JP5313717B2 - Oxygen ion conduction module and bonding material - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oxygen ion conduction module where various structural members are joined with air tightness held over a long period of time and where the joined part has high durability against reduction expansion, a joining material to be used for forming the joined part and a method of joining the structural members to each other using the joining material. <P>SOLUTION: The oxygen ion conduction module 10 includes an oxygen ion conductive ceramic material 12. The oxygen ion conduction ceramic material 12 is at least joined to one ceramic-made connection members 18A, B. The joined part 20 of the oxygen conduction ceramic material 12 to the joining members 18A, B is formed so as to mix two components of (a) glass in which a cristobalite crystal and/or leucite crystal is deposited in a glass matrix and (b) at least one perovskite type oxide. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、酸素イオンを選択的に透過する酸素イオン伝導モジュール、および該モジュールにおける接合部を形成するための接合材(シール材)であって低還元膨張性を有する接合材に関する。   The present invention relates to an oxygen ion conduction module that selectively permeates oxygen ions, and a bonding material (sealing material) for forming a bonding portion in the module and having a low reduction expansion property.

酸素イオン(典型的にはO2−;酸化物イオンとも呼ばれる。)伝導性を有する酸素イオン伝導体から成る緻密なセラミック材は、酸素イオン伝導モジュール(酸素イオン伝導装置)の基本構成部材として備えられ、一方の面に供給された酸素含有ガス(空気等)から酸素を他方の面に選択的に透過、分離することができる。 A dense ceramic material made of oxygen ion conductor having oxygen ions (typically O 2− ; also called oxide ions) is provided as a basic component of an oxygen ion conduction module (oxygen ion conduction device). Thus, oxygen can be selectively permeated and separated from the oxygen-containing gas (such as air) supplied to one surface to the other surface.

酸素イオン伝導モジュールの一典型例としては、酸素分離装置が挙げられる。かかる酸素分離装置は、酸素分離膜エレメントを備えており、該酸素分離膜エレメントは、酸素イオン伝導体を膜状に形成して成る酸素分離膜材が基材(典型的には多孔質基材)上に設けられることにより構成されている。かかる酸素分離装置は、例えば深冷分離法やPSA(Pressure Swing Adsorption)法に代わる有効な酸素精製手段として好適に使用することができる。かかる構成の酸素分離装置を構築する場合、酸素分離膜エレメントは、種々の部材と接合され、高温域(例えば800℃〜1000℃)下でも高い気密性を保持できる接合(シール)部を伴う形態で構築される必要がある。かかる気密性の高い接合部を形成するための接合(シール)材としては、例えばガラス材料や金属材料が検討されている。   A typical example of the oxygen ion conduction module is an oxygen separation device. Such an oxygen separation device includes an oxygen separation membrane element, and the oxygen separation membrane element is made of an oxygen separation membrane material formed by forming an oxygen ion conductor in a film shape (typically a porous substrate). ) Is provided. Such an oxygen separation device can be suitably used as an effective oxygen purification means replacing, for example, a cryogenic separation method or a PSA (Pressure Swing Adsorption) method. When constructing an oxygen separation device having such a configuration, the oxygen separation membrane element is joined to various members and includes a joint (seal) portion that can maintain high hermeticity even in a high temperature range (for example, 800 ° C. to 1000 ° C.). Need to be built with. As a joining (seal) material for forming such a highly airtight joint, for example, a glass material or a metal material has been studied.

あるいはまた、酸素イオン伝導モジュールの一典型例として、固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下、単に「SOFC」ということもある。)が挙げられる。SOFCは、その基本構造(単セル)として、酸素イオン伝導体から成る緻密な固体電解質(例えば緻密膜層)の一方の面に多孔質構造の空気極(カソード)が形成され、他方の面に多孔質構造の燃料極(アノード)が形成されることにより構成されている。燃料極が形成された側の固体電解質の表面には燃料ガス(典型的にはH(水素))が供給され、空気極が形成された側の固体電解質の表面にはO(酸素)含有ガス(典型的には空気)が供給される。 Alternatively, as a typical example of the oxygen ion conduction module, there is a solid oxide fuel cell (hereinafter, also simply referred to as “SOFC”). As a basic structure (single cell), SOFC has a porous air electrode (cathode) formed on one side of a dense solid electrolyte (eg, a dense membrane layer) made of an oxygen ion conductor, and the other side. A porous fuel electrode (anode) is formed. Fuel gas (typically H 2 (hydrogen)) is supplied to the surface of the solid electrolyte on the side where the fuel electrode is formed, and O 2 (oxygen) is supplied to the surface of the solid electrolyte on the side where the air electrode is formed. A gas containing (typically air) is supplied.

SOFCは、典型的には、高い電圧を得るために複数個の単セルを重ね合わせて複層化したスタックとして運転される。かかるスタック構造のSOFCでは、単セル同士を接続するためにインターコネクタが用いられている。インターコネクタは、単セル間を物理的且つ電気的に接続すると同時に、酸化性のガス(空気等の酸素含有ガス)と還元性のガス(水素等の燃料ガス)とを分離するセパレータとしての役割も担っている。かかるインターコネクタと該インターコネクタに対向する固体電解質表面との間は、高温域下(通常800℃〜1200℃)での運転時にも高い気密性が確保されるように接合(シール)される必要がある。   The SOFC is typically operated as a stack in which a plurality of single cells are stacked to obtain a high voltage. In an SOFC having such a stack structure, an interconnector is used to connect single cells. The interconnector serves as a separator that separates the oxidizing gas (oxygen-containing gas such as air) and reducing gas (fuel gas such as hydrogen) at the same time as connecting the single cells physically and electrically. Also bears. The interconnector and the surface of the solid electrolyte facing the interconnector need to be joined (sealed) so as to ensure high airtightness even when operated in a high temperature range (usually 800 ° C. to 1200 ° C.). There is.

ところで、SOFC用の固体電解質としては、化学的安定性および機械的強度の高さにより、ジルコニア系材料(典型的にはイットリア安定化ジルコニア;YSZ)から成る固体電解質が広く用いられている。
また、上記のようなインターコネクタは、SOFCが上記のような高温域で動作することを考慮し、かかる高温下での酸化還元雰囲気における化学耐久性や導電性が高く、固体電解質材料と類似の熱膨張係数を有する等の性質を具備した材料から形成されることが好ましい。このようなインターコネクタ材料として、金属材料(例えば耐熱合金やAg(銀)系コンポジット等)またはセラミック材料が提案されている。セラミック材料としては、特許文献1〜9に示されるように、種々のペロブスカイト型酸化物材料が提案されている。例えば、La1−pCrO(ここで、AはMg,Ca,Sr,Baからなる群から選ばれる少なくとも1種であり、0≦p<1である。)等のランタンクロマイト(LaCrO)系のペロブスカイト型酸化物、あるいはそのBサイトを他の元素(例えばSi,Ti,Co,NiあるいはZr)で一部置換(ドープ)したペロブスカイト型酸化物、さらにはMTiO(ここで、MはLi,Ca,Cu,Sr,Ba,La,Ce,Pb,Biからなる群から選ばれる少なくとも1種である。)等のチタネート系のペロブスカイト型酸化物等が例示される。
また、上記固体電解質とインターコネクタとの接合材料としては、かかる固体電解質材料およびインターコネクタ材料と類似の熱膨張係数を有し、SOFCの作動温度以上でも高い気密性を有して接合(シール)できる材料が好ましい。例えば、特許文献10〜16に示されるように、安定化ジルコニアとガラスの混合物、固体電解質材料とインターコネクタ材料との混合物、ガラスと金属の混合物が提案されている。
By the way, as a solid electrolyte for SOFC, a solid electrolyte made of a zirconia-based material (typically yttria-stabilized zirconia; YSZ) is widely used due to high chemical stability and mechanical strength.
In addition, the interconnector as described above has high chemical durability and conductivity in an oxidation-reduction atmosphere at such a high temperature, considering that the SOFC operates in the high temperature range as described above, and is similar to a solid electrolyte material. It is preferably formed from a material having properties such as having a thermal expansion coefficient. As such an interconnector material, a metal material (for example, a heat-resistant alloy or an Ag (silver) composite) or a ceramic material has been proposed. As ceramic materials, as shown in Patent Documents 1 to 9, various perovskite oxide materials have been proposed. For example, La 1-p A p CrO 3 ( where, A is at least one selected from the group consisting from Mg, Ca, Sr, Ba, a 0 ≦ p <1.) Such as lanthanum chromite (LaCrO 3 ) Perovskite type oxides of the system, or perovskite type oxides whose B sites are partially substituted (doped) with other elements (for example, Si, Ti, Co, Ni or Zr), and further MTiO 3 (where M is at least one selected from the group consisting of Li, Ca, Cu, Sr, Ba, La, Ce, Pb, and Bi.) And the like, and titanate-based perovskite oxides.
In addition, the joining material between the solid electrolyte and the interconnector has a thermal expansion coefficient similar to that of the solid electrolyte material and the interconnector material, and has a high hermeticity even at the SOFC operating temperature or higher (sealing). Materials that can be made are preferred. For example, as shown in Patent Documents 10 to 16, a mixture of stabilized zirconia and glass, a mixture of a solid electrolyte material and an interconnector material, and a mixture of glass and metal have been proposed.

特開平8−55629号公報JP-A-8-55629 特開平8−83620号公報JP-A-8-83620 特開平8−190922号公報JP-A-8-190922 特開平10−125340号公報JP-A-10-125340 特開平11−3720号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-3720 特開2003−288919号公報JP 2003-288919 A 特開2003−331874号公報JP 2003-331874 A 特開2006−310090号公報JP 2006-310090 A 特開2007−39279号公報JP 2007-39279 A 特開平5−330935号公報JP-A-5-330935 特開平8−134434号公報JP-A-8-134434 特開平9−129251号公報JP-A-9-129251 特開平11−154525号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-154525 特開2004−39573号公報JP 2004-39573 A 特表2008−527680号公報Special table 2008-527680 特表2008−529256号公報Special table 2008-529256

上記のように、SOFC等の酸素イオン伝導モジュールにおいて、該モジュールを構成する部材を相互に接合する接合材としては、そのモジュール構成部材の材質の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有し、該モジュールの作動温度以上でも高い気密性を保持して接合(シール)できる材料が好ましい。しかし、上術のような材料は、上記作動温度域下で溶出する等して耐熱性に乏しく、また導電性が極めて低いため、かかる材料から成る接合材を用いる量や付与する場所(面積)が限定される問題があった。また、かかる材料の還元膨張率が比較的高いため、このような材料を用いて酸素イオン伝導モジュールを構成すると、かかるモジュール内において還元雰囲気に曝される部分と酸化雰囲気に曝される部分とで膨張度合に差が生じて(すなわち、両者の応力差が増大して)クラックが生じる等、酸素イオン伝導モジュールの耐久性が低下する虞がある。例えば上述の材料を用いて単セルから成るスタックを構成すると、インターコネクタの燃料極(還元雰囲気)側と空気極(酸化雰囲気)側とで膨張度合に差が生じてインターコネクタにクラックが生じ得る。   As described above, in the oxygen ion conduction module such as SOFC, the bonding material for bonding the members constituting the module to each other has a thermal expansion coefficient close to that of the material of the module component, A material that can be bonded (sealed) while maintaining high airtightness even at a temperature higher than the operating temperature of the module is preferable. However, since materials such as the above have poor heat resistance due to elution under the above operating temperature range and the conductivity is extremely low, the amount of bonding material made of such material and the place (area) to be applied There was a problem that was limited. In addition, since the reductive expansion coefficient of such a material is relatively high, when an oxygen ion conduction module is configured using such a material, there are a portion exposed to a reducing atmosphere and a portion exposed to an oxidizing atmosphere in the module. There is a possibility that the durability of the oxygen ion conduction module may be lowered, such as a difference in expansion degree (that is, a stress difference between the two increases and a crack). For example, when a stack composed of a single cell is formed using the above-described materials, a crack may occur in the interconnector due to a difference in expansion degree between the fuel electrode (reducing atmosphere) side and the air electrode (oxidizing atmosphere) side of the interconnector. .

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、高温の作動温度領域下でも種々の構成部材が高い気密性を長期にわたって保持して接合されるとともに、かかる接合部が還元膨張に対する高い耐久性を有する酸素イオン伝導モジュールを提供することである。また、そのような高い気密性、導電性および耐還元膨張性を有する接合部を形成するために用いられる接合材を提供することを他の目的とする。さらに、そのような接合材を用いて酸素イオン伝導モジュールの構成部材同士を接合する方法を提供することを他の目的とする。   The present invention has been made in view of such a point, and its main purpose is that various components are bonded while maintaining high airtightness over a long period of time even under a high operating temperature range. To provide an oxygen ion conduction module having high durability against reductive expansion. It is another object of the present invention to provide a bonding material used for forming a bonding portion having such high airtightness, conductivity, and reduction expansion resistance. Furthermore, it is another object to provide a method for joining the constituent members of an oxygen ion conduction module using such a joining material.

上記目的を実現するべく、本発明により提供される酸素イオン伝導モジュールは、酸素
イオン伝導性を有するセラミック材を備えており、該酸素イオン伝導性セラミック材は、少なくとも一つのセラミック製接続部材に接合している。また、上記酸素イオン伝導モジュールにおいて、上記酸素イオン伝導性セラミック材と上記接続部材との接合部は、以下の二つの成分;
(a).クリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶がガラスマトリックス中に析出していることを特徴とするガラス;および
(b).少なくとも一種のペロブスカイト型酸化物;
が混在して形成されている。
In order to achieve the above object, an oxygen ion conductive module provided by the present invention includes a ceramic material having oxygen ion conductivity, and the oxygen ion conductive ceramic material is bonded to at least one ceramic connecting member. doing. Moreover, in the oxygen ion conduction module, the joint between the oxygen ion conductive ceramic material and the connection member has the following two components:
(A). A glass characterized in that cristobalite crystals and / or leucite crystals are precipitated in a glass matrix; and (b). At least one perovskite oxide;
Are formed together.

