JP4995411B2 - Ceramic joined body and solid oxide fuel cell using the same - Google Patents
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Description
本発明は、セラミックス接合体及びそれを用いた固体電解質形燃料電池に関する。更に詳しくは、セラミックス基盤とそれを保持する金属枠板との接合性が良く、長期使用しても接合部からガスが漏れにくいセラミックス接合体及びそれを用いた固体電解質形燃料電池に関する。
本セラミックス接合体は、セラミックス固体電解質を用いて発電する固体電解質形燃料電池や、反応分離膜において広く利用することができる。また、反応分離膜は水素製造装置や酸素濃縮機等に用いることができる。
The present invention relates to a ceramic joined body and a solid oxide fuel cell using the same. More specifically, the present invention relates to a ceramic joined body that has good bonding properties between a ceramic substrate and a metal frame plate that holds the ceramic substrate, and gas hardly leaks from a bonded portion even after long-term use, and a solid oxide fuel cell using the same.
The ceramic joined body can be widely used in a solid electrolyte fuel cell that generates electric power using a ceramic solid electrolyte and a reaction separation membrane. The reaction separation membrane can be used in a hydrogen production apparatus, an oxygen concentrator, or the like.
電解質を厚くして基板とする電解質支持型の固体電解質形燃料電池では、燃料ガス及び空気が混合しないように、コンプレッションシール(特許文献1を参照。)、シール材によるシール(特許文献2を参照。)等の様々なガスシール構造が検討されている。
しかしながら、電解質支持型は、電解質の厚みのために高抵抗であって発電効率が悪い。このため、多孔質電極を支持体として電解質を薄くする構造が検討されている。例えば、燃料極支持型燃料電池のセルは、異種材料を積層して、一体焼結を行うため比較的反りやすいセラミックス積層体であるが、高い電気抵抗となる電解質を薄く形成するため大幅に電気抵抗が小さくなり、固定電解質型燃料電池の運転温度を下げることができる。このため、接合部の耐熱限界を下げることも可能となる。しかし、多孔質電極から燃料ガスや支燃性ガスが漏れることがある。
また、セラミックス基盤に金属製の保持薄板枠を接合することが言及されているが(特許文献3を参照。)、図10及び11に例示するように、セラミックス基盤の接合時の熱処理によって金属製の保持薄板枠の接合部にしわ及びうねり等が生じる場合がある。
In an electrolyte-supported solid electrolyte fuel cell using a thick electrolyte as a substrate, a compression seal (see Patent Document 1) and a seal with a sealing material (see Patent Document 2) are used so that fuel gas and air are not mixed. Various gas seal structures such as.) Are being studied.
However, the electrolyte support type has high resistance due to the thickness of the electrolyte and has poor power generation efficiency. For this reason, a structure in which the electrolyte is thinned using a porous electrode as a support has been studied. For example, a cell of a fuel electrode-supported fuel cell is a ceramic laminate that is relatively easy to warp because different materials are laminated and integrally sintered. However, since an electrolyte that has high electrical resistance is formed thinly, The resistance is reduced, and the operating temperature of the fixed electrolyte fuel cell can be lowered. For this reason, it becomes possible to reduce the heat-resistant limit of a junction part. However, fuel gas or combustion-supporting gas may leak from the porous electrode.
In addition, it is mentioned that a metal holding thin plate frame is bonded to a ceramic substrate (see Patent Document 3). As illustrated in FIGS. 10 and 11, the metal substrate is heated by heat treatment during bonding of the ceramic substrate. In some cases, wrinkles, undulations, etc. may occur at the joint of the holding thin plate frame.
更に、大きなセラミックス基盤を作製する場合、平坦な板状とするのが難しい。特に、燃料極支持型燃料電池のように、燃料極及び電解質層を一体焼成する場合は、異種材料を積層するため、焼成時の収縮挙動が異なり、そり、うねり及び凹凸等の変形を生じる原因となる。また、これらの変形の修正も困難である。
更に、これらの変形があると、枠板との隙間が生じやすく、製造時及び使用中に隙間が生じてガス漏れが起きる場合があり、長期に渡った運転時にガス漏れがなく、確実なガスシールであることが求められている。
Furthermore, when producing a large ceramic substrate, it is difficult to form a flat plate. In particular, when the fuel electrode and the electrolyte layer are integrally fired, such as a fuel electrode-supported fuel cell, the dissimilar materials are laminated, so the shrinkage behavior during firing is different, causing deformation such as warpage, undulation, and unevenness. It becomes. In addition, it is difficult to correct these deformations.
Furthermore, if there is such a deformation, a gap with the frame plate is likely to occur, and there may be a gap during production and use, resulting in a gas leak. It is required to be a seal.
本発明は、上記問題点を解決するものであり、反り、うねり、凹凸を伴うセラミックス基盤であっても、それと保持する金属枠板との接合性が良く、固体電解質形燃料電池や、反応分離膜等の用途に、長期に渡る運転に十分耐えうるガスシール性及び耐熱性を具備した接合部を備えるセラミックス接合体及びそれを用いた固体電解質形燃料電池を提供することを目的とする。また、接合材が接合部に不均一に分布し、余剰の接合材が接合部外に溜まり、不良を発生する問題があるが、その不良の発生を抑え、安定した接合部を備えるセラミックス接合体及びそれを用いた固体電解質形燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned problems, and even a ceramic substrate with warpage, undulation, and unevenness has good bondability with a metal frame plate to hold it, and it is a solid oxide fuel cell and reaction separation It is an object of the present invention to provide a ceramic joined body including a joined portion having gas sealability and heat resistance that can sufficiently withstand a long-term operation for a membrane and the like, and a solid electrolyte fuel cell using the same. In addition, there is a problem in that the bonding material is unevenly distributed in the bonding portion, and excess bonding material accumulates outside the bonding portion, causing defects, but the occurrence of the defect is suppressed, and the ceramic bonded body having a stable bonding portion It is another object of the present invention to provide a solid oxide fuel cell using the same.
本発明の固体電解質形燃料電池は、以下の通りである。
1.セラミックス基盤と、該セラミックス基盤の周縁部に接合された金属枠板とを備え、該セラミックス基盤及び該金属枠板の接合部における接合層の厚さは5〜200μmでり、該セラミックス基盤と該金属枠板とがロウ付けにより上記接合されており、
耐熱性緩衝材上に上記金属枠板、ロウからなる接合材、上記セラミックス基盤をこの順に積み重ね、更に積層方向に圧力を加えた状態で熱処理を行って上記接合されたことを特徴とするセラミックス接合体。
2.上記金属枠板の厚さは、0.02〜0.5mmである上記1.に記載のセラミックス接合体。
3.上記圧力は、500Pa以上である上記1.又は2.に記載のセラミックス接合体。
4.上記セラミックス基盤は、固体電解質形燃料電池を構成する燃料極、固体電解質層及び空気極の積層体であり、該固体電解質層に上記金属枠板が接合された上記1.乃至3.のいずれかに記載のセラミックス接合体。
5.上記セラミックス基盤は、反応分離膜である上記1.乃至3.のいずれかに記載のセラミックス接合体。
6.上記1.乃至4.のいずれかに記載のセラミックス接合体を備えることを特徴とする固体電解質形燃料電池。
The solid oxide fuel cell of the present invention is as follows.
