal paste as one or both of metal copper powder and silver-copper alloy powder, and the copper content is silver in the metal paste coating layer. It is 0.1 mass% or more and 20 mass% or less with respect to the composite structure of Claim 1 characterized by the above-mentioned. 前記金属ペースト塗布層の塗布量が、前記金属ペースト塗布層中の銀の質量で単位面積あたり0.001g/cm2以上0.1g/cm2以下であることを特徴とする請求項1又は6に記載の複合構造体。 The coating amount of the metal paste coating layer is 0.001 g / cm 2 or more and 0.1 g / cm 2 or less per unit area in terms of the mass of silver in the metal paste coating layer. A composite structure according to 1. 前記銀ろうは、金属成分として90質量%以上の銀が含まれていることを特徴とする請求項1に記載の複合構造体。   2. The composite structure according to claim 1, wherein the silver solder contains 90% by mass or more of silver as a metal component. 前記銀ろうは、金属成分として銀のみが含まれていることを特徴とする請求項1に記載の複合構造体。   The composite structure according to claim 1, wherein the silver solder contains only silver as a metal component. 請求項1〜9の何れか1項に記載の複合構造体を有することを特徴とする膜式酸素分離装置。   A membrane oxygen separation apparatus comprising the composite structure according to any one of claims 1 to 9. 請求項1〜9の何れか1項に記載の複合構造体を有することを特徴とする膜型反応器。   A membrane reactor comprising the composite structure according to any one of claims 1 to 9. 請求項1〜9の何れか1項に記載の複合構造体の製造方法であって、
固体電解質セラミックスの接合表面に、予め金属ペースト塗布層を形成してから、前記金属ペースト塗布層部分と金属部材との間に銀ろう部材を配して、前記銀ろうの融点以上に加熱して、前記固体電解質セラミックスと前記金属部材とを銀ろう接合することを特徴とする複合構造体の製造方法。
A method for producing a composite structure according to any one of claims 1 to 9,
A metal paste coating layer is formed in advance on the joining surface of the solid electrolyte ceramics, and then a silver brazing member is disposed between the metal paste coating layer portion and the metal member, and heated above the melting point of the silver brazing. A method for producing a composite structure, wherein the solid electrolyte ceramic and the metal member are joined by silver brazing.
請求項1〜9の何れか1項に記載の複合構造体の製造方法であって、
固体電解質セラミックスの接合表面に、一層又は複数層の金属めっき層を形成し、前記金属めっき層の表面に金属ペースト塗布層を形成してから、前記金属ペースト塗布層部分と金属部材との間に銀ろう部材を配して、前記銀ろうの融点以上に加熱して、前記固体電解質セラミックスと前記金属部材とを銀ろう接合することを特徴とする複合構造体の製造方法。
A method for producing a composite structure according to any one of claims 1 to 9,
One or more metal plating layers are formed on the joining surface of the solid electrolyte ceramics, and the metal paste coating layer is formed on the surface of the metal plating layer, and then between the metal paste coating layer portion and the metal member. A method for producing a composite structure, comprising: arranging a silver brazing member and heating to a temperature equal to or higher than the melting point of the silver brazing so that the solid electrolyte ceramic and the metal member are joined by silver brazing.
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