ここで、「酸素イオン伝導モジュール」とは、酸素イオン伝導性を有するセラミック材(酸素イオン伝導体)を基本構成部材として備えるモジュール(構成物、装置)であり、かかるセラミック材の一方の面に酸素含有ガス(空気等)を供給し、該セラミック材内を透過させる過程で上記酸素含有ガスから酸素を選択的に分離し、かかる酸素のみを上記セラミック材の他方の面に透過させるモジュール(構成物、装置)である。
本発明に係る酸素イオン伝導モジュールでは、酸素イオン伝導性セラミック材と接続部材との接合部が、(a)ガラスマトリックス中にクリストバライト結晶(SiO)および/またはリューサイト結晶(KAlSi)とが析出しているガラス(以下、「結晶含有ガラス」という。)と、(b)少なくとも一種のペロブスカイト型酸化物の二つの成分の混在により形成されている。かかる接合部が上記構成成分(a)を含む(例えばガラスマトリックス中に上記クリストバライトおよび/またはリューサイトの微細結晶が分散状態で析出される)ことにより、800℃以上の温度域、例えば800℃〜1000℃の温度領域で流動し難い。したがって、かかる酸素イオン伝導モジュールによると、該モジュールの使用温度が上記温度領域に到達しても、酸素イオン伝導性セラミック材と接続部材との接合部が溶出する虞はなく、機械的強度が向上した接合部を実現することができる。
Here, the “oxygen ion conduction module” is a module (component, device) provided with a ceramic material having oxygen ion conductivity (oxygen ion conductor) as a basic constituent member, on one surface of the ceramic material. A module (configuration in which oxygen is selectively separated from the oxygen-containing gas in the process of supplying oxygen-containing gas (air, etc.) and permeating through the ceramic material, and only oxygen is permeated to the other surface of the ceramic material. Device).
In the oxygen ion conductive module according to the present invention, the joint between the oxygen ion conductive ceramic material and the connecting member is (a) a cristobalite crystal (SiO 2 ) and / or a leucite crystal (KAlSi 2 O 6 ) in a glass matrix. Are deposited by mixing two components of glass (hereinafter referred to as “crystal-containing glass”) and (b) at least one perovskite oxide. Such a joint includes the above-mentioned component (a) (for example, the cristobalite and / or leucite fine crystals are precipitated in a dispersed state in the glass matrix), so that a temperature range of 800 ° C. or higher, for example, 800 ° C. to It is difficult to flow in a temperature range of 1000 ° C. Therefore, according to the oxygen ion conduction module, even when the operating temperature of the module reaches the above temperature range, there is no possibility that the joint portion between the oxygen ion conductive ceramic material and the connection member is eluted, and the mechanical strength is improved. Can be realized.

また、かかる接合部が上記構成成分(b)を含む(例えば、ガラスマトリックス中に導電性を有する状態で析出、分散される)ことにより、還元膨張率が低下するので、還元雰囲気下(例えば、水素(H)5vol%、窒素(N)95vol%を含有する還元雰囲気)に曝されても上記接合部の膨張が抑制されて高い安定性(低い還元膨張性)を示す。
ここで、従来では、酸素イオン伝導性セラミック材と接続部材との接合部では、酸素雰囲気に曝される側(部分)と還元雰囲気に曝される側(部分)とが存在するため、酸素イオン伝導モジュールを作動すると、上記両部分における膨張度合に差が生じて上記接合部にクラックが生じ、該酸素イオン伝導モジュールの耐久性が低下する虞があった。しかし、本発明に係る酸素イオン伝導モジュールによると、上記接合部において還元雰囲気側での膨張が大幅に軽減されてクラック発生等が防止されるので、耐久性(耐還元膨張性)が向上した接合部を実現することができる。
さらに、上記構成成分(b)として、高い導電性を有する金属元素を含むペロブスカイト型酸化物を用いることが好ましい。このことにより、かかる接合部に、上記温度領域下での導電性を付与し得る。したがって、本発明に係る酸素イオン伝導モジュールによると、電子伝導経路として機能させ得る接合部を実現することができる。
Further, since the joint portion contains the component (b) (e.g., precipitated and dispersed in a glass matrix in a conductive state), the reduction expansion coefficient is lowered, and therefore, in a reducing atmosphere (e.g., Even when exposed to a reducing atmosphere containing 5 vol% hydrogen (H 2 ) and 95 vol% nitrogen (N 2 ), expansion of the joint is suppressed and high stability (low reductive expansion) is exhibited.
Here, conventionally, since there is a side (part) exposed to the oxygen atmosphere and a side (part) exposed to the reducing atmosphere at the joint between the oxygen ion conductive ceramic material and the connecting member, oxygen ions are present. When the conduction module is operated, there is a possibility that the degree of expansion in the two parts is different and a crack is generated in the joint portion, thereby reducing the durability of the oxygen ion conduction module. However, according to the oxygen ion conduction module according to the present invention, the expansion on the reducing atmosphere side is greatly reduced in the above-mentioned joint portion, and the occurrence of cracks and the like is prevented, so that the durability (reduction expansion resistance) is improved. Can be realized.
Furthermore, it is preferable to use a perovskite oxide containing a highly conductive metal element as the component (b). Thereby, the conductivity under the above temperature range can be imparted to the joint. Therefore, according to the oxygen ion conduction module of the present invention, it is possible to realize a joint that can function as an electron conduction path.

また、上記クリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶は、上記ガラスマトリックス全体のうちの3質量%より多く且つ50質量%未満の割合で含まれている。
上記結晶含有ガラス全体に占める上記クリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶の含有率が上記範囲内であることにより、上記接合部における耐熱性と気密性とをより一層高いレベルで両立することができる。
そして、ここで開示される酸素イオン伝導モジュールの好ましい一態様では、上記接合部に混在するガラスは、酸化物換算の質量比で以下の組成:
SiO 60〜75質量%;
Al 10〜20質量%;
Na O 3〜10質量%;
O 5〜15質量%;
MgO 0〜 3質量%;
CaO 0〜 3質量%;
から実質的に構成されている。
かかる組成の結晶含有ガラスが混在する接合部は、接合対象の酸素イオン伝導性セラミック材および接続部材の熱膨張率(熱膨張係数)に近似した熱膨張率を有する。このため、ここで開示される上記構成の酸素イオン伝導モジュールを、高温域(例えば800℃〜1000℃)で繰り返し使用し、該使用温度域と非使用時の温度(常温)との間で昇温と降温とを繰り返しても、上記酸素イオン伝導性セラミック材と接続部材との接合部(シール部)からのガスのリークを防止し、長期にわたり高い気密性を保持することができる。したがって、かかる構成の酸素イオン伝導モジュールは、優れた耐熱性および気密性(耐久性)を実現することができる。
Further, the cristobalite crystalline and / or leucite crystal is included in a number and a rate of less than 50 wt% than 3 wt% of the total the glass matrix.
When the content of the cristobalite crystal and / or the leucite crystal in the entire crystal-containing glass is within the above range, both the heat resistance and the air tightness at the joint can be achieved at a higher level.
And in one desirable mode of an oxygen ion conduction module indicated here, the glass mixed in the above-mentioned joined part is the following composition by mass ratio of oxide conversion:
SiO 2 60 to 75 wt%;
Al 2 O 3 10-20% by mass;
Na 2 O 3-10% by mass;
K 2 O 5-15% by mass;
MgO 0 to 3% by mass;
CaO 0 to 3% by mass;
Is substantially composed of.
The joint where the crystal-containing glass having such a composition coexists has a thermal expansion coefficient that approximates the thermal expansion coefficient (thermal expansion coefficient) of the oxygen ion conductive ceramic material to be joined and the connection member. For this reason, the oxygen ion conduction module having the above-described configuration disclosed herein is repeatedly used in a high temperature range (for example, 800 ° C. to 1000 ° C.), and the temperature rises between the use temperature range and a temperature when not in use (room temperature). Even if the temperature and the temperature decrease are repeated, the leakage of gas from the joined portion (seal portion) between the oxygen ion conductive ceramic material and the connecting member can be prevented, and high airtightness can be maintained for a long time. Therefore, the oxygen ion conduction module having such a configuration can realize excellent heat resistance and airtightness (durability).

さらに、上記ペロブスカイト型酸化物は、一般式:
La1−xMO3−δ (1)
(ただし、Aは、Sr、BaおよびCaからなる群から選択される1種または2種以上の元素であり、Mは、ペロブスカイト型構造を構成し得る1種または2種以上の金属元素であり、0≦x≦1であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)で表わされる。
より好ましくは、上記ペロブスカイト型酸化物は、ペロブスカイト型構造を構成し得る金属元素として、少なくともFeを包含しており、一般式:
La1−xFe1−y3−δ (2)
(ただし、Aは、Sr、BaおよびCaからなる群から選択される1種または2種以上の元素であり、Mは、ペロブスカイト型構造を構成し得る1種または2種以上の金属元素であり、0≦x≦1であり、0.2≦y<1であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)で表わされる。
かかる構成の酸素イオン伝導モジュールでは、上記組成のペロブスカイト型酸化物が上記接合部に混在していることにより、かかる接合部では、少なくともその一部が還元雰囲気に曝されても、かかる曝露部分の膨張が効果的に抑制される。したがって、かかる酸素イオン伝導モジュールによると、優れた耐還元膨張性、耐熱性、そして長期にわたる気密性を実現する。また、上記一般式(1)におけるM(ペロブスカイト型構造を構成し得る金属元素)としてFe(鉄)を含み上記一般式(2)で表わされるペロブスカイト型酸化物を用いることにより、上記接合部に導電性を付与し得るのでより一層好ましい。上記一般式(1)および(2)で表わされるペロブスカイト型酸化物としては、例えば、一般式:La1−xSrZr1−yFe3−δで表わされるペロブスカイト型酸化物(LSZF酸化物)や、La1−xSrxTi1−yFe3−δで表わされるペロブスカイト型酸化物(LSTF酸化物)が挙げられる。
Further , the perovskite oxide has a general formula:
La 1-x A x MO 3-δ (1)
(However, A is one or more elements selected from the group consisting of Sr, Ba, and Ca, and M is one or more metal elements that can form a perovskite structure. 0 ≦ x ≦ 1, and δ is a value determined so as to satisfy the charge neutrality condition.
More preferably, the perovskite oxide includes at least Fe as a metal element that can form a perovskite structure.
La 1-x A x M y Fe 1-y O 3-δ (2)
(However, A is one or more elements selected from the group consisting of Sr, Ba, and Ca, and M is one or more metal elements that can form a perovskite structure. 0 ≦ x ≦ 1, 0.2 ≦ y <1, and δ is a value determined so as to satisfy the charge neutrality condition.
In the oxygen ion conduction module having such a configuration, since the perovskite oxide having the above composition is mixed in the joint portion, even if at least a part of the perovskite oxide is exposed to a reducing atmosphere in the joint portion, Expansion is effectively suppressed. Therefore, according to such an oxygen ion conduction module, excellent reduction expansion resistance, heat resistance, and long-term airtightness are realized. In addition, by using a perovskite oxide that includes Fe (iron) as M (a metal element that can form a perovskite structure) in the general formula (1) and is represented by the general formula (2), Since conductivity can be imparted, it is even more preferable. Examples of the perovskite oxide represented by the general formulas (1) and (2) include a perovskite oxide (LSZF) represented by the general formula: La 1-x Sr x Zr 1-y Fe y O 3 -δ Oxides) and perovskite oxides (LSTF oxides) represented by La 1-x SrxTi 1-y Fe y O 3 -δ .

また、ここで開示されるいずれかの酸素イオン伝導モジュールは、固体酸化物形燃料電池(SOFC)として好適に機能する。
すなわち、SOFCとして機能する酸素イオン伝導モジュールでは、上記酸素イオン伝導性セラミック材は、ジルコニア系(例えばイットリア安定化ジルコニア(YSZ))固体電解質である。上記セラミック製接続部材は、ペロブスカイト型酸化物(例えばランタン(La)、またはクロム(Cr)の一部がアルカリ土類金属で置換された、または置換されていないランタンクロマイト系酸化物)から成るインターコネクタである。さらに、上記酸素イオン伝導性セラミック材と上記接続部材とを接合する接合材は、上記インターコネクタとして作用することを特徴とする。
かかる機能を備えた酸素イオン伝導モジュールでは、上記SOFCの好適使用温度域である800℃〜1200℃(好ましくは800℃〜1000℃)の高温域において、固体電解質としての上記酸素イオン伝導性セラミック材とインターコネクタとしての接続部材との接合部は、上述したような耐熱性および耐還元膨張性を有し、上記インターコネクタ(の一部)として作用する。したがって、かかる酸素イオン伝導モジュールによると、該モジュールにおける上記接合部において、インターコネクタの燃料極(還元雰囲気)側と空気極(酸化雰囲気)側とで膨張度合に差が生じてインターコネクタにクラック生じさせることなく上記接合部を形成して、耐熱性、耐還元膨張性、気密性に優れ、電池性能が劣化しくい好適なSOFCを提供することができる。
In addition, any one of the oxygen ion conduction modules disclosed herein suitably functions as a solid oxide fuel cell (SOFC).
That is, in the oxygen ion conductive module that functions as an SOFC, the oxygen ion conductive ceramic material is a zirconia-based (eg, yttria stabilized zirconia (YSZ)) solid electrolyte. The ceramic connecting member is made of an perovskite oxide (for example, lanthanum (La) or lanthanum chromite oxide in which a part of chromium (Cr) is substituted or not substituted with an alkaline earth metal). It is a connector. Furthermore, the bonding material for bonding the oxygen ion conductive ceramic material and the connecting member acts as the interconnector.
In the oxygen ion conductive module having such a function, the oxygen ion conductive ceramic material as a solid electrolyte in a high temperature range of 800 ° C. to 1200 ° C. (preferably 800 ° C. to 1000 ° C.), which is a preferable use temperature range of the SOFC. And a connecting member as an interconnector have heat resistance and reduction expansion resistance as described above, and act as (a part of) the interconnector. Therefore, according to such an oxygen ion conduction module, there is a difference in the degree of expansion between the fuel electrode (reducing atmosphere) side and the air electrode (oxidizing atmosphere) side of the interconnector at the joint portion in the module, and the interconnector cracks. The above-mentioned joining portion can be formed without causing a suitable SOFC that is excellent in heat resistance, reduction expansion resistance, and airtightness and that does not deteriorate battery performance.