1. A ceramic substrate and a metal frame plate bonded to a peripheral portion of the ceramic substrate, and a thickness of a bonding layer in the bonded portion of the ceramic substrate and the metal frame plate is 5 to 200 μm. The metal frame plate is joined by brazing ,
Ceramic bonding characterized in that the metal frame plate, the bonding material made of brazing, and the ceramic substrate are stacked in this order on a heat-resistant cushioning material, and further subjected to heat treatment in a state in which pressure is applied in the stacking direction. body.
2. The metal frame plate has a thickness of 0.02 to 0.5 mm. The ceramic joined body according to 1.
3 . The pressure is 500 Pa or more . Or 2. The ceramic joined body according to 1.
4 . The ceramic substrate is a laminate of a fuel electrode, a solid electrolyte layer, and an air electrode constituting a solid electrolyte fuel cell, and the metal frame plate is bonded to the solid electrolyte layer . To 3. The ceramic joined body according to any one of the above.
5 . The ceramic substrate is a reaction separation membrane. Thru 3 . The ceramic joined body according to any one of the above.
6 . Above 1. To 4 . A solid oxide fuel cell comprising the ceramic joined body according to any one of the above.
本発明のセラミックス接合体によれば、セラミックス基盤及び金属枠板の接合部の接合層の厚さを所定の範囲内にすることで、両者間の接合性を高め、固体電解質形燃料電池や反応分離膜に本セラミックス接合体を用いる場合において、長期に渡る使用に十分耐えうるものとすることができる。
更に、セラミックス基盤と金属枠板とをロウ付けしたので、接合部からのガス漏れを防ぎ、500℃以上の環境で長時間耐えうるガスシールを得ることができる。
更に、金属枠体の厚さを0.5mm以下とする場合は、金属枠板がセラミックス基盤の端部側の表面形状に合わせて変形し、密着した接合部を備えることができる。
また、耐熱性緩衝材上に金属枠体等を積み重ね、更に圧力を加えた状態で熱処理を行って接合するので、金属枠板をセラミックス基盤に密着させ、ガスが漏れない接合部を備えることができる。
更に、圧力を500Pa以上とすることで、金属枠板をセラミックス基盤に密着させた接合部を備えることができる。
このようなセラミックス接合体を用いた固体電解質形燃料電池に用いる場合は、接合部からのガス漏れを防ぎ、500℃以上の環境で長時間の運転に耐えうることができる。
このようなセラミックス接合体を反応分離膜に用いる場合は、接合部からのガス漏れを防ぎ長時間の運転に耐えうることができる。
このようなセラミックス接合体を用いた固体電解質形燃料電池は、接合部からのガス漏れを防ぎ、500℃以上の環境で長時間耐えうることができる。
According to the ceramic joined body of the present invention, the thickness of the joining layer of the joined portion of the ceramic substrate and the metal frame plate is set within a predetermined range, so that the joining property between the two is improved, and the solid oxide fuel cell and reaction In the case of using the present ceramic joined body for the separation membrane, it can sufficiently withstand long-term use.
Moreover, the ceramic base and the metal frame plate so brazed prevents gas leakage from the joint portion, it is possible to obtain a gas seal which can withstand a long time at 500 ° C. or higher environment.
Furthermore, when the thickness of the metal frame is 0.5 mm or less, the metal frame plate can be deformed in accordance with the surface shape on the end side of the ceramic substrate and can be provided with a tightly joined portion.
Further, stacking a metal frame body or the like on the heat-resistant cushioning material, since further bonded by heat treatment in a condition of a pressure, the metal frame plate is adhered to the ceramic base, it is provided with a joint gas leakage it can.
Furthermore, by setting the pressure to 500 Pa or more, it is possible to provide a joint portion in which the metal frame plate is in close contact with the ceramic substrate.
When used in a solid oxide fuel cell using such a ceramic joined body, it is possible to prevent gas leakage from the joined portion and withstand long-time operation in an environment of 500 ° C. or higher.
When such a ceramic joined body is used for the reaction separation membrane, it is possible to prevent gas leakage from the joined portion and endure long-time operation.
A solid oxide fuel cell using such a ceramic joined body can prevent gas leakage from the joined portion and can withstand a long time in an environment of 500 ° C. or higher.
以下、本発明のセラミックス接合体を図1〜11を用いて詳細に説明する。
1.セラミックス接合体の構成
本セラミックス接合体は、平板状セラミックス基盤と、このセラミックス基盤の周縁部に設けられた金属枠板とを備える。
上記「セラミックス基盤」の材質は特に限定されず、酸化物系セラミックス、窒化物系セラミックス、炭化物系セラミックス及びケイ化物系セラミックス等が挙げられる。酸化物系セラミックスとしては、ジルコニア、マグネシア、スピネル、アルミナ、チタニア等が挙げられる。また、2種以上の元素を含有する複合酸化物からなるセラミックスが挙げられる。窒化物系セラミックスとしては、窒化ケイ素、窒化チタン、窒化ホウ素等が挙げられる。炭化物系セラミックスとしては、炭化ケイ素、炭化タングステン等が挙げられる。ケイ化物系セラミックスとしては、ケイ化モリブデン等が挙げられる。これらのセラミックスは、セラミックス接合体の用途によって選択することができる。
Hereinafter, the ceramic joined body of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
1. Configuration of Ceramic Bonded Body This ceramic bonded body includes a flat ceramic substrate and a metal frame plate provided on the peripheral edge of the ceramic substrate.
The material of the “ceramic base” is not particularly limited, and examples thereof include oxide ceramics, nitride ceramics, carbide ceramics, and silicide ceramics. Examples of oxide ceramics include zirconia, magnesia, spinel, alumina, and titania. Moreover, the ceramic which consists of complex oxide containing 2 or more types of elements is mentioned. Examples of nitride ceramics include silicon nitride, titanium nitride, boron nitride and the like. Examples of the carbide ceramics include silicon carbide and tungsten carbide. Examples of silicide ceramics include molybdenum silicide. These ceramics can be selected according to the application of the ceramic joined body.