ここで開示される酸素イオン伝導モジュールのさらに好ましい一態様では、上記接合部の還元膨張率が0.1%以下(典型的には0.01%〜0.1%)である。
かかる還元膨張率を有する接合部を備えることにより、還元雰囲気下で使用しても良好な耐還元膨張性を呈する酸素イオン伝導モジュールを提供することができる。ここで、還元膨張率とは、還元雰囲気(水素ガス)下における熱膨張率をE(%)、空気雰囲気下における熱膨張率をE(%)としたとき、下記(3)式で与えられる。
[{(1+E/100)−(1+E/100)}/(1+E/100)]×100 (3)
In a further preferred embodiment of the oxygen ion conduction module disclosed herein, the reduction expansion coefficient of the joint is 0.1% or less (typically 0.01% to 0.1%).
By providing a joint having such a reduction expansion coefficient, an oxygen ion conduction module that exhibits good reduction expansion resistance even when used in a reducing atmosphere can be provided. Here, the reduction expansion coefficient is the following equation (3), where E R (%) is the thermal expansion coefficient under a reducing atmosphere (hydrogen gas), and E A (%) is the thermal expansion coefficient under an air atmosphere. Given.
[{(1 + E R / 100) − (1 + E A / 100)} / (1 + E A / 100)] × 100 (3)

ここで開示される酸素イオン伝導モジュールのさらに好ましい一態様では、上記接合部の熱膨張係数が9×10−6/K〜14×10−6/Kであることを特徴とする。
かかる熱膨張係数(一般的な示差膨張方式(TMA)に基づく室温(25℃)〜ガラスの軟化点以下の温度(例えば450℃)の間の平均値)は、例えばYSZ等のジルコニア系材料から成る酸素イオン伝導性セラミック材およびペロブスカイト型酸化物(例えばランタンクロマイト系酸化物)から成る接続部材の熱膨張係数と近似する。これにより、接合部(シール部)の耐熱性および耐久性、さらに耐還元膨張性に優れる酸素イオン伝導モジュールを提供することができる。
In a further preferred embodiment of the oxygen ion-conducting device disclosed herein, wherein the thermal expansion coefficient of the bonding portion is 9 × 10 -6 / K~14 × 10 -6 / K.
Such a thermal expansion coefficient (average value between room temperature (25 ° C.) based on a general differential expansion method (TMA) and a temperature below the softening point of glass (for example, 450 ° C.)) is, for example, from zirconia-based materials such as YSZ. It approximates the thermal expansion coefficient of a connecting member made of an oxygen ion conductive ceramic material and a perovskite oxide (for example, lanthanum chromite oxide). Thereby, the oxygen ion conduction module which is excellent in the heat resistance and durability of a joint part (seal part), and also the reduction expansion resistance can be provided.

本発明は、他の側面として、上記課題を解決する接合材を提供する。すなわち、かかる接合材は、酸素イオン伝導モジュールを構成する酸素イオン伝導性セラミック材と少なくとも一つのセラミック製接続部材とを接合するための接合材である。ここで開示される接合材は、SiO、Al、NaO、およびKOを必須構成成分とし、好ましくは付加的な構成成分としてMgO、CaOのうち少なくとも一つを含むガラスであってクリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶がガラスマトリックス中に析出しているガラスと、ペロブスカイト型酸化物とが混在して形成されている。特に好ましくは、
(a)酸化物換算の質量比で以下の組成:
SiO 60〜75質量%;
Al 10〜20質量%;
NaO 3〜10質量%;
O 5〜15質量%;
MgO 0〜 3質量%;
CaO 0〜 3質量%;
から実質的に構成されたガラスであって該ガラスのマトリックス中にクリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶が析出しているガラス;および
(b).少なくとも一種のペロブスカイト型酸化物
が混在して形成されている。
また、より好ましくは、クリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶は、上記ガラスマトリックス全体のうちの3質量%より多く且つ50質量%未満の割合で含まれている。
ここで、かかる接合材の好適な一態様では、上記(a)成分および(b)成分を含む接合材原料を主成分として含むペースト状(スラリー状ともいう。)の接合材(シール材)として提供される。
かかる構成の接合材を使用して、上記酸素イオン伝導性セラミック材と接続部材とを接合することにより、かかる接合部は、還元雰囲気下でも高い安定性(耐還元膨張性)を示すとともに、機械的強度および耐熱性にも優れる。したがって、かかる接合材によると、このような接合部を備えた好ましい酸素イオン伝導モジュールの提供が実現される。
また、上記(a)成分(すなわち結晶含有ガラス)全体に占める上記クリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶の含有率が上記範囲内であることにより、上記接合部における耐熱性と気密性とをより一層高いレベルで両立することができる。
This invention provides the joining material which solves the said subject as another side surface. That is, the bonding material is a bonding material for bonding the oxygen ion conductive ceramic material constituting the oxygen ion conductive module and at least one ceramic connecting member. The bonding material disclosed herein is a glass containing SiO 2 , Al 2 O 3 , Na 2 O, and K 2 O as essential constituents, and preferably containing at least one of MgO and CaO as additional constituents. In this case, cristobalite crystals and / or leucite crystals are precipitated in a glass matrix and a perovskite oxide is mixed. Particularly preferably,
(A) The following composition in mass ratio in terms of oxide:
SiO 2 60 to 75 wt%;
Al 2 O 3 10-20% by mass;
Na 2 O 3-10% by mass;
K 2 O 5-15% by mass;
MgO 0 to 3% by mass;
CaO 0 to 3% by mass;
A glass substantially composed of: cristobalite crystals and / or leucite crystals precipitated in a matrix of the glass; and (b). At least one perovskite oxide is mixed.
More preferably, the cristobalite crystal and / or the leucite crystal is contained in a proportion of more than 3% by mass and less than 50% by mass of the entire glass matrix.
Here, in a preferred embodiment of such a bonding material, as a bonding material (seal material) in the form of a paste (also referred to as a slurry) containing as a main component a bonding material raw material containing the components (a) and (b). Provided.
By using the bonding material having such a configuration and bonding the oxygen ion conductive ceramic material and the connecting member, the bonding portion exhibits high stability (reduction expansion resistance) even in a reducing atmosphere, Excellent in mechanical strength and heat resistance. Therefore, according to such a bonding material, it is possible to provide a preferable oxygen ion conduction module having such a bonding portion.
Moreover, when the content of the cristobalite crystal and / or the leucite crystal in the entire component (a) (ie, the crystal-containing glass) is within the above range, the heat resistance and the air tightness at the joint are further increased. Both can be achieved at a high level.

なお、上記前記ペロブスカイト型酸化物は、
一般式:
La1−xMO3−δ (1)
(ただし、Aは、Sr、BaおよびCaからなる群から選択される1種または2種以上の元素であり、Mは、ペロブスカイト型構造を構成し得る1種または2種以上の金属元素であり、0≦x≦1であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)
で表わされる。
より好ましくは、上記ペロブスカイト型酸化物は、ペロブスカイト型構造を構成し得る金属元素として、少なくともFeを包含しており、
一般式:
La1−xMyFe1−y3−δ (2)
(ただし、Aは、Sr、BaおよびCaからなる群から選択される1種または2種以上の元素であり、Mは、ペロブスカイト型構造を構成し得る1種または2種以上の金属元素であり、0≦x≦1であり、0.2≦y<1であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)で表わされる。
かかる構成の接合材では、上記のような組成のペロブスカイト型酸化物が上記結晶含有ガラス(上記構成成分(a))に混在していることにより、かかる接合材によると、耐還元膨張性に優れた接合部の形成が実現され、このような接合部を備える好適な酸素イオン伝導モジュールが提供される。また、かかるペロブスカイト型酸化物のうち、Feが含まれるペロブスカイト型酸化物が混在する接合材は、上記接合部にさらに導電性を与え得るのでより一層好ましい。
The perovskite oxide is
General formula:
La 1-x A x MO 3-δ (1)
(However, A is one or more elements selected from the group consisting of Sr, Ba, and Ca, and M is one or more metal elements that can form a perovskite structure. 0 ≦ x ≦ 1, and δ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition.)
It is represented by
More preferably, the perovskite oxide includes at least Fe as a metal element that can form a perovskite structure.
General formula:
La 1-x A x MyFe 1-y O 3-δ (2)
(However, A is one or more elements selected from the group consisting of Sr, Ba, and Ca, and M is one or more metal elements that can form a perovskite structure. 0 ≦ x ≦ 1, 0.2 ≦ y <1, and δ is a value determined so as to satisfy the charge neutrality condition.
In the bonding material having such a configuration, the perovskite oxide having the above composition is mixed in the crystal-containing glass (the above-described component (a)), so that the bonding material has excellent reduction expansion resistance. The formation of the joined portion is realized, and a suitable oxygen ion conduction module including such a joined portion is provided. Among such perovskite oxides, a bonding material in which a perovskite oxide containing Fe is mixed is even more preferable because it can further impart conductivity to the above-mentioned bonding portion.

また、本発明は、酸素イオン伝導モジュールを構成する酸素イオン伝導性セラミック材と少なくとも一つのセラミック製接続部材とを接合する方法を提供する。
すなわち、本発明により提供される方法は、ここで開示されるいずれかの接合材を用意し、該接合材を上記酸素イオン伝導性セラミック材と上記接続部材との接続部分に塗布すること、そして、該塗布された接合材を、1000℃以上の温度域で焼成することによって、上記酸素イオン伝導性セラミック材と上記接続部材との上記接続部分において該接合材から成るガス流通を遮断する接合部を形成すること、を包含する。
かかる構成の方法では、上記接続部分に塗布された上記接合材を1000℃以上の高温域で焼成することによって、上述したような効果を奏する酸素イオン伝導モジュールを提供することができる。
The present invention also provides a method for joining an oxygen ion conductive ceramic material constituting an oxygen ion conductive module and at least one ceramic connecting member.
That is, the method provided by the present invention provides any bonding material disclosed herein, and applies the bonding material to the connection portion between the oxygen ion conductive ceramic material and the connection member; and The bonded portion that cuts off the gas flow of the bonding material at the connecting portion between the oxygen ion conductive ceramic material and the connecting member by firing the applied bonding material in a temperature range of 1000 ° C. or higher. Forming.
In the method having such a configuration, an oxygen ion conduction module having the above-described effects can be provided by firing the bonding material applied to the connection portion in a high temperature range of 1000 ° C. or higher.

したがって、本発明は他の側面として、ここで開示される接合材を使用して酸素イオン伝導性セラミック材(例えばジルコニア系材料)と、少なくとも一つのセラミック(例えばランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物)製の接続部材とを、上記接合方法により接合することを特徴とする酸素イオン伝導モジュールの製造方法を提供する。ここで、上記接合材の焼成温度は、酸素イオン伝導モジュールの使用温度域(例えば800℃〜1000℃)以上であることが好ましい。   Therefore, according to another aspect of the present invention, an oxygen ion conductive ceramic material (for example, a zirconia-based material) and at least one ceramic (for example, a lanthanum chromite-based perovskite oxide) using the bonding material disclosed herein. Provided is a method for producing an oxygen ion conducting module, characterized in that a connecting member made of metal is joined by the joining method described above. Here, it is preferable that the firing temperature of the bonding material is equal to or higher than the operating temperature range (for example, 800 ° C. to 1000 ° C.) of the oxygen ion conduction module.

典型例として平板型SOFC(単セル)を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically flat type SOFC (single cell) as a typical example. 本発明の実施例に係るサンプル(1)〜(10)の試供体を空気雰囲気および還元雰囲気に暴露してリーク発生を測定するための装置を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the apparatus for exposing the sample of the samples (1)-(10) which concerns on the Example of this invention to an air atmosphere and a reducing atmosphere, and measuring leak generation | occurrence | production.

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項(例えば、接合材を構成するガラス成分の調製方法)以外の事項であって本発明の実施に必要な事柄(原料粉末の混合方法やセラミックスの成形方法)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本命最初に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. In addition, matters other than matters specifically mentioned in the present specification (for example, a method for preparing a glass component constituting a bonding material) and matters necessary for carrying out the present invention (mixing method of raw material powders and molding of ceramics) Method) can be understood as a design matter of those skilled in the art based on the prior art in the field. The present invention can be carried out on the basis of the contents first disclosed in the present invention and common technical knowledge in the field.

本発明の酸素イオン伝導モジュールは、該モジュールを構成する酸素イオン伝導性セラミック材とセラミック製接続部材との間の接合部が、(a)ガラスマトリックス中にクリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶が析出している上記結晶含有ガラスと(b)ペロブスカイト型酸化物との混材により形成されていることにより特徴づけられるものであり、その他の構成成分、例えば酸素イオン伝導性セラミック材やセラミック製接続部材の形状や組成は、種々の基準に照らして任意に決定することができる。例えば、かかる酸素イオン伝導モジュールの一典型例である酸素分離装置では、ペロブスカイト型酸化物である酸素イオン伝導性セラミック材が膜状に形成されて酸素分離膜材として作用し、該膜材と同様の組成、またはマグネシア、ジルコニア、窒化ケイ素、あるいは炭化ケイ素等を主体とする多孔質な接続部材が円筒状に形成されて、上記酸素分離膜材の基材として作用し得る。あるいはまた、酸素伝導モジュールにおける他の一典型例である燃料電池(典型的にはSOFC)では、固体電解質として所定形状に形成された酸素イオン伝導性セラミック材が、インターコネクタとしての接続部材と接合されることにより、スタックを構成し得る。   In the oxygen ion conduction module of the present invention, the joint between the oxygen ion conductive ceramic material and the ceramic connecting member constituting the module is (a) cristobalite crystal and / or leucite crystal is precipitated in the glass matrix. It is characterized by being formed by a mixed material of the above-mentioned crystal-containing glass and (b) perovskite type oxide, and other components such as an oxygen ion conductive ceramic material and a ceramic connecting member The shape and composition of can be determined arbitrarily in light of various criteria. For example, in an oxygen separation device which is a typical example of such an oxygen ion conduction module, an oxygen ion conductive ceramic material which is a perovskite oxide is formed into a film shape and acts as an oxygen separation membrane material, and is similar to the membrane material. A porous connecting member mainly composed of magnesia, zirconia, silicon nitride, silicon carbide or the like is formed in a cylindrical shape and can act as a base material for the oxygen separation membrane material. Alternatively, in a fuel cell (typically SOFC) which is another typical example of the oxygen conduction module, an oxygen ion conductive ceramic material formed in a predetermined shape as a solid electrolyte is joined to a connecting member as an interconnector. By doing so, a stack can be configured.

ここで開示される接合材は、上述のように、酸素イオン伝導モジュールを構成する酸素イオン伝導性セラミック材と少なくとも一つのセラミック製接続部材とを互いに接合するための接合材であり、(a)ガラスマトリックス中にクリストバライト(SiO)結晶および/またはリューサイト(KAlSiあるいは4SiO・Al・KO)結晶が析出し得る組成のガラス組成物(結晶含有ガラス)と、(b)ペロブスカイト型酸化物とが混在して形成される。 The bonding material disclosed here is a bonding material for bonding the oxygen ion conductive ceramic material constituting the oxygen ion conductive module and at least one ceramic connecting member to each other as described above, and (a) and cristobalite (SiO 2) crystals and / or leucite (KAlSi 2 O 6 or 4SiO 2 · Al 2 O 3 · K 2 O) glass composition having a composition crystals can precipitate (crystal-containing glass) in a glass matrix, (B) A perovskite oxide is mixed and formed.