例えば、固体電解質形燃料電池を構成する固体電解質層及び電極等に用いられるセラミックス基盤の材質は、NiO、YSZ、La1−xSrxMnO3系複合酸化物、BaCeO3系酸化物及びLaGaO3系酸化物等を用いることができる。また、セラミックス基盤は1層のセラミックス焼結体から形成されていても良いし、複数層のセラミックス焼結体から形成されていても良い。例えば、基盤の主な構成要素となり最も厚みがある燃料極上に、固体電解質及び空気極の3層を積層したセラミックス基盤を挙げることができる。更に、複数層からなる場合は、任意の層と金属枠体とを接合することができる。例えば、前述の3層からなるセラミックス基盤においては、燃料極、固体電解質及び空気極のいずれかを金属枠体と接合することができる。 For example, the material of the ceramic base to be used in the solid electrolyte layer and electrode, and the like constituting the solid electrolyte fuel cell, NiO, YSZ, La 1- x Sr x MnO 3 composite oxide, BaCeO 3 based oxide and LaGaO 3 A system oxide or the like can be used. The ceramic substrate may be formed from a single layer of ceramic sintered body, or may be formed from a plurality of layers of ceramic sintered body. For example, a ceramic substrate in which three layers of a solid electrolyte and an air electrode are stacked on a fuel electrode that is the main component of the substrate and has the largest thickness can be given. Furthermore, when it consists of multiple layers, an arbitrary layer and a metal frame can be joined. For example, in the above-described three-layer ceramic substrate, any one of the fuel electrode, the solid electrolyte, and the air electrode can be bonded to the metal frame.
また、反応分離膜に用いられるセラミックス基盤は、酸素等の特定ガスのみを透過するYSZ、LaGaO3系酸化物等の酸素伝導性セラミックスやBaCeO3系酸化物等のプロトン伝導性セラミックス、水素透過性金属のパラジウムを保持するためのアルミナ等セラミックス支持体を用いることができる。
更に、セラミックス基盤の形状は特に限定されず、例えば四角形状(正方形状、長方形状及び台形状等を例示できる)、丸形状(真円形状、楕円形状及びトラック形状等を例示できる)等を挙げることができる。
セラミックス基盤は、金属枠体との接合面の凹凸が少なく平坦であることが好ましい。また、凹凸によってあらわれる高低差D(例えば、図7を参照)は、1.0mm(特に好ましくは0.9mm以下、更に好ましくは0.8mm以下)が好ましい。高低差Dが大きすぎると、接合時に金属枠体の接合部にしわ及びうねり等が生じやすく、十分な接合強度を得ることができない。また、接合部に隙間が生じてガス漏れなどの原因になるからである。
The ceramic substrate used for the reaction separation membrane is composed of oxygen-conducting ceramics such as YSZ and LaGaO 3 -based oxides, proton-conducting ceramics such as BaCeO 3 -based oxides that transmit only specific gases such as oxygen, and hydrogen permeability. A ceramic support such as alumina for holding metallic palladium can be used.
Further, the shape of the ceramic substrate is not particularly limited, and examples thereof include a quadrangular shape (a square shape, a rectangular shape, a trapezoidal shape and the like can be exemplified), a round shape (a perfect circle shape, an elliptical shape, a track shape and the like can be exemplified), and the like. be able to.
The ceramic substrate is preferably flat with few irregularities on the joint surface with the metal frame. Further, the height difference D (for example, see FIG. 7) that appears due to the unevenness is preferably 1.0 mm (particularly preferably 0.9 mm or less, more preferably 0.8 mm or less). If the height difference D is too large, wrinkles and undulations are likely to occur at the joint of the metal frame during joining, and sufficient joining strength cannot be obtained. Moreover, it is because a clearance gap arises in a junction part and it causes a gas leak.
上記「金属枠板」は、本セラミックス接合体を固体電解質形燃料電池や反応分離膜に用いる場合にセパレータとして用いられるものであり、用途に合わせて任意の金属を選択することができる。例えば、固体電解質形燃料電池の隔離セパレータとして用いる場合は、使用時の温度である500℃〜900℃の範囲で劣化することなく、燃料ガス及び支燃性ガスが混合しないように隔離することができる金属を選択することができる。このような金属として、ステンレス鋼、ニッケル基合金及びクロム基合金を例示することができる。
ステンレス鋼としては、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼が挙げられる。フェライト系ステンレス鋼としては、SUS430以外に、SUS434及びSUS405等が挙げられる。マルテンサイト系ステンレス鋼としては、SUS403、SUS410及びSUS431等が挙げられる。オーステナイト系ステンレス鋼としては、SUS201、SUS301、SUS305等が挙げられる。更に、ニッケル基合金としては、インコネル600、インコネル718、インコロイ802等が挙げられる。クロム基合金としては、Ducrlloy CRF(94Cr5Fe1Y2O3)等が挙げられる。これらの各種の耐熱合金は、それぞれ固体電解質形燃料電池の用途等によって選択することができる。
The “metal frame plate” is used as a separator when the ceramic joined body is used for a solid oxide fuel cell or a reaction separation membrane, and any metal can be selected according to the application. For example, when used as an isolation separator for a solid oxide fuel cell, the fuel gas and the combustion-supporting gas may be isolated so as not to be mixed without deteriorating in the range of 500 ° C. to 900 ° C., which is the temperature during use. Possible metals can be selected. Examples of such metals include stainless steel, nickel-based alloys, and chromium-based alloys.
Examples of the stainless steel include ferritic stainless steel, martensitic stainless steel, and austenitic stainless steel. Examples of ferritic stainless steel include SUS434 and SUS405 in addition to SUS430. Examples of martensitic stainless steel include SUS403, SUS410, and SUS431. Examples of austenitic stainless steel include SUS201, SUS301, and SUS305. Further, examples of the nickel-based alloy include Inconel 600, Inconel 718, Incoloy 802, and the like. Examples of the chromium-based alloy include Ducrloy CRF (94Cr5Fe1Y 2 O 3 ). These various heat-resistant alloys can be selected according to the use of the solid oxide fuel cell, respectively.
また、金属枠板の厚さは、0.02〜0.5mm(好ましくは0.03〜0.4mm、更に好ましくは0.03〜0.3mm)が好ましい。厚さが0.5mmを越えると、セラミックス基盤との接合時に金属枠板の変形量が小さくなり、セラミックス基盤の平面形状に沿った変形が期待できないためである。つまり、薄い金属枠板の方が変形し易いため、良好な接合部を得るのに適している。 Further, the thickness of the metal frame plate is preferably 0.02 to 0.5 mm (preferably 0.03 to 0.4 mm, more preferably 0.03 to 0.3 mm). This is because if the thickness exceeds 0.5 mm, the amount of deformation of the metal frame plate becomes small during bonding with the ceramic substrate, and deformation along the planar shape of the ceramic substrate cannot be expected. That is, since the thin metal frame plate is more easily deformed, it is suitable for obtaining a good joint.
本セラミックス接合体は、セラミックス基盤の周縁部の形状に沿うように金属枠体が密着した接合部を備えることが好ましい。この「周縁部」は、図6に例示するように、セラミックス基盤100の周縁側の表面であり、金属枠体と接合するために必要な幅を備えた部分である。また、この「セラミックス焼結体の形状に沿う」とは、金属枠板のセラミックス基盤との接合部分が、セラミックス基盤の周縁部の表面形状に合わせて変形していることが認められるもので、接合層の厚さが均一になっていると認められるもののことを示す。このような厚さS(例えば図6を参照)は、5〜200μm(特に好ましくは10〜180μm、更に好ましくは10〜170μm)が好ましい。
The ceramic bonded body preferably includes a bonded portion in which the metal frame is in close contact with the shape of the peripheral edge of the ceramic substrate. As illustrated in FIG. 6, the “peripheral portion” is a surface on the peripheral side of the
セラミックス基盤及び金属枠板の接合方法は、気密性を保ち、耐熱性が良好な接合方法たるロウ付けが用いられる。
ロウ付けに用いるロウ材は特に限定されず、例えばパラジウムを含有(例えば、2〜30質量%、好ましくは3〜10質量%)する銀等を挙げることができる。
Method of joining ceramics base and the metal frame plate, the air-tightness Chi retention, heat resistance good bonding method serving brazing is used.
The brazing material used for brazing is not particularly limited, and examples thereof include silver containing palladium (for example, 2 to 30% by mass, preferably 3 to 10% by mass).
更に、セラミックス基盤及び金属枠板を接合する方法は、図8、9に例示するように、耐熱性緩衝材(セッタ)95上に、金属枠板用の金属板23、接合材(図示せず)、セラミックス基盤となるセラミックス100をこの順に積み重ね、重り96等を用いて圧力を掛けた状態で熱処理を行う方法を採用する。
また、上記圧力は、500Pa(約5g/cm2、特に好ましくは550Pa、更に好ましくは600Pa)以上が好ましい。
Further, as illustrated in FIGS. 8 and 9, the method of joining the ceramic substrate and the metal frame plate is performed on the heat-resistant buffer material (setter) 95 on the
The pressure is preferably 500 Pa (about 5 g / cm 2 , particularly preferably 550 Pa, more preferably 600 Pa) or more.
上記「耐熱性緩衝材」は、セラミックス、金属及びガラス等の耐熱材を例示することができる。また、セラミックス及びガラスを用いた耐熱性緩衝材の形態として、フェルト、不織布及び織布等を挙げることができる。更に金属を用いた耐熱性緩衝材の形態として、発泡体、多孔体、フェルト、不織布及び織布等を挙げることができる。このような耐熱性緩衝材を敷いて接合のための熱処理を行うことによって、金属枠板がセラミックス基盤の周縁部になめらかに沿って、良好な接合部を得ることができる。
また、上記セラミックスとしてアルミナ、マグネシア、ジルコニア等を、上記金属としてステンレス、ニッケル、銅等を例示することができる。
Examples of the “heat-resistant buffer material” include heat-resistant materials such as ceramics, metal, and glass. Moreover, felt, a nonwoven fabric, a woven fabric, etc. can be mentioned as a form of the heat resistant buffer material using ceramics and glass. Furthermore, examples of the form of the heat-resistant cushioning material using metal include foams, porous bodies, felts, nonwoven fabrics, and woven fabrics. By laying such a heat-resistant cushioning material and performing a heat treatment for bonding, a good bonded portion can be obtained along the metal frame plate smoothly along the peripheral edge of the ceramic substrate.
Examples of the ceramic include alumina, magnesia, zirconia, and the like, and examples of the metal include stainless steel, nickel, copper, and the like.
2.固体電解質形燃料電池の構成
このようなセラミックス接合体を用いた燃料極支持型の固体電解質形燃料電池1を図2に例示する。この固体電解質形燃料電池1は、燃料極12、固体電解質層11及び空気極13がこの順に積層され、燃料極12と空気極13の間が隔離セパレータ23で隔離される構造であれば良く、燃料極12、固体電解質層11及び空気極13のいずれも基体とすることができる。
2. Structure of Solid Electrolyte Fuel Cell A fuel electrode support type solid
また、固体電解質形燃料電池1は、各種の構造のものがあり、複数の発電層10が金属製のセル間セパレータ21を介して積層され、形成されているものがある。この燃料電池1において各々の発電層10は単セル100を備え、それぞれの単セル100は、固体電解質層11と、この固体電解質層11の一面に設けられた燃料極12と、他面に設けられた空気極13とを有する。更に、単セル100がセラミックス基盤、隔離セパレータ23が金属枠板に相当する。
更に、各々の単セル100の燃料極12及び空気極13とセル間セパレータ21とは、それぞれ燃料極側集電体41及び空気極側集電体42により電気的に接続することができる。また、各々の発電層10は、燃料ガスの流路と、支燃性ガスである空気の流路とを隔離するための隔離セパレータ23を備える。更に、それぞれの発電層10間を電気的に絶縁するため、セラミック等の絶縁体からなる絶縁板7が、積層方向の所定部分に配設されることもある。
The solid
Furthermore, the
固体電解質層11は、ZrO2、BaCeO3系酸化物、及びLaGaO3系酸化物のうち、少なくとも一つからなることが好ましい。また、これらのうち、ZrO2系酸化物を用いた固体電解質が特に好ましい。
この固体電解質層11は、本固体電解質形燃料電池1の動作時に燃料極12に導入される燃料ガス又は空気極13に導入される支燃性ガスのうち一方の少なくとも一部をイオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。どのようなイオンを伝導することができるかは特に限定されないが、イオンとしては、例えば、酸素イオン及び水素イオン等が挙げられる。
尚、この固体電解質層11の厚さは電気抵抗と強度とを勘案し、5〜100μm、特に5〜50μm、更には5〜30μmとすることができる。
The
The
The thickness of the
燃料極12は、Ni及びYSZ等により形成することができる。この燃料極12は、水素源となる燃料ガスと接触し、単セル100における負電極として機能する。