まず、上記構成成分(a)である結晶含有ガラスについて説明する。
酸素分離装置やSOFC等に代表される酸素イオン伝導モジュールを比較的高温域、例えば800〜1200℃、好ましくは800〜1000℃(例えば900〜1000℃)で使用する場合、かかる構成成分(a)として、当該高温域で溶融し難い組成のガラスが好ましい。この場合、ガラスの融点(軟化点)を上昇させる成分の添加または増加により、所望する高融点(高軟化点)を実現することができる。
このような構成成分(a)は、必須構成成分としてSiO、Al、KOを含む酸化物ガラスが好ましい。これら必須成分のほか、目的に応じて種々の成分(典型的には種々の酸化物成分)を付加的に含むことができる。
また、クリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶の析出量は、ガラス組成物中の上記必須構成成分の含有率(組成率)によって適宜調整することができる。ここで、上記クリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶は、ガラス成分(結晶含有ガラス)全体のうちの3質量%より多く且つ50質量%未満(より好ましくは5質量%〜45質量%、例えば10質量%〜40質量%)の割合(含有率)で含まれる(析出する)ように調整することが好ましい。上記結晶の含有率が3質量%以下であると、上記接合部の耐水性や耐化学性が低下し得る。また、該含有率が50質量%以上であると、上記接合部が封止しきれず気密性に欠ける虞がある。
特に限定されないが、ガラス成分全体(クリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶部分を含む)の酸化物換算の質量比で、SiO:60〜75質量%、Al:10〜20質量%、NaO:3〜10質量%、KO:5〜15質量%、MgO:0〜3質量%、およびCaO:0〜3質量%(好ましくは0.1〜3質量%)であるものが好ましい。
First, the crystal-containing glass that is the component (a) will be described.
When an oxygen ion conduction module typified by an oxygen separator or SOFC is used in a relatively high temperature range, for example, 800 to 1200 ° C., preferably 800 to 1000 ° C. (for example, 900 to 1000 ° C.), the component (a) As such, a glass having a composition that hardly melts in the high temperature range is preferable. In this case, a desired high melting point (high softening point) can be realized by adding or increasing a component that increases the melting point (softening point) of the glass.
Such component (a) is preferably an oxide glass containing SiO 2 , Al 2 O 3 , and K 2 O as essential components. In addition to these essential components, various components (typically various oxide components) can be additionally contained depending on the purpose.
Moreover, the amount of cristobalite crystals and / or leucite crystals deposited can be appropriately adjusted depending on the content (composition ratio) of the essential constituents in the glass composition. Here, the cristobalite crystal and / or the leucite crystal is more than 3 mass% and less than 50 mass% (more preferably 5 mass% to 45 mass%, for example, 10 mass) of the whole glass component (crystal-containing glass). % To 40% by mass) is preferably adjusted so as to be contained (precipitated). When the content of the crystal is 3% by mass or less, the water resistance and chemical resistance of the joint can be lowered. Further, when the content is 50% by mass or more, the joint portion may not be completely sealed and airtightness may be lost.
Is not particularly limited, the mass ratio of the oxide basis the total glass components (including cristobalite crystalline and / or leucite crystalline portion), SiO 2: 60 to 75 wt%, Al 2 O 3: 10~20 wt%, Na 2 O: 3 to 10% by mass, K 2 O: 5 to 15% by mass, MgO: 0 to 3% by mass, and CaO: 0 to 3% by mass (preferably 0.1 to 3% by mass) Is preferred.

SiOはクリストバライト結晶およびリューサイト結晶を構成する成分であり、接合部のガラス層(ガラスマトリックス)の骨格を構成する主成分である。SiO含有率が高すぎると融点(軟化点)が高くなりすぎてしまい好ましくない。一方、SiO含有率が低すぎると、クリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶析出量が少なくなるため好ましくない。また、耐水性や耐化学性が低下する。SiO含有率がガラス組成物全体の60〜75質量%であることが好ましく、65〜75%程度であることが特に好ましい。 SiO 2 is a component constituting a cristobalite crystal and a leucite crystal, and is a main component constituting the skeleton of the glass layer (glass matrix) of the joint. If the SiO 2 content is too high, the melting point (softening point) becomes too high, which is not preferable. On the other hand, if the SiO 2 content is too low, the amount of cristobalite crystals and / or leucite crystals deposited is not preferred. In addition, water resistance and chemical resistance are reduced. Preferably SiO 2 content of from 60 to 75% by weight of the total glass composition, and particularly preferably about 65% to 75%.

Alはリューサイト結晶を構成する成分であり、ガラスの流動性を制御して付着安定性に関与する成分である。Al含有率が低すぎると付着安定性が低下して均一な厚みのガラス層(ガラスマトリックス)の形成を損なう虞があるとともにリューサイト結晶析出量が少なくなるため好ましくない。一方、Al含有率が高すぎると、接合部の耐化学性を低下させる虞がある。Al含有率がガラス組成物全体の10〜20質量%であることが好ましい。 Al 2 O 3 is a component constituting a leucite crystal, and is a component involved in adhesion stability by controlling the fluidity of glass. If the Al 2 O 3 content is too low, the adhesion stability is lowered, which may impair the formation of a glass layer (glass matrix) having a uniform thickness, and the amount of leucite crystal precipitation decreases, which is not preferable. On the other hand, if the Al 2 O 3 content is too high, the chemical resistance of the joint may be lowered. It is preferable al 2 O 3 content is 10 to 20% by weight of the total glass composition.

Oはリューサイト結晶を構成する成分であり、他のアルカリ金属酸化物(典型的にはNaO)とともに熱膨張率(熱膨張係数)を高める成分である。KO含有率が低すぎるとリューサイト結晶析出量が少なくなるため好ましくない。また、KO含有率およびNaO含有率が低すぎると熱膨張率(熱膨張係数)が低くなりすぎる虞がある。一方、KO含有率およびNaO含有率が高すぎると熱膨張率(熱膨張係数)が過剰に高くなるため好ましくない。KO含有率がガラス組成物全体の5〜15質量%であることが好ましく、7〜10%程度であることが特に好ましい。また、他のアルカリ金属酸化物(典型的にはNaO)の含有率がガラス組成物全体の3〜10質量%であることが好ましい。KOとNaOの合計がガラス組成物全体の10〜20質量%であることが特に好ましい。 K 2 O is a component constituting the leucite crystal, and is a component that increases the coefficient of thermal expansion (thermal expansion coefficient) together with other alkali metal oxides (typically Na 2 O). If the K 2 O content is too low, the amount of leucite crystal precipitation is reduced, which is not preferable. Further, if the K 2 O content and the Na 2 O content are too low, the thermal expansion coefficient (thermal expansion coefficient) may be too low. On the other hand, if the K 2 O content and the Na 2 O content are too high, the thermal expansion coefficient (thermal expansion coefficient) becomes excessively high, which is not preferable. The K 2 O content is preferably 5 to 15% by mass of the entire glass composition, and particularly preferably about 7 to 10%. Further, it is preferable (typically Na 2 O) other alkali metal oxides is 3-10 wt% content of the total glass composition. It is particularly preferable that the total of K 2 O and Na 2 O is 10 to 20% by mass of the entire glass composition.

アルカリ土類金属酸化物であるMgOおよびCaOは、熱膨張係数の調整を行うことができる任意添加成分である。CaOはガラス層(ガラスフラックス)の硬度を上げて耐摩耗性を向上させ得る成分であり、MgOはガラス溶融時の粘度調整を行うことができる成分でもある。また、これらの成分を入れることによりガラスマトリックスが多成分系で構成されるため、耐化学性が向上し得る。これら酸化物のガラス組成物全体における含有率は、それぞれ、ゼロ(無添加)かあるいは3質量%以下が好ましい。例えば、MgOおよびCaOの合計量がガラス組成物全体の2質量%以下であることが好ましい。   MgO and CaO, which are alkaline earth metal oxides, are optional additives that can adjust the thermal expansion coefficient. CaO is a component that can increase the hardness of the glass layer (glass flux) and improve the wear resistance, and MgO is also a component that can adjust the viscosity during glass melting. Moreover, since a glass matrix is comprised by a multicomponent system by adding these components, chemical resistance can improve. The content of these oxides in the entire glass composition is preferably zero (no addition) or 3% by mass or less. For example, the total amount of MgO and CaO is preferably 2% by mass or less of the entire glass composition.

また、上述した酸化物成分以外の、本発明の実施において本質的ではない成分(例えばB、ZnO、LiO、Bi、SrO、SnO、SnO、CuO、CuO、TiO、ZrO、La)を種々の目的に応じて添加することができる。
好ましくは、酸素イオン伝導モジュールにおける酸素イオン伝導性セラミック材と接続部材との接合部を構成するガラスの熱膨張係数が、該酸素イオン伝導性セラミック材および接続部材の熱膨張係数に近似するように上述の各成分を調合して結晶含有ガラス(構成成分(a))を調製する。例えば酸素イオン伝導性セラミック材がYSZ等のジルコニア系材料であり、接続部材がランタンクロマイト系酸化物等のペロブスカイト型酸化物である場合には、これらの熱膨張係数に近似させて、形成される接合部の熱膨張係数(示差膨張方式(TMA)に基づく室温(25℃)〜(ガラスの軟化点以下の温度(例えば450℃)の間の平均値)が9×10−6/K〜14×10−6/Kとなるように組成を調整して上記結晶含有ガラスを調製すればよい。
In addition to the above-described oxide components, components that are not essential in the practice of the present invention (for example, B 2 O 3 , ZnO, Li 2 O, Bi 2 O 3 , SrO, SnO, SnO 2 , CuO, Cu 2 O). , it can be added according to the TiO 2, ZrO 2, La 2 O 3) a variety of purposes.
Preferably, the thermal expansion coefficient of the glass constituting the joint between the oxygen ion conductive ceramic material and the connecting member in the oxygen ion conductive module approximates the thermal expansion coefficient of the oxygen ion conductive ceramic material and the connecting member. The above-mentioned components are mixed to prepare crystal-containing glass (component (a)). For example, when the oxygen ion conductive ceramic material is a zirconia material such as YSZ and the connecting member is a perovskite oxide such as a lanthanum chromite oxide, it is formed by approximating these thermal expansion coefficients. The thermal expansion coefficient of the joint (room temperature (25 ° C.) based on the differential expansion method (TMA) to (average value between temperatures below the softening point of the glass (for example, 450 ° C.)) is 9 × 10 −6 / K to 14 What is necessary is just to prepare the said crystal | crystallization containing glass by adjusting a composition so that it may become x10 < -6 > / K.

次に、上記接合材を構成する構成成分(b)について説明する。
かかる構成成分(b)であるペロブスカイト型酸化物は、上記酸素イオン伝導モジュールの使用温度域(800℃〜1200℃)下で上記結晶含有ガラスと反応しにくく、上記結晶含有ガラスに混在しても熱膨張係数が上記範囲を逸脱せず、さらに、還元雰囲気(例えば、水素(H)5vol%、窒素(N)95vol%を含有する還元雰囲気)下に置かれても、かかる還元雰囲気に曝された部分が膨張しにくいもの(すなわち耐還元膨張性が高いもの)が好ましい。
このようなペロブスカイト型酸化物としては、一般式:
La1−xMO3−δ (1)
で表わされるペロブスカイト型酸化物であることが好ましい。ここで、Aは、Sr、BaおよびCaからなる群から選択される1種または2種以上の元素である。好ましくはSrである。また、上記一般式(1)における「x」は、このペロブスカイト型構造においてLaがAによって置き換えられた割合を示す値である。このxの取り得る範囲は0≦x≦1(好ましくは0≦x<1、例えば0.4≦x≦0.6)である。また、Mは、ペロブスカイト型構造を構成し得る1種または2種以上の金属元素である。
ここで、上記δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。上記一般式(1)における酸素原子数は、ペロブスカイト型構造の一部を置換する原子の種類および置換割合その他の条件により変動するため正確に表示することは困難である。このため、電荷中性条件を満たすように定まる値として、1を超えない正の数δ(0<δ<1)を採用し、酸素原子の数を3−δと表示するのが妥当であるが、以下では便宜的に3と表示することとする。ただし、該酸素原子の数を便宜的に3として表示しても、異なる化合物を表しているわけではない。
Next, the component (b) constituting the bonding material will be described.
The perovskite oxide as the component (b) hardly reacts with the crystal-containing glass under the operating temperature range (800 ° C. to 1200 ° C.) of the oxygen ion conduction module, and may be mixed in the crystal-containing glass. Even if the coefficient of thermal expansion does not depart from the above range and is placed under a reducing atmosphere (for example, a reducing atmosphere containing 5 vol% hydrogen (H 2 ) and 95 vol% nitrogen (N 2 )), the reducing atmosphere It is preferable that the exposed portion is difficult to expand (that is, one having high reduction expansion resistance).
Such perovskite oxides have the general formula:
La 1-x A x MO 3-δ (1)
A perovskite oxide represented by Here, A is one or more elements selected from the group consisting of Sr, Ba and Ca. Sr is preferable. Further, “x” in the general formula (1) is a value indicating a ratio of La replaced by A in the perovskite structure. The possible range of x is 0 ≦ x ≦ 1 (preferably 0 ≦ x <1, for example, 0.4 ≦ x ≦ 0.6). M is one or more metal elements that can form a perovskite structure.
Here, δ is a value determined so as to satisfy the charge neutrality condition. The number of oxygen atoms in the general formula (1) varies depending on the type of atom that substitutes a part of the perovskite structure, the substitution ratio, and other conditions, so that it is difficult to display accurately. Therefore, it is appropriate to adopt a positive number δ (0 <δ <1) that does not exceed 1 as a value that is determined so as to satisfy the charge neutrality condition, and to display the number of oxygen atoms as 3-δ. However, for the sake of convenience, 3 is displayed below. However, even if the number of oxygen atoms is represented as 3 for convenience, it does not represent a different compound.