また、燃料極12の形成に用いる材料もNi及びYSZに限定されず、固体電解質形燃料電池1の使用条件等により適宜選択することができる。この材料としては、例えば、Pt、Au、Ag、Cu、Pd、Ir、Ru、Rh、Ni及びFe等の金属が挙げられる。これらの金属は1種のみでもよいし、2種以上の金属の合金でもよい。また、これらの金属及び/又は合金と、Y及び希土類元素のうちの少なくとも1種により安定化されたジルコニア等のジルコニア系セラミック、セリア系セラミック及び酸化マンガン等のセラミックとの混合物(サーメットを含む。)が挙げられる。更に、Ni及びCu等の金属の酸化物と、上記セラミックのうちの少なくとも1種との混合物などが挙げられる。
また、燃料極12の平面形状は特に限定されない。
The
Further, the material used for forming the
Further, the planar shape of the
空気極13は、例えばLa1−xSrxMnO3系複合酸化物等により形成することができる。この空気極13は、酸素源となる支燃性ガスと接触し、単セル100における正電極として機能する。
また、空気極13の形成に用いる材料はLa1−xSrxMnO3系複合酸化物に限定されず、固体電解質形燃料電池1の使用条件等により適宜選択することができる。この材料としては、例えば、Pt、Au、Ag、Pd、Ir、Ru及びRh等の金属が挙げられる。これらの金属は1種のみでもよいし、2種以上の金属の合金でもよい。更に、La、Sr、Ce、Co及びMn等の酸化物(例えば、La2O3、SrO、Ce2O3、Co2O3、MnO2及びFeO等)が挙げられる。また、La、Sr、Ce、Co及びMn等のうちの少なくとも1種を含有する各種の複合酸化物(例えば、La1−xSrxFeO3系複合酸化物、La1−xSrxCo1−yFeyO3系複合酸化物、Pr1−xBaxCo1−yFeyO3系複合酸化物及びSm1−xSrxCo1−yFeyO3系複合酸化物等)が挙げられる。
The
The material used for forming the
燃料極側集電体41の材質は、金属が好ましく、例えばNi又はNi基合金等により形成することができる。この燃料極側集電体41の形態は、多孔体、発泡体及び金属繊維からなるフェルト又はメッシュ等を挙げることができる。
空気極側集電体42の材質は、金属及び導電性セラミックを用いることができる。この金属としては、燃料極側集電体41と同様のものを用いることができるが、非弾性の緻密な板状体であってもかまわない。
The material of the fuel electrode side
As the material of the air electrode side
空気極側集電体42は一面で空気極13と接触し、他面でセル間セパレータ21と接触するように設けることができる。また、セル間セパレータ21と接触する面の少なくとも一部において、空気極側集電体42及びセル間セパレータ21をロウ材等の導電性接合材を用いて接合することができる。このような接合材は、空気極側集電体42とセル間セパレータ21とを密着させ、安定して接触させ、接触抵抗が増大することを防止することができる限り特に限定されない。
尚、固体電解質形燃料電池1では、空気極側集電体42とセル間セパレータ21との間等、同様に接合材等により気密にシールする必要のある部分が多くあり、これらの接合操作の際に同時に接合することができる。また、ガラス接合でも良いし、コンプレッションシールでも良い。
更に、これらの集電体41、42は1種の材料のみからなっていてもよく、2種以上の材料からなっていてもよい。また、異なる材料からなるブロックの集合体であってもよい。
The air electrode side
In the solid
Furthermore, these
セル間セパレータ21の材質は金属、特に、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金等の耐熱合金により形成される。尚、セル間セパレータ21の上面に更に他の発電層が積層されない場合は、蓋部材22として機能し、セル間セパレータ21の下面に更に他の発電層が積層されない場合は底部材26として機能する。
更に、固体電解質形燃料電池1の構造によっては、燃料ガス又は支燃性ガスの流路が形成されたセル間セパレータ21が用いることができる。
The material of the
Furthermore, depending on the structure of the solid
燃料ガスは、水素、水素源となる炭化水素、水素と炭化水素との混合ガス、及びこれらのガスを所定温度の水中を通過させ加湿した燃料ガス、これらのガスに水蒸気を混合させた燃料ガス等が挙げられる。炭化水素は特に限定されず、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等が挙げられる。更に、メタン、エタン、プロパン、ブタン及びペンタン等の炭素数が1〜10、好ましくは1〜7、より好ましくは1〜4の飽和炭化水素、並びにエチレン及びプロピレン等の不飽和炭化水素を主成分とするものが好ましく、飽和炭化水素を主成分とするものが更に好ましい。これらの燃料ガスは1種のみを用いてもよいし、2種以上を併用することもできる。また、50体積%以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。 Fuel gas is hydrogen, hydrocarbon as a hydrogen source, mixed gas of hydrogen and hydrocarbon, fuel gas obtained by passing these gases through water at a predetermined temperature and humidified, and fuel gas obtained by mixing these gases with water vapor Etc. The hydrocarbon is not particularly limited, and examples thereof include natural gas, naphtha, and coal gasification gas. Further, the main components are saturated hydrocarbons having 1 to 10, preferably 1 to 7, more preferably 1 to 4 carbon atoms such as methane, ethane, propane, butane and pentane, and unsaturated hydrocarbons such as ethylene and propylene. Those having a saturated hydrocarbon as a main component are more preferable. These fuel gas may use only 1 type and can also use 2 or more types together. Moreover, you may contain inert gas, such as nitrogen and argon of 50 volume% or less.
支燃性ガスは、酸素と他の気体との混合ガス等が挙げられる。また、この混合ガスには80体積%以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスが含有されていてもよい。これらの支燃性ガスのうちでは安全であって、且つ安価であるため空気(約80体積%の窒素が含まれている。)が好ましい。 Examples of the combustion-supporting gas include a mixed gas of oxygen and another gas. The mixed gas may contain 80% by volume or less of an inert gas such as nitrogen and argon. Among these combustion-supporting gases, air (containing about 80% by volume of nitrogen) is preferable because it is safe and inexpensive.
以下、実験例により本発明のセラミックス接合体及びそれを用いた固体電解質形燃料電池1を具体的に説明する(実験例1、3、5、6、7は実施例であり、実験例2、4、8,9は参考例である)。
1.固体電解質形燃料電池1の構造
(1)単セル100及び各種セパレータ等
本実験例1の固体電解質形燃料電池は図1〜3に示すように、3個の発電層10(10a、10b、10c)が積層されている。また、隔離セパレータ23は撓みのない水平の状態で配設されている。尚、発電層10の数は3に限られず任意の数で構成することができる。
この固体電解質形燃料電池1では、3個の発電層10a〜10cがセル間セパレータ21を介して積層されている。各々の発電層10が備える単セル100は、燃料極12を基体とし、その上に固体電解質層11及び空気極13が積層されている。また、単セル100及び隔離セパレータ23は、セラミックス接合体を構成するセラミックス基盤及び金属枠体である。
固体電解質層11は、8YSZからなり、平面形状が正方形であり、厚さが30μmである。
燃料極12は、Ni及び8YSZとからなり、平面方向の形状、寸法が固体電解質層11と同じであり、厚さが2mmである。
空気極13は、LSM(La0.8Sr0.2MnO3)からなり、平面方向の形状が固体電解質層11と同じであり、寸法が固体電解質層11より小さく、厚さが30μmである。
Will be specifically described below ceramic bonding article and a solid
1. Solid electrolyte fuel cell of the solid
In the solid
The
The
The
上部の発電層10aは、セル間セパレータ21の上面に配設されたニッケルフェルトからなる燃料極側集電体41、単セル100、インコネル繊維メッシュからなる空気極側集電体42及び蓋部材22をこの順に備える。この空気極側集電体42と蓋部材22とは、これらが接触する面の全面において、ロウ付けがされており、接合部6が形成されている。
また、上部発電層10aは、それぞれ接合部6を介して下面が固体電解質層11及び金属製枠体82と接合され、上面が絶縁性セラミックであるMgO−MgAl2O4焼結体からなる絶縁板7及び金属製枠体81を介して蓋部材22と接合されている隔離セパレータ23を更に有する。
The upper
The upper
中間部の発電層10bは、セル間セパレータ21の上面に配設された燃料極側集電体41、単セル100及び空気極側集電体42をこの順に備える。この空気極側集電体42は、セル間セパレータ21の下面と上部発電層10aの場合と同様にしてロウ付けされ、接合部6が形成されている。
また、中間部発電層10bは、それぞれ接合部6を介して下面が固体電解質層11及び金属製枠体84と接合され、上面が絶縁板7及び金属製枠体83を介してセル間セパレータ21と接合されている隔離セパレータ23を更に有する。
The intermediate
Further, the intermediate
下部の発電層10cは、底部材26の上面に配設された燃料極側集電体41、単セル100及び空気極側集電体42をこの順に備える。この空気極側集電体42は、セル間セパレータ21の下面と上部発電層10aの場合と同様にしてロウ付けされ、接合部6が形成されている。
また、下部発電層10cは、それぞれ接合部6を介して下面が固体電解質層11及び金属製枠体86と接合され、上面が絶縁板7及び金属製枠体85を介してセル間セパレータ21と接合されている隔離セパレータ23を更に有する。
The lower
The lower
セル間セパレータ21、蓋部材22、隔離セパレータ23、底部材26及び金属製枠体81〜86は、いずれもSUS430によって形成されている。単セルと、それぞれ熱膨張率が略一致する耐熱合金であるからである。更に、隔離セパレータ23の厚さは、0.2mmである。
更に、蓋部材22と金属製枠体81、上部発電層用隔離セパレータ23と金属製枠体82、金属製枠体82とセル間セパレータ21、セル間セパレータ21と金属製枠体83、中間発電層用隔離セパレータ23と金属製枠体84、金属製枠体84とセル間セパレータ21、セル間セパレータ21と金属製枠体85、下部発電層用隔離セパレータ23と金属製枠体86、金属製枠体86と底部材26はそれぞれ接合材により接合され、接合部6が形成されている。また、各金属製枠体と絶縁板7、隔離セパレータ23と絶縁板7もそれぞれ接合材により接合され、接合部6が形成されている。
The
Further, the
(2)ガス導入管及び排出管等
上部発電層10aにおいて図2に示すように、上部発電層10aの隔離セパレータ23とセル間セパレータ21との間に形成された空間には、上部発電層10aの燃料極12に燃料ガスを導入するための燃料ガス導入管91が開口している。また、この空間の燃料ガス導入管91の開口部と対向する側には、上部発電層10aの燃料極12から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出管92が開口している。更に、図3に示すように、蓋部材22と隔離セパレータ23との間に形成された空間には、上部発電層10aの空気極13に支燃性ガスを導入するための支燃性ガス導入管93が開口している。また、この空間の支燃性ガス導入管93の開口部と対向する側には、上部発電層10aの空気極13から支燃性ガスを排出するための支燃性ガス排出管94が開口している。
(2) Gas introduction pipe, exhaust pipe, etc. As shown in FIG. 2 in the upper
また、中間部発電層10bにおいて図2に示すように、隔離セパレータ23とセル間セパレータ21との間に形成された空間には、中間部発電層10bの燃料極12に燃料ガスを導入するための燃料ガス導入管91が開口している。更に、この空間の燃料ガス導入管91の開口部と対向する側には、中間部発電層10bの燃料極12から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出管92が開口している。また、図3に示すように、セル間セパレータ21と隔離セパレータ23との間に形成された空間には、中間部発電層10bの空気極13に支燃性ガスを導入するための支燃性ガス導入管93が開口している。更に、この空間の支燃性ガス導入管93の開口部と対向する側には、中間部発電層10bの空気極13から支燃性ガスを排出するための支燃性ガス排出管94が開口している。
Further, as shown in FIG. 2 in the intermediate
更に、下部発電層10cにおいて図2に示すように、隔離セパレータ23と底部材26との間に形成された空間には、下部発電層10cの燃料極12に燃料ガスを導入するための燃料ガス導入管91が開口している。また、この空間の燃料ガス導入管91の開口部と対向する側には、下部発電層10cの燃料極12から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出管92が開口している。更に、図3に示すように、セル間セパレータ21と隔離セパレータ23との間に形成された空間には、下部発電層の空気極13に支燃性ガスを導入するための支燃性ガス導入管93が開口している。また、この空間の支燃性ガス導入管93の開口部と対向する側には、下部発電層10cの空気極13から支燃性ガスを排出するための支燃性ガス排出管94が開口している。
Further, as shown in FIG. 2 in the lower
また、各発電層10a〜10cの各々に燃料ガス又は支燃性ガスを導入し、又は排出するためのそれぞれの管は、本管に側管が取り付けられた構造であり、各発電層10a〜10cの各々の単セルに燃料ガス及び支燃性ガスが同時に導入され、且つ排出される。更に、燃料ガス導入管と燃料ガス排出管、及び支燃性ガス導入管と支燃性ガス排出管は、この実施例1の場合は、燃料ガス及び支燃性ガスがそれぞれ対向方向に流通するような位置に取り付けられている。これにより、各発電層10a〜10cのそれぞれの単セル100の各々の燃料極と燃料ガス、及び空気極と支燃性ガスをそれぞれ効率よく接触させることができる。
In addition, each pipe for introducing or discharging fuel gas or combustion-supporting gas to each of the power generation layers 10a to 10c has a structure in which a side pipe is attached to the main pipe. Fuel gas and combustion-supporting gas are simultaneously introduced into and discharged from each
2.燃料ガス及び支燃性ガス
実験例1の固体電解質形燃料電池を用いて発電させる場合、燃料極側には燃料ガスを導入し、空気極側には支燃性ガスを導入する。
2. Case of generating electric power using a solid electrolyte fuel cell of the fuel gas and combustion-supporting gas Experiment Example 1, the fuel electrode side by introducing a fuel gas, the air electrode side introduces a combustion-supporting gas.