上記のように一般式(1)で表わされるペロブスカイト型酸化物として、より好ましくは、導電性を有するもの(すなわち、上記のような温度域下で導電性を有する状態で存在し得るもの)が好ましい。このようなペロブスカイト型酸化物としては、そのBサイトに(すなわち上記一般式(1)におけるMを構成する元素として)Feを含有するペロブスカイト型酸化物が好ましい。このペロブスカイト型酸化物は、一般式:
La1−xFe1−y3−δ (2)
で表わされる。上記一般式(2)における「y」は、このペロブスカイト型構造のBサイトにおいてMがFeによって置き換えられた割合を示す値である。より好ましくは、上記一般式(2)で表わされるペロブスカイト型酸化物は、そのBサイトにFe以外にさらにZr(ジルコニウム)および/またはTi(チタン)を含有する。このような酸化物として、LSZF酸化物またはLSTF酸化物が挙げられる。かかるZrおよび/またはTiを含むことにより、当該酸化物の還元膨張が抑制されて低い還元膨張率(高い耐還元膨張性)を示し得るので好ましい。
また、FeおよびZrは、一般的な固体酸化物形燃料電池(SOFC)における単セルの構成材料(例えば、電解質材料としてのイットリア安定化ジルコニア(YSZ))として含まれ得る元素である。このため、本発明に係る酸素イオンモジュールの一典型例であるSOFCにおいて、ジルコニア系固体電解質(酸素イオン伝導性セラミック材)とペロブスカイト型酸化物(接続部材)との接合部に対して、FeおよびZrを含む上記ペロブスカイト型酸化物が構成成分(b)として混在する接合材を適用することにより、かかるFeおよびZrが該接合部外に拡散する虞があっても、SOFCの電池性能の劣化が抑制され得る。
More preferably, the perovskite oxide represented by the general formula (1) as described above has conductivity (that is, can exist in a state having conductivity under the above temperature range). preferable. As such a perovskite oxide, a perovskite oxide containing Fe at the B site (that is, as an element constituting M in the general formula (1)) is preferable. This perovskite oxide has a general formula:
La 1-x A x M y Fe 1-y O 3-δ (2)
It is represented by “Y” in the general formula (2) is a value indicating the ratio of M replaced by Fe at the B site of the perovskite structure. More preferably, the perovskite oxide represented by the general formula (2) further contains Zr (zirconium) and / or Ti (titanium) in addition to Fe at the B site. Examples of such an oxide include LSZF oxide and LSTF oxide. The inclusion of such Zr and / or Ti is preferable because the reduction expansion of the oxide can be suppressed and a low reduction expansion coefficient (high reduction expansion resistance) can be exhibited.
Fe and Zr are elements that can be included as a constituent material of a single cell in a general solid oxide fuel cell (SOFC) (for example, yttria-stabilized zirconia (YSZ) as an electrolyte material). For this reason, in the SOFC which is a typical example of the oxygen ion module according to the present invention, Fe and Fe are bonded to the joint between the zirconia solid electrolyte (oxygen ion conductive ceramic material) and the perovskite oxide (connection member). By applying a bonding material in which the perovskite oxide containing Zr is mixed as a constituent component (b), even if there is a possibility that such Fe and Zr may diffuse out of the bonded portion, the battery performance of the SOFC is deteriorated. Can be suppressed.

ただし、上記ZrおよびTiは、上記ペロブスカイト型酸化物に耐還元膨張性を供する一方、導電性を低下させる虞がある。他方、Feは上記ペロブスカイト型酸化物に導電性を供するが、還元膨張率を増大させる虞がある。したがって、BサイトのFeとZr(および/またはTi)の含有率を変化させることにより、上記一般式(2)で表わされるペロブスカイト型酸化物を含む接合材における耐還元膨張性と導電性とをバランスよく調節するとよい。
このことにより、耐還元膨張性と導電性をともに供し得る構成成分(b)として、好適な上記一般式(2)で表わされるペロブスカイト型酸化物において、該一般式(2)におけるBサイトのZr(またはTi)およびFeのモル比率をy:(1−y)とすると、yの取り得る範囲は、0.2≦y<1(より好ましくは、0.2≦y≦0.5、例えば0.2≦y≦0.4)であることが好ましい。
However, Zr and Ti provide reduction expansion resistance to the perovskite oxide, but may reduce conductivity. On the other hand, Fe provides conductivity to the perovskite oxide, but may increase the reduction expansion coefficient. Therefore, by changing the content of Fe and Zr (and / or Ti) at the B site, the reduction expansion resistance and conductivity of the bonding material containing the perovskite oxide represented by the general formula (2) can be improved. It is good to adjust with good balance.
As a result, in the perovskite oxide represented by the general formula (2) as a constituent (b) capable of providing both reduction expansion resistance and conductivity, the Zr of the B site in the general formula (2) If the molar ratio of (or Ti) and Fe is y: (1-y), the possible range of y is 0.2 ≦ y <1 (more preferably 0.2 ≦ y ≦ 0.5, for example, 0.2 ≦ y ≦ 0.4) is preferable.

上記ペロブスカイト型酸化物(構成成分(b))の含有率は、特に制限はないが、接合材に求められる接合能力(すなわち上記ガラス成分の含有率に依存する。)、耐熱性、耐還元膨張性(さらには導電性)をいずれも高いレベルで具備するためには、上記結晶含有ガラス(構成成分(a))に対して40質量%以上、(より好ましくは50質量%以上、さらに好ましくは50質量%〜90質量%、例えば50質量%〜80質量%)の配合比で配合され、混在した接合材が好ましい。   The content of the perovskite oxide (component (b)) is not particularly limited, but the bonding ability required for the bonding material (that is, depends on the content of the glass component), heat resistance, and reduction expansion resistance. In order to provide all of the properties (and also conductivity) at a high level, it is 40% by mass or more (more preferably 50% by mass or more, more preferably, based on the crystal-containing glass (component (a)). 50 wt% to 90 wt%, for example, 50 wt% to 80 wt%) is preferable.

このような含有率で上記結晶含有ガラスと上記ペロブスカイト型酸化物とを含む接合材は、該接合材を用いて成る接合部に対して、耐熱性(あるいは、温度変化に対する耐久性)を与えることができる。
これに加えて、かかる接合材は、空気雰囲気(酸素分圧約200hPa(約0.2atm)における熱膨張率をEとし、還元雰囲気(例えば、水素(H)5vol%、窒素(N)95vol%を含有する還元雰囲気)における熱膨張率をEとして、下式(3):
[{(1+E/100)−(1+E/100)}/(1+E/100)]×100
で与えられる還元膨張率が0.1%以下となる低い還元膨張性(すなわち高い耐還元膨張性)を上記接合部に与えることができる。ここで、熱膨張率E,Eとしては、例えば、室温から1000℃までの間の体積の増大を測定することにより求めた値を用いることができる。このような還元膨張率を接合部に与え得る接合材は、上記一般式(1)または(2)におけるxおよびyの値(特にyの値)を上述の好ましい範囲とすることにより実現し得る。
The bonding material containing the crystal-containing glass and the perovskite oxide at such a content provides heat resistance (or durability against temperature change) to a bonding portion using the bonding material. Can do.
In addition, such a bonding material, the thermal expansion coefficient in air atmosphere (oxygen partial pressure of about 200 hPa (approximately 0.2 atm) and E A, a reducing atmosphere (e.g., hydrogen (H 2) 5 vol%, nitrogen (N 2) the thermal expansion coefficient in a reducing atmosphere) containing 95 vol% as E R, the following equation (3):
[{(1 + E R / 100) − (1 + E A / 100)} / (1 + E A / 100)] × 100
It is possible to provide the joint with low reductive expansion (that is, high reductive expansion resistance) in which the reductive expansion coefficient given by (1) is 0.1% or less. Here, as the thermal expansion coefficients E R and E A , for example, values obtained by measuring an increase in volume between room temperature and 1000 ° C. can be used. A bonding material capable of giving such a reduction expansion coefficient to the joint can be realized by setting the values of x and y (especially the value of y) in the general formula (1) or (2) to the above-described preferable ranges. .

上記のような組成の接合材の製造方法に関して特に制限はなく、従来の結晶含有ガラス(すなわち、クリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶が析出し得る組成のガラス組成物)を製造するのと同様の方法が用いられる。典型的には、当該組成物を構成する各種酸化物成分を得るための化合物(例えば各成分を含有する酸化物、炭酸塩、硝酸塩、複合酸化物等を含む工業製品、試薬、または各種の鉱物原料)および必要に応じてそれ以外の添加物を所定の配合比で乾式または湿式のボールミル等の混合機に投入し、数〜数十時間混合する。
得られた混和物(粉末)は、乾燥後、耐火性の坩堝に入れ、適当な高温(典型的には1000℃〜1500℃)条件下で加熱・溶融させる。
There is no particular limitation on the method for producing the bonding material having the above composition, and it is the same as that for producing a conventional crystal-containing glass (that is, a glass composition having a composition capable of depositing cristobalite crystals and / or leucite crystals). The method is used. Typically, compounds for obtaining various oxide components constituting the composition (for example, industrial products, reagents, various minerals containing oxides, carbonates, nitrates, complex oxides, etc., containing each component) Raw materials) and other additives as required are charged into a mixer such as a dry or wet ball mill at a predetermined blending ratio and mixed for several to several tens of hours.
The obtained admixture (powder) is dried, placed in a refractory crucible, and heated and melted under suitable high temperature (typically 1000 ° C. to 1500 ° C.) conditions.

次いで得られたガラスを粉砕し、結晶化熱処理を行う。例えば、ガラス粉末を室温から約100℃まで約1〜5℃/分の昇温速度で加熱し、800〜1000℃の温度域で30分〜60分程度保持することにより、ガラスマトリックス中にクリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶を析出させることができる。
こうして得られたリューサイト含有ガラスは、種々の方法で所望する形態に成形することができる。例えば、ボールミルで粉砕したり、適宜篩いがけしたりすることによって、所望する平均粒径(例えば0.1μm〜10μm)の粉末状ガラス組成物(構成成分(a))を得ることができる。
Next, the obtained glass is crushed and subjected to crystallization heat treatment. For example, cristobalite is heated in the glass matrix by heating the glass powder from room temperature to about 100 ° C. at a heating rate of about 1 to 5 ° C./min and holding it in the temperature range of 800 to 1000 ° C. for about 30 to 60 minutes. Crystals and / or leucite crystals can be precipitated.
The leucite-containing glass thus obtained can be formed into a desired form by various methods. For example, a powdery glass composition (component (a)) having a desired average particle size (for example, 0.1 μm to 10 μm) can be obtained by pulverizing with a ball mill or appropriately sieving.

このようにして得られた粉末状ガラス組成物に対して、構成成分(b)であるペロブスカイト型酸化物を、所望する還元膨張率に応じて決められた配合比で加え、次いで水を適量加えて上記と同様のボールミルを用いて混合する。その後、所定時間の乾燥処理を実施することにより、本発明に係る粉末状の接合材を得ることができる。
このようにして得られた粉末状体の接合材は、従来の接合材と同様に、典型的にはペースト状に調製されて、酸素イオン伝導性セラミック材と接続部材との接続部分に塗布することができる。例えば、得られた上記接合材に適当なバインダや溶媒を混合してペーストを調製することができる。なお、ペーストに用いられるバインダ、溶媒および他の成分(例えば分散剤)は、特に限定されるものではなく、ペースト製造において従来公知のものから適宜選択して用いることができる。
例えば、バインダの好適例としてセルロースまたはその誘導体が挙げられる。具体的には、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、カルボキシエチルセルロース、カルボキシエチルメチルセルロース、セルロース、エチルセルロース、メチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、およびこれらの塩が挙げられる。バインダは、ペースト全体の5〜20質量%の範囲で含まれることが好ましい。
To the powdery glass composition thus obtained, the perovskite oxide as the component (b) is added at a blending ratio determined according to the desired reduction expansion coefficient, and then an appropriate amount of water is added. And using a ball mill similar to the above. Then, the powdery joining material which concerns on this invention can be obtained by implementing the drying process for predetermined time.
The powder-like bonding material thus obtained is typically prepared in a paste like the conventional bonding material, and is applied to the connecting portion between the oxygen ion conductive ceramic material and the connecting member. be able to. For example, a paste can be prepared by mixing an appropriate binder or solvent with the obtained bonding material. Note that the binder, solvent, and other components (for example, a dispersant) used in the paste are not particularly limited, and can be appropriately selected from conventionally known ones in paste production.
For example, a preferable example of the binder is cellulose or a derivative thereof. Specific examples include hydroxymethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, carboxymethyl cellulose, carboxyethyl cellulose, carboxyethyl methyl cellulose, cellulose, ethyl cellulose, methyl cellulose, ethyl hydroxyethyl cellulose, and salts thereof. It is preferable that a binder is contained in 5-20 mass% of the whole paste.

また、ペースト中に含まれ得る溶媒としては、例えば、エーテル系溶剤、エステル系溶剤、ケトン系溶剤、または他の有機溶剤が挙げられる。好適例としてエチレングリコールおよびジエチレングリコール誘導体、トルエン、キシレン、ターピネオール等の高沸点有機溶媒またはこれらの2種以上の組み合わせが挙げられる。ペーストにおける溶媒の含有率は、特に限定されないが、ペースト全体の1〜40質量%程度が好ましい。   Examples of the solvent that can be contained in the paste include ether solvents, ester solvents, ketone solvents, and other organic solvents. Preferable examples include ethylene glycol and diethylene glycol derivatives, high-boiling organic solvents such as toluene, xylene and terpineol, or combinations of two or more thereof. Although the content rate of the solvent in a paste is not specifically limited, About 1-40 mass% of the whole paste is preferable.

ここで開示される接合材は、従来のこの種の接合材と同様に用いることができる。具体的には、接合対象である酸素イオン伝導性セラミック材と接続部材の被接合部分を相互に接触・接続し、当該接続した部分にペースト状に調製された接合材を塗布する。そして、接合材から成る塗布物を適当な温度(典型的には60〜100℃)で乾燥させ、次いで、1000℃以上の温度域、好ましくは酸素イオン伝導モジュールの使用温度域(例えば800〜1000℃、あるいはそれよりも高い温度域、典型的には800℃〜1200℃)よりも高い温度域であってガラスが流出しない温度域(例えば使用温度域が概ね1000℃までの場合、典型的には1000℃〜1200℃、使用温度域が概ね1200℃までの場合、典型的には1200℃〜1300℃)で焼成する。このことにより、酸素イオン伝導性セラミック材と接続部材との接続部分においてガス流通を遮断する(すなわちガスリークが無い)接合部(シール部)が形成される。かかる接合部は、上記温度域において還元雰囲気に曝されても、かかる暴露部分の膨張が抑制されるため、酸素イオン伝導性セラミック材と接続部材との接合部において、クラックの発生原因の一つである還元雰囲気側と酸化雰囲気側との膨張差が大幅に軽減される。すなわち、かかる接合材を用いることにより、上記酸素イオン伝導性セラミック材と接続部材とを接合し、かかる接合部におけるクラックの発生を防止して高い耐久性を長期にわたり実現する酸素イオン伝導モジュールを提供することができる。   The bonding material disclosed here can be used in the same manner as a conventional bonding material of this type. Specifically, the oxygen ion conductive ceramic material to be bonded and the bonded portion of the connecting member are contacted and connected to each other, and a bonding material prepared in a paste form is applied to the connected portion. Then, the coated material made of the bonding material is dried at an appropriate temperature (typically 60 to 100 ° C.), and then the temperature range of 1000 ° C. or higher, preferably the operating temperature range of the oxygen ion conduction module (for example, 800 to 1000). When the temperature range where the glass does not flow out (for example, when the use temperature range is up to about 1000 ° C.) is typically higher than the temperature range, or higher than that, typically 800 ° C. to 1200 ° C. Baked at 1000 ° C. to 1200 ° C. and typically at 1200 ° C. to 1300 ° C. when the operating temperature range is approximately 1200 ° C. This forms a joint (seal part) that blocks gas flow (that is, there is no gas leak) at the connection part between the oxygen ion conductive ceramic material and the connection member. Even if such a joint is exposed to a reducing atmosphere in the above temperature range, the expansion of the exposed part is suppressed. Therefore, one of the causes of the occurrence of cracks in the joint between the oxygen ion conductive ceramic material and the connection member. The expansion difference between the reducing atmosphere side and the oxidizing atmosphere side is greatly reduced. That is, by using such a bonding material, the oxygen ion conductive ceramic material and the connecting member are bonded to each other, and an oxygen ion conductive module that realizes high durability over a long period of time by preventing the occurrence of cracks at the bonded portion is provided. can do.