3.固体電解質形燃料電池の発電及び電力の取り出し
この固体電解質形燃料電池1は、上部発電層10aの空気極13が、空気極側集電体42を介して蓋部材22に電気的に接続されている。上部発電層10aの燃料極12は、燃料極側集電体41を介してセル間セパレータ21と電気的に接続されている。また、このセル間セパレータ21は、空気極側集電体42を介して中間部発電層10bの空気極13と接続されている。更に、中間部発電層10bの燃料極12は、燃料極側集電体41を介してセル間セパレータ21と電気的に接続されている。また、このセル間セパレータ21は、空気極側集電体42を介して下部発電層10cの空気極13と電気的に接続されている。更に、下部発電層10cの燃料極12は、燃料極側集電体41を介して底部材26に電気的に接続されている。このように発電層10a〜10cは各々直列に接続されており、蓋部材22及び底部材26から電力を取り出すことができる。
また、本固体電解質形燃料電池1を所定の動作温度に昇温させ、燃料ガス導入管91に水素等の燃料ガスを導入して燃料極12と接触させ、支燃性ガス導入管93に空気等の支燃性ガスを導入して空気極13と接触させることにより、燃料電池として機能することができる。
本固体電解質形燃料電池1は、3個の単セルがそれぞれ燃料極支持型であり、この構造の場合、600℃程度の動作温度でも電流を取り出すことができる。
3. Power generation and extraction of power of the solid oxide fuel cell In this solid
The solid
In the solid
4.試験
(1)接合性評価
このような固体電解質形燃料電池に用いるセラミックス接合体の性能を調べるために、次の接合性評価を行った。このセラミックス接合体は、図4〜6に示すように、セラミックス基盤100及び金属枠体23を接合したものである。
使用したセラミックス基盤100は、200mm角、正方形状である。また、セラミックス基盤100は、厚さ2mmのNi及び8YSZとからなる燃料極層、及び厚さ30μmの8YSZからなる固体電解質層積層体である。
また、金属枠体23は、300mm角、厚さ0.2mmのSUS430であり、中央に180mm角の正方形状の穴を設けてある。このため、セラミックス基盤及び金属枠体の接合代の幅は10mmである。
また、図8及び9に示すようにセッタ95上に、セラミックス基盤100、接合材(図示せず)、金属枠体23を積層し、その上に、500gの重り96を載せ、1050℃、30分間の熱処理を行って接合した。その結果を表1に示す。
セッタは、アルミナ製セラミックスの平板、SUS430製の金属板、アルミナ製セラミックスフェルト(厚さ;2mm)、SUS430製の金属発泡体(厚さ;2mm)を用いた。
接合材は、ロウ付け又はガラス接合を用いた。更に、ロウ付けは、銀にパラジウムを5質量%添加したロウ材で行った。また、ガラス結合は、結晶化温度900℃の多成分添加ケイ酸塩ガラスを用いた。
4). Test (1) Bondability evaluation In order to examine the performance of the ceramic bonded body used in such a solid oxide fuel cell, the following bondability evaluation was performed. This ceramic joined body is obtained by joining the
The used
The
8 and 9, a
As the setter, an alumina ceramic plate, a SUS430 metal plate, an alumina ceramic felt (thickness: 2 mm), and a SUS430 metal foam (thickness: 2 mm) were used.
As the bonding material, brazing or glass bonding was used. Further, brazing was performed with a brazing material in which 5% by mass of palladium was added to silver. For glass bonding, multi-component added silicate glass having a crystallization temperature of 900 ° C. was used.
上記条件を表1に示す組み合わせで作製したセラミックス接合体について、セラミックス基盤の高低差、接合状況及び接合層の厚さを求めた。
セラミックス基盤の高低差は、表面粗さ測定器を用いて表面形状を測定して求めた。
また、セラミックス基盤と金属枠体23との接合状況及び接合層の厚さを調べるために、接合体を樹脂中に埋めた後、接合部分が露出するように切断した。その後、鏡面研磨した接合部断面を光学顕微鏡で調べ、ロウ材及びガラスがセラミックス基板と金属枠体の隙間を端部まで埋めているかどうかの接合状況を確認した。更に、接合層の厚さは、光学顕微鏡に設けられた目盛り付きの接眼レンズを用いて測定した。
For the ceramic joined body produced by combining the above conditions shown in Table 1, the height difference of the ceramic substrate, the joining condition, and the thickness of the joining layer were determined.
The height difference of the ceramic substrate was determined by measuring the surface shape using a surface roughness measuring instrument.
Further, in order to investigate the bonding state between the ceramic substrate and the
表1に示すように、セッタに耐熱性緩衝材である、セラミックスフェルト又は金属発泡体を用いた実験例1〜4は、いずれの接合材であっても、セラミックス基盤の表面形状に金属枠板の形状が沿った状態で接合し、接合部に隙間のない良好な接合部が得られた。尚、実験例2、4は接合層厚さに60μmのバラツキがあるが、厚さが100〜160μm及び110〜170μmと5〜200μmの範囲内に収まっており、金属板体23の接合部にしわ及びうねり等が見られず、良好な接合部が得られた。また、実験例1の接合層厚さのバラツキが30μmであり、特に良好な接合部が得られた。
一方、セラミックス平板及び金属板を用いた非緩衝材を用いた比較例1〜4は、いずれの接合材であっても隙間が生じることが確認できた。また、いずれの比較例も金属枠板23の接合部に図10、11に例示するようなしわやうねりが見られ、且つ接合層の厚さが200μmを越え、最大で600μm(比較例1)に達した。更に、接合層の厚さのバラツキも480(比較例2、4)〜580(比較例1)μmと大きかった。これら比較例のセラミックス基盤の端部には、ロウ材が満たされない大きな隙間が生じていることが確認された。表1中の接合層厚さの最大値は、この隙間を含むセラミックス基盤と金属枠板の間隔である。
As shown in Table 1, a heat-resistant cushioning material setter, experimental examples 1 to 4 using a ceramic felt or metal foam, be any bonding material, the metal frame to the surface shape of the ceramic base It joined in the state where the shape of the board followed, and the favorable junction part without a clearance gap in a junction part was obtained. Although experimental examples 2 and 4 there is a variation of 60μm in the bonding layer thickness, the thickness are within the range of 100~160μm and 110~170μm and 5 to 200 [mu] m, the junction of the
On the other hand, in Comparative Examples 1 to 4 using a non-buffering material using a ceramic flat plate and a metal plate, it was confirmed that a gap was generated regardless of the bonding material. Further, in any of the comparative examples, wrinkles and waviness as illustrated in FIGS. 10 and 11 are observed in the joint portion of the
(2)耐久性評価
また、長期に渡ってガスシール性を保つかどうかを調べるために、次の耐久性評価を行った。耐久性評価に使用したセラミックス基盤及び金属枠体は、(1)接合性評価と同じ形状、構成であり、表2に示す組み合わせで作製したものを用いた。これらを表2に示すセッタ上に積層した後、ロウ付け又はガラス接合を行い、セラミックス接合体を得た。
耐久性評価に用いるリーク試験は、セラミックス接合体を、700℃で、500時間、1000時間及び3000時間の加熱を行った後、接合部の金属枠板の内穴から、赤色染料で着色した水溶液であるレッド液を塗布し、反対側のセラミックス基盤端部及び金属枠体の隙間にレッド液が浸透していないか目視で確認し、赤く着色されていない場合を○、着色された場合を×とした。この結果を表2に示す。
(2) Durability Evaluation In order to investigate whether or not the gas sealability is maintained over a long period of time, the following durability evaluation was performed. The ceramic substrate and the metal frame used for the durability evaluation have the same shape and configuration as those of (1) the bondability evaluation, and those produced by the combinations shown in Table 2 were used. After laminating these on the setter shown in Table 2, brazing or glass bonding was performed to obtain a ceramic bonded body.
The leak test used for durability evaluation is an aqueous solution colored with a red dye from the inner hole of the metal frame plate of the joint after heating the ceramic joined body at 700 ° C. for 500 hours, 1000 hours and 3000 hours. The red liquid is applied, and it is visually checked whether the red liquid permeates into the gap between the opposite ceramic substrate end and the metal frame, and when not colored red, × It was. The results are shown in Table 2.
表2に示すように、実験例5〜10では、セラミックス基盤の表面形状に金属枠板の形状が沿った状態で接合し、3000時間使用してもレッド液が浸透せず、ガスシールの耐久性を確認できた。一方比較例5、6では、500時間を超えた時点ではレッド液の浸透が確認できなかったが、1000時間の試験を行ったところレッド液が浸透し、漏洩していることが分かった。 As shown in Table 2, the experiment example 5 to 10, and joined in a state in which the shape along the metal frame plate to the surface shape of the ceramic base, the use for 3000 hours without penetration red liquid, the gas seal Durability was confirmed. On the other hand, in Comparative Examples 5 and 6, the penetration of the red liquid could not be confirmed when the time exceeded 500 hours. However, when the test was conducted for 1000 hours, it was found that the red liquid penetrated and leaked.
尚、本発明では上記の実施例に限られず、目的、用途等によって本発明の範囲内において種々変更した実施例とすることができる。例えば、蓋部材、各セパレータ、底部材を形成するステンレス鋼としては、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼が挙げられる。フェライト系ステンレス鋼としては、SUS430以外に、SUS434、SUS405等が挙げられる。マルテンサイト系ステンレス鋼としては、SUS403、SUS410及びSUS431等が挙げられる。オーステナイト系ステンレス鋼としては、SUS201、SUS301、SUS305等が挙げられる。更に、ニッケル基合金としては、インコネル600、インコネル718、インコロイ802等が挙げられる。クロム基合金としては、Ducrlloy CRF(94Cr5Fe1Y2O3)等が挙げられる。これらの各種の耐熱合金は、それぞれ積層体の用途等によって選択することができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the present invention depending on the purpose, application, and the like. For example, the stainless steel forming the lid member, each separator, and the bottom member includes ferritic stainless steel, martensitic stainless steel, and austenitic stainless steel. Examples of ferritic stainless steel include SUS434, SUS405, and the like in addition to SUS430. Examples of martensitic stainless steel include SUS403, SUS410, and SUS431. Examples of austenitic stainless steel include SUS201, SUS301, and SUS305. Further, examples of the nickel-based alloy include Inconel 600, Inconel 718, Incoloy 802, and the like. Examples of the chromium-based alloy include Ducrloy CRF (94Cr5Fe1Y 2 O 3 ). These various heat-resistant alloys can be selected depending on the use of the laminate.
単セル等の平面形状は、長方形、円形及び楕円形等とすることができ、同様の平面形状を有する固体電解質形燃料電池とすることができる。また、固体電解質形燃料電池では、各種セパレータ等の金属成形体の間は溶接などの方法によっても接合することができる。 The planar shape of the unit cell or the like can be a rectangle, a circle, an ellipse, or the like, and a solid oxide fuel cell having a similar planar shape can be obtained. In a solid oxide fuel cell, metal molded bodies such as various separators can be joined by a method such as welding.
空気極は、単セルの強度を支持する基板として形成することもできる。空気極支持型である場合は、空気極の厚さは固体電解質層の20倍以上の厚さであることが好ましい。この空気極の厚さは200〜3000μm、特に500〜2000μmであることが好ましい。200μm未満であると基板として有効に機能せず、3000μmを越えると、体積当たりの発電効率が低下する傾向にある。一方、燃料極支持型である場合は、空気極の厚さは10〜100μm、特に20〜50μmであることが好ましい。10μm未満であると電極として十分に機能しないことがあり、100μmを越えると固体電解質層から剥離することがある。 The air electrode can also be formed as a substrate that supports the strength of the single cell. In the case of the air electrode support type, the thickness of the air electrode is preferably 20 times or more that of the solid electrolyte layer. The thickness of the air electrode is preferably 200 to 3000 μm, particularly 500 to 2000 μm. If it is less than 200 μm, it will not function effectively as a substrate, and if it exceeds 3000 μm, the power generation efficiency per volume tends to decrease. On the other hand, in the case of the fuel electrode support type, the thickness of the air electrode is preferably 10 to 100 μm, particularly 20 to 50 μm. When the thickness is less than 10 μm, the electrode may not function sufficiently, and when the thickness exceeds 100 μm, the solid electrolyte layer may be peeled off.
1;固体電解質形燃料電池、10;発電層、100;単セル(セラミックス基盤)、11;固体電解質層、12;燃料極、13;空気極、21;セル間セパレータ、22;蓋部材(セル間セパレータ)、23;隔離セパレータ(金属枠体)、26;底部材(セル間セパレータ)、31;燃料ガスの流路、32;支燃性ガスの流路、41;燃料極側集電体、42;空気極側集電体、6;接合部、7;絶縁板、81、82、83、84、85、86;金属製枠体、91;燃料ガス導入管、92;燃料ガス排気管、93;支燃性ガス導入管、94;支燃性ガス排気管、95;セッタ。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
該セラミックス基盤及び該金属枠板の接合部における接合層の厚さは5〜200μmであり、
該セラミックス基盤と該金属枠板とがロウ付けにより上記接合されており、
耐熱性緩衝材上に上記金属枠板、ロウからなる接合材、上記セラミックス基盤をこの順に積み重ね、更に積層方向に圧力を加えた状態で熱処理を行って上記接合されたことを特徴とするセラミックス接合体。 A ceramic substrate and a metal frame plate joined to the peripheral edge of the ceramic substrate;
The thickness of the bonding layer at the bonded portion of the ceramic substrate and the metal frame plate is 5 to 200 μm,
The ceramic substrate and the metal frame plate are joined by brazing ,
Ceramic bonding characterized in that the metal frame plate, the bonding material made of brazing, and the ceramic substrate are stacked in this order on a heat-resistant cushioning material, and further subjected to heat treatment in a state in which pressure is applied in the stacking direction. body.
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