以上のような接合材が用いられて形成される接合部を備えた酸素イオン伝導モジュールについて、該モジュールがSOFCとして機能する場合を例として、詳細に説明する。
かかるSOFCは、ジルコニア系固体電解質(酸素イオン伝導性セラミック材)とランタンクロマイト系酸化物から成るインターコネクタ(接続部材)との間の接合部(シール部)が上記結晶含有ガラスと上記導電性物質との混在により形成されていることで特徴づけられる。かかる以外の構成部分、例えば燃料極(アノード)や、空気極(カソード)の形状や組成は、種々の基準に照らして任意に決定することができる。
An oxygen ion conduction module having a joint formed by using the joining material as described above will be described in detail by taking as an example a case where the module functions as an SOFC.
In such SOFC, the joint (sealing part) between the zirconia solid electrolyte (oxygen ion conductive ceramic material) and the interconnector (connecting member) made of lanthanum chromite oxide is used for the crystal-containing glass and the conductive substance. It is characterized by being formed by mixing. The shape and composition of other components such as the fuel electrode (anode) and the air electrode (cathode) can be arbitrarily determined in light of various standards.

ここで開示されるSOFCを構築するための固体電解質としては、酸化(空気)雰囲気および還元(燃料ガス)雰囲気のいずれにおいても酸素イオン伝導性が高く、ガス透過性の無い緻密な層を形成できる材料から構成される。この好適な材料として、ジルコニア系固体電解質が用いられる。典型的にはイットリア(Y)で安定化したジルコニア(YSZ)が用いられる。その他、好適なジルコニア系固体電解質として、カルシア(CaO)で安定化したジルコニア(CSZ)、スカンジア(Sc)で安定化したジルコニア(SSZ)、等が挙げられる。 As a solid electrolyte for constructing the SOFC disclosed herein, a dense layer having high oxygen ion conductivity and no gas permeability can be formed in both an oxidizing (air) atmosphere and a reducing (fuel gas) atmosphere. Consists of materials. As this suitable material, a zirconia-based solid electrolyte is used. Typically, zirconia (YSZ) stabilized with yttria (Y 2 O 3 ) is used. Other suitable zirconia-based solid electrolytes include zirconia (CSZ) stabilized with calcia (CaO), zirconia (SSZ) stabilized with scandia (Sc 2 O 3 ), and the like.

ここで開示されるSOFCを構築するためのインターコネクタ(セパレータ)としては、酸素供給ガス(例えば空気)と燃料ガス(例えば水素(H))とを物理的に遮断し且つ電子伝導性があるランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(ランタンクロマイト系酸化物)が用いられる。
かかるランタンクロマイト系酸化物は、一般式:La1−xMaCr1−yMb
で表され、式中のMaおよびMbは同一かまたは相互に異なる1種または2種以上のアルカリ土類金属であり、xおよびyはそれぞれ0≦x<1、0≦y<1である。すなわち、かかるランタンクロマイト系酸化物は、ランタン、またはクロムの一部がアルカリ土類金属で置換されたものであってもよい。好適例として、LaCrO、あるいはMaまたはMbがカルシウム(Ca)である酸化物(ランタンカルシアクロマイト)、例えばLa0.8Ca0.2CrOが挙げられる。
As an interconnector (separator) for constructing the SOFC disclosed herein, an oxygen supply gas (for example, air) and a fuel gas (for example, hydrogen (H 2 )) are physically cut off and have electronic conductivity. Lanthanum chromite perovskite oxide (lanthanum chromite oxide) is used.
Such a lanthanum chromite oxide has a general formula: La 1-x Max x Cr 1-y Mb y O 3
In the formula, Ma and Mb are one or two or more alkaline earth metals that are the same or different from each other, and x and y are 0 ≦ x <1 and 0 ≦ y <1, respectively. That is, the lanthanum chromite oxide may be lanthanum or a lanthanum oxide in which a part of chromium is substituted with an alkaline earth metal. Preferable examples include LaCrO 3 or an oxide (lanthanum calcia chromite) in which Ma or Mb is calcium (Ca), such as La 0.8 Ca 0.2 CrO 3 .

ここで開示されるSOFCに備わる燃料極および空気極は、従来のSOFCと同様でよく特に制限はない。例えば、燃料極としてはニッケル(Ni)とYSZのサーメット、ルテニウム(Ru)とYSZのサーメット等が好適に採用される。空気極としてはランタンコバルトネート(LaCoO)系やランタンマンガネート(LaMnO)系のペロブスカイト型酸化物が好適に採用される。これら材質から成る多孔質体をそれぞれ燃料極および空気極として使用する。 The fuel electrode and air electrode provided in the SOFC disclosed here may be the same as those of the conventional SOFC, and are not particularly limited. For example, nickel (Ni) and YSZ cermets, ruthenium (Ru) and YSZ cermets, and the like are preferably used as the fuel electrode. As the air electrode, a lanthanum cobaltate (LaCoO 3 ) -based or lanthanum manganate (LaMnO 3 ) -based perovskite oxide is preferably employed. Porous bodies made of these materials are used as a fuel electrode and an air electrode, respectively.

なお、かかるSOFCに用いられる燃料ガスとしては、水素の代わりに、メタン(CH)、プロパン、ブタン等の炭化水素を改質ガスとして使用してもよい。かかる場合には、空気極からの酸素イオンO2−が固体電解質中を移動して、これが燃料極に到達する。燃料極では、上記炭化水素が(水と反応して)一酸化炭素(CO)または水素(H)に改質されるので、かかるCOおよびHが当該燃料極において上記O2−と反応することにより電力を得る。
なお、このような燃料ガスを使用するために、上述とは異なる材質から成る固体電解質やインターコネクタを備えたSOFCを製造(構築)する場合であっても、ここで開示される接合材を好ましく用いることができる。
As the fuel gas used in such SOFC, instead of hydrogen, methane (CH 4), propane may be used hydrocarbons such as butane as the reformed gas. In such a case, oxygen ions O 2− from the air electrode move in the solid electrolyte and reach the fuel electrode. At the fuel electrode, the hydrocarbon is reformed (reacted with water) to carbon monoxide (CO) or hydrogen (H 2 ), so that CO and H 2 react with the O 2− at the fuel electrode. To get power.
In order to use such a fuel gas, the bonding material disclosed herein is preferably used even when manufacturing (constructing) an SOFC including a solid electrolyte or an interconnector made of a material different from the above. Can be used.

SOFCの単セルおよびそのスタックの製造は、従来のSOFCの単セルとスタックの製造に準じればよく、本発明のSOFCを構築するために特別な処理を必要としない。従来用いられている種々の方法により、固体電解質、空気極、燃料極およびインターコネクタを形成することができる。
例えば、所定の材料(例えば平均粒径0.1〜10μm程度のYSZ粉末、メチルセルロース等のバインダ、水等の溶媒)から成る成形材料を用いて押出成形等によって成形されたYSZ成形体を大気条件下で適当な温度域(例えば1300〜1600℃)で焼成し、所定形状(例えば板状または管状)の固体電解質を作製する。
その固体電解質の一方の表面に、所定の材料(例えば平均粒径0.1μm〜10μm程度の上記ペロブスカイト型酸化物粉末、メチルセルロース等のバインダ、水等の溶媒)から成る空気極形成用スラリーを塗布し、大気条件下、適当な温度域(例えば1300〜1500℃)で焼成することにより、多孔質の膜状空気極を形成する。
次いで、固体電解質の他方の表面(空気極を形成していない表面)上に、適当な方法により、大気圧プラズマ溶射法、減圧プラズマ溶射法等を用いて燃料極を形成する。例えば、プラズマによって溶融した原料粉体を固体電解質表面に吹き付けることにより上記サーメット材料から成る多孔質の膜状燃料極を形成する。
The manufacturing of the SOFC single cell and the stack thereof may be in accordance with the manufacturing of the conventional SOFC single cell and stack, and no special processing is required to construct the SOFC of the present invention. A solid electrolyte, an air electrode, a fuel electrode, and an interconnector can be formed by various methods conventionally used.
For example, a YSZ molded body formed by extrusion molding or the like using a molding material made of a predetermined material (for example, a YSZ powder having an average particle diameter of about 0.1 to 10 μm, a binder such as methyl cellulose, a solvent such as water) It calcinates in a suitable temperature range (for example, 1300-1600 degreeC) below, and produces the solid electrolyte of a predetermined shape (for example, plate shape or tubular shape).
A slurry for forming an air electrode made of a predetermined material (for example, the perovskite oxide powder having an average particle size of about 0.1 μm to 10 μm, a binder such as methyl cellulose, a solvent such as water) is applied to one surface of the solid electrolyte. Then, a porous film-like air electrode is formed by firing in an appropriate temperature range (for example, 1300 to 1500 ° C.) under atmospheric conditions.
Next, a fuel electrode is formed on the other surface of the solid electrolyte (surface not forming the air electrode) by an appropriate method using an atmospheric pressure plasma spraying method, a low pressure plasma spraying method, or the like. For example, the porous membrane fuel electrode made of the cermet material is formed by spraying the raw material powder melted by the plasma onto the surface of the solid electrolyte.

さらに、上記固体電解質と同様の方法によって所定形状のインターコネクタを作製することができる。例えば、所定の材料(例えば平均粒径0.1μm〜10μm程度のランタンクロマイト酸化物粉末、メチルセルロース等のバインダ、水等の溶媒)から成る成形材料を用いて押出成形等によって成形された成形体を大気条件下で適当な温度域(例えば1300〜1600℃)で焼成し、所定形状(例えば板状または管状)のインターコネクタを作製する。   Further, an interconnector having a predetermined shape can be produced by the same method as that for the solid electrolyte. For example, a molded body formed by extrusion molding or the like using a molding material made of a predetermined material (for example, a lanthanum chromite oxide powder having an average particle size of about 0.1 μm to 10 μm, a binder such as methyl cellulose, a solvent such as water) Firing is performed in an appropriate temperature range (for example, 1300 to 1600 ° C.) under atmospheric conditions to produce an interconnector having a predetermined shape (for example, a plate shape or a tubular shape).

そして、本発明に係る接合材を使用して、上記作製したインターコネクタを固体電解質に接合することにより、本発明に係る酸素イオン伝導モジュールの一典型例であるSOFCの単セルおよびスタックを製造することができる。例えば、図1に模式的に示されるように、SOFCの典型例として、板状の固体電解質(すなわち酸素イオン伝導性セラミック材)12の一方の面に空気極14、他方の面に燃料極16が形成され、固体電解質12に接合部(接合材)20を介して接合されたインターコネクタ(すなわち接続部材)18A,18Bを備えた燃料電池(SOFC)10を提供することができる。なお、空気極14と空気極側インターコネクタ18Aとの間には酸素供給ガス(典型的には空気)流路2が形成され、燃料極16と燃料極側インターコネクタ18Bとの間には燃料ガス(水素供給ガスまたは炭化水素ガス)流路4が形成される。
なお、ここで開示されるSOFCは、SOFCを構成する単セル(例えば予め固体電解質と接合された状態のインターコネクタを含む形態の単セル構成ユニット)、あるいはSOFCを構成する単セル(典型的にはインターコネクタを含まない構成の単セル)と該単セルを構成する固体電解質と接合した状態のインターコネクタとをそれぞれ複数積層した形態のSOFCスタックを包含し得る。
Then, by using the bonding material according to the present invention, the interconnector produced as described above is bonded to a solid electrolyte, thereby manufacturing a single cell and a stack of SOFC, which is a typical example of the oxygen ion conduction module according to the present invention. be able to. For example, as schematically shown in FIG. 1, as a typical example of SOFC, an air electrode 14 is provided on one surface of a plate-shaped solid electrolyte (that is, an oxygen ion conductive ceramic material) 12, and a fuel electrode 16 is provided on the other surface. Can be provided, and a fuel cell (SOFC) 10 including interconnectors (that is, connection members) 18A and 18B joined to the solid electrolyte 12 via a joint (joining material) 20 can be provided. An oxygen supply gas (typically air) flow path 2 is formed between the air electrode 14 and the air electrode side interconnector 18A, and a fuel is provided between the fuel electrode 16 and the fuel electrode side interconnector 18B. A gas (hydrogen supply gas or hydrocarbon gas) flow path 4 is formed.
Note that the SOFC disclosed here is a single cell constituting the SOFC (for example, a single cell constituting unit including an interconnector previously joined to a solid electrolyte) or a single cell constituting the SOFC (typically Can include a SOFC stack in which a plurality of interconnectors in a state of being joined to a solid electrolyte that constitutes the single cell are stacked.

以下、本発明に関する実施例を説明するが、本発明を以下の実施例に示すものに限定することを意図したものではない。   EXAMPLES Examples relating to the present invention will be described below, but the present invention is not intended to be limited to those shown in the following examples.

<例1:接合材の構成成分(a)としての結晶含有ガラスの作製>
平均粒径が約1〜10μmであるSiO粉末、Al粉末、NaCO粉末、KCO粉末、MgCO粉末、CaCO粉末を、それぞれ以下の配合比、すなわち酸化物換算でSiO;60〜75質量%、Al;10〜20質量%、NaO;3〜10質量%、K;5〜15質量%、MgO;0〜3質量%;、CaO;0〜3質量%で混合し、構成成分(a)の結晶含有ガラスの原料粉末を調製した。
次いで、原料粉末を1000〜1500℃の温度域(ここでは1450℃)で溶融してガラスを形成した。その後、ガラスを粉砕し、800〜1000℃の温度域(ここでは850℃)で30分〜60分間の結晶化熱処理を行った。これにより、ガラスマトリックス中に分散するようにクリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶が析出した。その後、得られた結晶含有ガラスを粉砕し、分級を行って、平均粒径約2μmの粉末状の結晶含有ガラスAを得た。この結晶含有ガラスA全体に占めるクリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶の割合(含有率)は、20質量%であった。
また、上記結晶含有ガラスAと同様にSiO粉末、Al粉末、NaCO粉末、KCO粉末、MgCO粉末、およびCaCO粉末を用いて、結晶含有ガラスBおよび結晶含有ガラスCを作製した。この結晶含有ガラスB全体に占めるクリストバライト結晶およびリューサイト結晶の含有率は、3%であった。結晶含有ガラスC全体に占めるクリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶の含有率は、50質量%であった。
また、市販の耐熱ガラス(コーニング社製耐熱ガラス(PYREX(登録商標))以下、「パイレックス(登録商標)ガラス」という。)を用意した。
<Example 1: Production of crystal-containing glass as component (a) of bonding material>
SiO 2 powder, Al 2 O 3 powder, Na 2 CO 3 powder, K 2 CO 3 powder, MgCO 3 powder, and CaCO 3 powder having an average particle diameter of about 1 to 10 μm are respectively mixed with the following blending ratios, that is, oxides. 60-75 wt%, Al 2 O 3;; SiO 2 in terms of 10 to 20 wt%, Na 2 O; 3~10 wt%, K 2 O 3; 5~15 wt%, MgO; 0 to 3 wt% ; CaO; mixed at 0 to 3% by mass to prepare a raw material powder of the crystal-containing glass of the component (a).
Next, the raw material powder was melted in a temperature range of 1000 to 1500 ° C. (here, 1450 ° C.) to form glass. Thereafter, the glass was pulverized and subjected to a crystallization heat treatment in a temperature range of 800 to 1000 ° C. (here, 850 ° C.) for 30 to 60 minutes. As a result, cristobalite crystals and / or leucite crystals were precipitated so as to be dispersed in the glass matrix. Thereafter, the obtained crystal-containing glass was pulverized and classified to obtain a powdery crystal-containing glass A having an average particle size of about 2 μm. The ratio (content ratio) of cristobalite crystals and / or leucite crystals in the entire crystal-containing glass A was 20% by mass.
Similarly to the crystal-containing glass A, a crystal-containing glass B and a crystal are obtained using SiO 2 powder, Al 2 O 3 powder, Na 2 CO 3 powder, K 2 CO 3 powder, MgCO 3 powder, and CaCO 3 powder. Containing glass C was produced. The content of cristobalite crystal and leucite crystal in the entire crystal-containing glass B was 3%. The content of cristobalite crystals and / or leucite crystals in the entire crystal-containing glass C was 50% by mass.
Further, commercially available heat resistant glass (Corning Heat Resistant Glass (PYREX (registered trademark)), hereinafter referred to as “Pyrex (registered trademark) glass”) was prepared.

<例2:接合材の構成成分(b)としてのペロブスカイト型酸化物の作製>
次に、組成の異なるペロブスカイト型酸化物を6種類作製した。(酸化物(1)〜(6))
市販の酸化ランタン(La)粉末(平均粒径約2μm)、炭酸ストロンチウム(SrCO)粉末(平均粒径約2μm)、酸化ジルコニウム(ZrO)粉末(平均粒径約1μm)および酸化鉄(Fe)粉末(平均粒径約2μm)を、焼成後に得られる焼成体の組成の化学量論比で混合した。すなわち、Laは0.6、Srは0.4、Zrは0.1、Feは0.9モルとなるように配合して、ボールミルを用いて混合した。これにより得られた混合粉末を1200℃の焼成温度で6時間仮焼した。このようにして得られた仮焼物を湿式ボールミルにより粉砕して、粉末状の酸化物(1)(La0.6Sr0.4Zr0.1Fe0.9)を得た。
他の酸化物(2)および(3)についても酸化物(1)と同様にして得た。
<Example 2: Production of perovskite oxide as component (b) of bonding material>
Next, six types of perovskite oxides having different compositions were produced. (Oxides (1) to (6))
Commercially available lanthanum oxide (La 2 O 3 ) powder (average particle size about 2 μm), strontium carbonate (SrCO 3 ) powder (average particle size about 2 μm), zirconium oxide (ZrO 2 ) powder (average particle size about 1 μm) and oxidation Iron (Fe 2 O 3 ) powder (average particle size of about 2 μm) was mixed at a stoichiometric ratio of the composition of the fired body obtained after firing. In other words, La was 0.6, Sr was 0.4, Zr was 0.1, and Fe was 0.9 mol, and mixed using a ball mill. The mixed powder thus obtained was calcined at a firing temperature of 1200 ° C. for 6 hours. The calcined product thus obtained was pulverized by a wet ball mill to obtain a powdered oxide (1) (La 0.6 Sr 0.4 Zr 0.1 Fe 0.9 O 3 ).
Other oxides (2) and (3) were obtained in the same manner as oxide (1).

酸化物(4)および(5)については、上記酸化ジルコニウム(ZrO)粉末に代えて、酸化チタン(TiO)粉末(平均粒径約1μm)を用意し、上記酸化物(1)と同様にして作製した。 As for the oxides (4) and (5), titanium oxide (TiO 2 ) powder (average particle size of about 1 μm) is prepared instead of the zirconium oxide (ZrO 2 ) powder, and is the same as the oxide (1). It was made.

酸化物(6)については、上記酸化ジルコニウム(ZrO)粉末に代えて、酸化クロム(Cr)粉末(平均粒径約1μm)を用意し、上記酸化物(1)と同様にして作製した。
以上のようにして、酸化物(1)〜(6)を得た。以下に、各酸化物(1)〜(6)の組成を示す。
酸化物(1);La0.6Sr0.4Zr0.1Fe0.9
酸化物(2);La0.6Sr0.4Zr0.2Fe0.8
酸化物(3);La0.6Sr0.4Zr0.3Fe0.7
酸化物(4);La0.6Sr0.4Ti0.1Fe0.9
酸化物(5);La0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7
酸化物(6);La0.6Sr0.4Co0.1Fe0.9
As for the oxide (6), instead of the zirconium oxide (ZrO 2 ) powder, chromium oxide (Cr 2 O 3 ) powder (average particle size of about 1 μm) is prepared, and the same as the oxide (1). Produced.
As described above, oxides (1) to (6) were obtained. Below, the composition of each oxide (1)-(6) is shown.
Oxide (1); La 0.6 Sr 0.4 Zr 0.1 Fe 0.9 O 3
Oxide (2); La 0.6 Sr 0.4 Zr 0.2 Fe 0.8 O 3
Oxide (3); La 0.6 Sr 0.4 Zr 0.3 Fe 0.7 O 3
Oxide (4); La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.1 Fe 0.9 O 3
Oxide (5); La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.3 Fe 0.7 O 3
Oxide (6); La 0.6 Sr 0.4 Co 0.1 Fe 0.9 O 3

次に、上記結晶含有ガラスAと、上記酸化物(1)とを1:1の質量比で混合し、サンプル(1)を作製した。
同様にして、結晶含有ガラスAと上記酸化物(2)を混合し、サンプル(2)を作製した。以下同様にして、サンプル(3)〜(6)を作製した。
Next, the crystal-containing glass A and the oxide (1) were mixed at a mass ratio of 1: 1 to prepare a sample (1).
Similarly, the crystal-containing glass A and the oxide (2) were mixed to prepare a sample (2). Thereafter, samples (3) to (6) were produced in the same manner.

また、上記パイレックス(登録商標)ガラスと、上記酸化物(2)とを1:1の質量比で混合し、サンプル(7)を作製した。同様にして、上記パイレックス(登録商標)ガラスと上記酸化物(5)とを混合し、サンプル(8)を作製した。
さらに、上記結晶含有ガラスBと上記酸化物(5)とを1:1の質量比で混合し、サンプル(9)を作製した。また、上記結晶含有ガラスCと上記酸化物(5)とを1:1の質量比で混合し、サンプル(10)を作製した。
Further, the Pyrex (registered trademark) glass and the oxide (2) were mixed at a mass ratio of 1: 1 to prepare a sample (7). Similarly, the Pyrex (registered trademark) glass and the oxide (5) were mixed to prepare a sample (8).
Further, the crystal-containing glass B and the oxide (5) were mixed at a mass ratio of 1: 1 to prepare a sample (9). The crystal-containing glass C and the oxide (5) were mixed at a mass ratio of 1: 1 to prepare a sample (10).

<例3:接合材と同組成の試供体の作製>
次いで、上記サンプル(1)の40質量部に対して、一般的なバインダ(ここではエチルセルロースを使用した。)3質量部と、溶剤(ここではターピネオールを使用した。)47質量部とを混合した。この混合物をプレス成形して円板状とし、80℃で乾燥後、大気中で1000〜1100℃の温度域(ここでは1050℃)で1時間焼成した。このようにして、サンプル(1)の試供体を3個作製した。同様にして、サンプル(2)〜(10)の試供体をそれぞれ3個ずつ作製した。
ここで、サンプル(2),(3)および(5)の試供体については、その熱膨張係数(ただし、示差膨張方式(TMA)に基づく室温(25℃)〜450℃の間の平均値))は、いずれも9×10−6/K〜14×10−6/Kの範囲内であった。また、かかる3種類の試供体について、その900℃の温度条件下での導電率を直流四端子法で求めたところ、いずれも0.01S/cm〜10S/cmの範囲内であった。
<Example 3: Preparation of a specimen having the same composition as the bonding material>
Next, 3 parts by mass of a general binder (here, ethyl cellulose was used) and 47 parts by mass of a solvent (here, terpineol was used) were mixed with 40 parts by mass of the sample (1). . This mixture was press-molded into a disk shape, dried at 80 ° C., and then fired in the air at a temperature range of 1000 to 1100 ° C. (here, 1050 ° C.) for 1 hour. In this way, three specimens of sample (1) were produced. Similarly, three samples (2) to (10) were prepared.
Here, for the samples (2), (3) and (5), the thermal expansion coefficient (however, an average value between room temperature (25 ° C.) and 450 ° C. based on the differential expansion method (TMA)). ) was in the range of either 9 × 10 -6 / K~14 × 10 -6 / K. Moreover, when the electrical conductivity under the temperature condition of 900 ° C. was determined by the DC four-terminal method for these three types of specimens, all were within the range of 0.01 S / cm to 10 S / cm.

<例4:還元膨張率の評価>
次に、サンプル(1)〜(10)に係る試供体のそれぞれに対して還元膨張率を評価した。サンプル(1)に係る試供体において、サンプル(1)の1個を空気雰囲気(酸素分圧約200hPa(約0.2atm))下で室温から1000℃まで維持した。その温度領域におけるサンプル(1)の体積の増加分を測定し、その増加分を室温における体積に対する百分率で表した。これを空気雰囲気下における熱膨張率Eとした。
同様にして、還元雰囲気(水素5vol%、窒素の95vol%を含有する)下におけるサンプル(1)の熱膨張率Eを求めた。これら熱膨張率EおよびEを上記(3)式にあてはめることによりサンプル(1)の還元膨張率[%]を算出した。
サンプル(2)〜(10)についても、サンプル(1)に係る試供体と同様にして還元膨張率[%]を求めた。これらの結果を表1に示す。なお、表1に記載されている「結晶含有率」とは、サンプル(1)〜(10)のそれぞれの構成成分である結晶含有ガラスA,BまたはC全体のうちに含まれる結晶成分(すなわちクリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶)の割合[質量%]を示す。
この結果、表1に示されるように、サンプル(2),(3),(5),および(7)〜(10)については、還元膨張率が0.1%以下となって高い耐還元膨張性が認められた。一方、サンプル(1)および(4)では還元膨張率が0.2%を上回った。またサンプル(6)では測定直後に割れが発生した。
<Example 4: Evaluation of reduction expansion coefficient>
Next, the reduction expansion coefficient was evaluated for each of the samples according to samples (1) to (10). In the sample according to sample (1), one of samples (1) was maintained from room temperature to 1000 ° C. in an air atmosphere (oxygen partial pressure of about 200 hPa (about 0.2 atm)). The increase in volume of the sample (1) in the temperature region was measured, and the increase was expressed as a percentage of the volume at room temperature. This was a thermal expansion coefficient E A under an air atmosphere.
Similarly, a reducing atmosphere (hydrogen 5 vol%, containing 95 vol% of nitrogen) was determined thermal expansion coefficient E R of the sample (1) under. These thermal expansion coefficients E A and E R was calculated reduction expansion of the sample (1) [%] by fitting to the equation (3).
For samples (2) to (10), the reduction expansion coefficient [%] was determined in the same manner as in the sample according to sample (1). These results are shown in Table 1. In addition, the "crystal content rate" described in Table 1 means the crystal component (that is, the crystal component glass A, B, or C as a constituent component of each of the samples (1) to (10) (that is, Cristobalite crystal and / or leucite crystal).
As a result, as shown in Table 1, the samples (2), (3), (5), and (7) to (10) have a high reduction resistance with a reduction expansion coefficient of 0.1% or less. Swellability was observed. On the other hand, in the samples (1) and (4), the reduction expansion coefficient exceeded 0.2%. In sample (6), cracks occurred immediately after measurement.

<例5:還元耐久性の評価>
次に、サンプル(1)〜(10)に係る試供体について、各サンプルの一方の面に空気、他方の面にメタン(CH)ガス(燃料ガス)を暴露し、所定時間経過後にリークが生じているか否かを測定することにより、還元雰囲気に曝された場合の各サンプルの耐久性(還元耐久性)を評価した。その評価方法について図2を参照しつつ説明する。図2は、円板状に形成された上記サンプル(1)〜(10)の試供体を空気雰囲気および還元雰囲気に暴露してリーク発生を測定するための装置を模式的に示した図である。
<測定装置>
この測定装置100は、サンプル(1)〜(10)(以下、単に「サンプル40」ということもある。)を収容するケーシング30と、サンプル40を所定の使用温度に維持するためのヒータ50とを備える。ケーシング30は、サンプル40の一方の面側に接続された空気極側外管32と、空気極側外管32の内部に挿入された空気供給内管34と、サンプル40の他方の面側に接続された燃料極側外管36と、燃料極側外管36の内部に挿入された燃料ガス供給内管38とを有する。上記内管34,38および外管32,36は、いずれもアルミナ、ムライト等の緻密なセラミック(ここでは安定化ジルコニアチューブ)により形成されている。サンプル40の外周部にはサンプル40と同組成のペースト状接合材(すなわちペースト状の各サンプル(1)〜(10))が塗布されて、外管32,36の一端と上記サンプル40とが気密に接合されている。サンプル40の上記一方の面側には、該サンプル40および空気極側外管32によって空気供給空間33が区画形成されている。また、サンプル40の上記他方の面側には、該サンプル40および燃料極側外管36によって燃料ガス供給空間37が区画形成されている。
<Example 5: Evaluation of reduction durability>
Next, with respect to the specimens according to samples (1) to (10), air was exposed to one surface of each sample and methane (CH 4 ) gas (fuel gas) was exposed to the other surface. By measuring whether or not it occurred, the durability (reduction durability) of each sample when exposed to a reducing atmosphere was evaluated. The evaluation method will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram schematically showing an apparatus for measuring the occurrence of leakage by exposing the specimens (1) to (10) formed in a disk shape to an air atmosphere and a reducing atmosphere. .
<Measurement device>
The measuring apparatus 100 includes a casing 30 that accommodates samples (1) to (10) (hereinafter also simply referred to as “sample 40”), and a heater 50 that maintains the sample 40 at a predetermined operating temperature. Is provided. The casing 30 includes an air electrode side outer tube 32 connected to one surface side of the sample 40, an air supply inner tube 34 inserted into the air electrode side outer tube 32, and the other surface side of the sample 40. It has a fuel electrode side outer tube 36 connected, and a fuel gas supply inner tube 38 inserted into the fuel electrode side outer tube 36. The inner pipes 34 and 38 and the outer pipes 32 and 36 are all formed of a dense ceramic (here, stabilized zirconia tube) such as alumina or mullite. A paste-like bonding material having the same composition as that of the sample 40 (that is, each of the paste-like samples (1) to (10)) is applied to the outer periphery of the sample 40, and one end of the outer tubes 32 and 36 and the sample 40 are connected to each other. Airtightly joined. On the one surface side of the sample 40, an air supply space 33 is defined by the sample 40 and the air electrode side outer tube 32. Further, a fuel gas supply space 37 is defined on the other surface side of the sample 40 by the sample 40 and the fuel electrode side outer tube 36.

上記測定装置100は、上記空気供給内管34が図示しない空気供給手段に接続されており、空気は該空気供給内管34を通じて空気供給空間33に供給されるように構成されている。且つ該測定装置100は、上記燃料ガス供給内管38が図示しない燃料ガス供給手段に接続されており、燃料ガスは該燃料ガス供給内管38を通じて燃料ガス供給空間37に供給されるように構成されている。
このような構成の測定装置100にサンプル40をセットすることにより、サンプル40の一方の面は、空気供給空間33に供給された空気と接触するとともに、該サンプル40の他方の面は、燃料ガス供給空間37に供給された燃料ガスと接触することができる。
The measuring apparatus 100 is configured such that the air supply inner pipe 34 is connected to an air supply means (not shown), and the air is supplied to the air supply space 33 through the air supply inner pipe 34. The measuring apparatus 100 is configured such that the fuel gas supply inner pipe 38 is connected to a fuel gas supply means (not shown), and the fuel gas is supplied to the fuel gas supply space 37 through the fuel gas supply inner pipe 38. Has been.
By setting the sample 40 in the measuring apparatus 100 having such a configuration, one surface of the sample 40 comes into contact with the air supplied to the air supply space 33, and the other surface of the sample 40 is fuel gas. The fuel gas supplied to the supply space 37 can be contacted.

<測定方法>
次に、測定方法について説明する。
サンプル40を上記測定装置100にセットし、空気供給空間33に、空気(酸素分圧約200hPa(約0.2atm))を所定流量で供給した。また、燃料ガス供給空間37には、メタン(CH)ガスを所定流量で供給した。この状態で測定装置100(サンプル40)の温度を900℃にして10時間維持した後、燃料ガス供給空間37から排出されるガスの組成をガスクロマトグラフにより測定し、空気供給空間33に空気の構成成分として供給された酸素(O)ガスが含まれるか否か(すなわち、Oガスがリークしているか否か)を測定した。
上記のようにして、サンプル(1)〜(10)のそれぞれについて測定した。その結果を表1に示す。なお、表1における「リーク発生」とは、上記測定装置100を昇温する前に空気および燃料ガスを供給した際に測定されるOガスの含有量に対して、上記測定装置100を1000℃に維持した際に測定されたOガスの含有量が3%以上増加していた場合をいう。
<Measurement method>
Next, a measurement method will be described.
The sample 40 was set in the measurement apparatus 100, and air (oxygen partial pressure of about 200 hPa (about 0.2 atm)) was supplied to the air supply space 33 at a predetermined flow rate. In addition, methane (CH 4 ) gas was supplied to the fuel gas supply space 37 at a predetermined flow rate. In this state, the temperature of the measuring apparatus 100 (sample 40) is maintained at 900 ° C. for 10 hours, and then the composition of the gas discharged from the fuel gas supply space 37 is measured by a gas chromatograph. It was measured whether or not oxygen (O 2 ) gas supplied as a component was contained (that is, whether or not O 2 gas was leaking).
Measurement was performed for each of the samples (1) to (10) as described above. The results are shown in Table 1. Note that “leak generation” in Table 1 means that the measurement apparatus 100 is 1000 times the O 2 gas content measured when air and fuel gas are supplied before the measurement apparatus 100 is heated. This refers to the case where the O 2 gas content measured when maintained at ° C. has increased by 3% or more.

この結果、表1に示されるように、サンプル(1),(4),(6),(9)および(10)に係る試供体においてリーク発生が認められた。   As a result, as shown in Table 1, the occurrence of leakage was observed in the samples according to samples (1), (4), (6), (9) and (10).

<例6:室温冷却時の耐久性評価>
次に、上記サンプル(1)〜(10)に係る供試体(サンプル40)について、上記測定装置100において900℃の温度から1時間当たり100℃の降温速度で冷却した際に、サンプル40におけるガスリークの有無を確認する試験を行い、冷却時の耐久性を評価した。また、このときにサンプル40の溶出の有無およびクラック発生の有無についても目視にて観察した。その結果を表1に示す。なお、表1における「リーク発生」については、上記と同様の定義である。
この結果、サンプル(2),(3)および(5)の試供体については、クラックの発生はなく、溶出も認められなかった。また、ガスリークも発生しなかった。一方、サンプル(1),(4)および(6)の試供体については、クラックが発生しており、リークが生じた。サンプル(7)〜(9)の試供体については、サンプルの溶出も認められた。サンプル(10)については、該サンプル(10)に係るペースト状接合材によって接合された試供体と上記外管32,36との接合部が気密に接合(封止)することができず、かかる接合部からガスがリークした。
<Example 6: Evaluation of durability at room temperature cooling>
Next, when the specimens (samples 40) according to the samples (1) to (10) were cooled at a temperature decrease rate of 100 ° C. per hour from a temperature of 900 ° C. in the measuring apparatus 100, gas leaks in the sample 40 A test for confirming the presence or absence of water was conducted to evaluate the durability during cooling. At this time, the presence or absence of elution of the sample 40 and the presence or absence of cracks were also visually observed. The results are shown in Table 1. Note that “leak generation” in Table 1 has the same definition as above.
As a result, the samples (2), (3) and (5) had no cracks and no elution. Moreover, no gas leak occurred. On the other hand, the samples (1), (4), and (6) had cracks and leaks. Sample elution of the samples (7) to (9) was also observed. For the sample (10), the joint between the specimen and the outer tubes 32 and 36 joined by the paste-like joining material according to the sample (10) cannot be joined (sealed) in an airtight manner. Gas leaked from the joint.

Figure 0005313717
Figure 0005313717

上述のように、本実施例に係る接合材を使用することにより、還元膨張率が低く(すなわち耐還元膨張性が高く)、また温度変化にも強く(耐熱性が高く)、さらに導電性をも有する接合部を形成することができる。したがって、かかる接合材によると、上記のような好ましい接合部を備えた酸素イオン伝導モジュールを提供することができる。   As described above, by using the bonding material according to the present embodiment, the reduction expansion coefficient is low (that is, the reduction expansion resistance is high), the resistance to temperature change is high (heat resistance is high), and the conductivity is improved. Can also be formed. Therefore, according to such a bonding material, it is possible to provide an oxygen ion conduction module provided with a preferable bonding portion as described above.

2 酸素供給ガス流路
4 燃料ガス流路
10 SOFC
12 固体電解質
14 空気極
16 燃料極
18A,18B インターコネクタ
20 接合部(接合材)
30 ケーシング
32 空気極側外管
33 空気供給空間
34 空気供給内管
36 燃料極側外管
37 燃料ガス供給空間
38 燃料ガス供給内管
40 サンプル
50 ヒータ
100 測定装置
2 Oxygen supply gas flow path 4 Fuel gas flow path 10 SOFC
12 Solid Electrolyte 14 Air Electrode 16 Fuel Electrode 18A, 18B Interconnector 20 Joint (Joint)
30 casing 32 air electrode side outer tube 33 air supply space 34 air supply inner tube 36 fuel electrode side outer tube 37 fuel gas supply space 38 fuel gas supply inner tube 40 sample 50 heater 100 measuring device

Claims (7)

酸素イオン伝導性を有するセラミック材を備える酸素イオン伝導モジュールであって、
前記酸素イオン伝導性セラミック材は、少なくとも一つのセラミック製接続部材に接合しており、
前記酸素イオン伝導性セラミック材と前記接続部材との接合部は、以下の二つの成分:(a).クリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶がガラスマトリックス中に、前記ガラスマトリックス全体のうちの3質量%より多く且つ50質量%未満の割合で析出していることを特徴とするガラス;および
(b).下記の一般式(2)で表される少なくとも一種のペロブスカイト型酸化物;
La 1−x Fe 1−y 3−δ (2)
(ただし、Aは、Sr、BaおよびCaからなる群から選択される1種または2種以上の
元素であり、Mは、Zrおよび/またはTiであり、0≦x≦1であり、0.2≦y<1であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)
が混在して形成されている、酸素イオン伝導モジュール。
An oxygen ion conduction module comprising a ceramic material having oxygen ion conductivity,
The oxygen ion conductive ceramic material is bonded to at least one ceramic connecting member,
The joint between the oxygen ion conductive ceramic material and the connecting member has the following two components: (a). A glass characterized in that cristobalite crystals and / or leucite crystals are precipitated in the glass matrix in a proportion of more than 3% by weight and less than 50% by weight of the whole glass matrix ; and (b). At least one perovskite oxide represented by the following general formula (2) :
La 1-x A x M y Fe 1-y O 3-δ (2)
(However, A is one or more selected from the group consisting of Sr, Ba and Ca.
M is Zr and / or Ti, 0 ≦ x ≦ 1, 0.2 ≦ y <1, and δ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition. )
Oxygen ion conduction module that is formed in a mixture.
前記接合部に混在するガラスは、
酸化物換算の質量比で以下の組成:
SiO 60〜75質量%;
Al 10〜20質量%;
NaO 3〜10質量%;
O 5〜15質量%;
MgO 0〜 3質量%;
CaO 0〜 3質量%;
から実質的に構成されている、請求項1に記載の酸素イオン伝導モジュール。
The glass mixed in the joint is
The following composition in mass ratio in terms of oxide:
SiO 2 60 to 75 wt%;
Al 2 O 3 10-20% by mass;
Na 2 O 3-10% by mass;
K 2 O 5-15% by mass;
MgO 0 to 3% by mass;
CaO 0 to 3% by mass;
The oxygen ion conduction module according to claim 1, substantially consisting of:
前記接合部の還元膨張率が0.1%以下である、請求項1または2に記載の酸素
イオン伝導モジュール。
The oxygen ion conduction module according to claim 1 or 2 , wherein a reduction expansion coefficient of the joint is 0.1% or less.
前記接合部の熱膨張係数が9×10−6/K〜14×10−6/Kである、請求項1〜のいずれか1項に記載の酸素イオン伝導モジュール。 Thermal expansion coefficient of the joining portion is 9 × 10 -6 / K~14 × 10 -6 / K, the oxygen ion-conducting device according to any one of claims 1-3. 酸素イオン伝導モジュールを構成する酸素イオン伝導性セラミック材と少なくとも一つのセラミック製接続部材とを接合するための接合材であって、以下の二つの成分:
(a).酸化物換算の質量比で以下の組成:
SiO 60〜75質量%;
Al 10〜20質量%;
NaO 3〜10質量%;
O 5〜15質量%;
MgO 0〜 3質量%;
CaO 0〜 3質量%;
から実質的に構成されたガラスであって該ガラスのマトリックス中にクリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶が、前記ガラスマトリックス全体のうちの3質量%より多く且つ50質量%未満の割合で析出しているガラス;および
(b).下記の一般式(2)で表される少なくとも一種のペロブスカイト型酸化物;
La 1−x Fe 1−y 3−δ (2)
(ただし、Aは、Sr、BaおよびCaからなる群から選択される1種または2種以上の元素であり、Mは、Zrおよび/またはTiであり、0≦x≦1であり、0.2≦y<1であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)
が混在して形成されている、接合材。
A bonding material for bonding an oxygen ion conductive ceramic material constituting an oxygen ion conductive module and at least one ceramic connecting member, the following two components:
(A). The following composition in mass ratio in terms of oxide:
SiO 2 60 to 75 wt%;
Al 2 O 3 10-20% by mass;
Na 2 O 3-10% by mass;
K 2 O 5-15% by mass;
MgO 0 to 3% by mass;
CaO 0 to 3% by mass;
Glass cristobalite crystals and / or leucite crystals precipitated in the glass matrix in a proportion of more than 3% by weight and less than 50% by weight of the whole glass matrix. Glass; and (b). At least one perovskite oxide represented by the following general formula (2) :
La 1-x A x M y Fe 1-y O 3-δ (2)
(However, A is one or more elements selected from the group consisting of Sr, Ba and Ca, M is Zr and / or Ti, 0 ≦ x ≦ 1, (2 ≦ y <1, and δ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition.)
A joint material that is formed in a mixture.
酸素イオン伝導モジュールを構成する酸素イオン伝導性セラミック材と少なくとも一つのセラミック製接続部材とを接合する方法であって、
請求項に記載の接合材を用意し、該接合材を前記酸素イオン伝導性セラミック材と前記接続部材との接続部分に塗布すること、
前記塗布された接合材を、1000℃以上の温度域で焼成することによって、前記酸素イオン伝導性セラミック材と前記接続部材との前記接続部分において該接合材から成るガス流通を遮断する接合部を形成すること、
を包含する、方法。
A method of joining an oxygen ion conductive ceramic material constituting an oxygen ion conductive module and at least one ceramic connecting member,
Preparing the bonding material according to claim 5 , and applying the bonding material to a connection portion between the oxygen ion conductive ceramic material and the connection member;
By firing the applied bonding material in a temperature range of 1000 ° C. or higher, a bonding portion that blocks gas flow composed of the bonding material at the connection portion between the oxygen ion conductive ceramic material and the connection member is provided. Forming,
Including the method.
請求項1〜のいずれか1項に記載の酸素イオン伝導モジュールであって、
前記酸素イオン伝導性セラミック材は、ジルコニア系固体電解質であり、
前記セラミック製接続部材は、ペロブスカイト型酸化物から成るインターコネクタであり、
前記酸素イオン伝導性セラミック材と前記接続部材とを接合する接合材は、前記インターコネクタとして作用することを特徴とする、固体酸化物形燃料電池として機能する酸素イオン伝導モジュール。
An oxygen ion-conducting device according to any one of claims 1-4,
The oxygen ion conductive ceramic material is a zirconia solid electrolyte,
The ceramic connecting member is an interconnector made of a perovskite oxide,
The oxygen ion conductive module functioning as a solid oxide fuel cell, wherein a bonding material for bonding the oxygen ion conductive ceramic material and the connecting member acts as the interconnector.
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