JP5481340B2 - Joining material for solid oxide fuel cell system and use thereof - Google Patents
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Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池を主体とする発電システム(即ち固体酸化物形燃料電池システム)用途の接合材、該接合材の製造方法、該接合材を用いてなる接合部を有する固体酸化物形燃料電池システム、および、該接合材を用いた接合方法に関する。 The present invention relates to a bonding material for use in a power generation system (that is, a solid oxide fuel cell system) mainly composed of a solid oxide fuel cell, a method for producing the bonding material, and a solid having a bonding portion using the bonding material. The present invention relates to an oxide fuel cell system and a bonding method using the bonding material.
固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)は、種々のタイプの燃料電池の中でも、発電効率が高い点や環境への負荷が低い点、そして、多用な燃料の使用が可能である点から、次世代の発電装置として期待されており、その開発が進められている。 A solid oxide fuel cell (SOFC) is a type of fuel cell that has a high power generation efficiency, a low environmental load, and can use various fuels. From this point, it is expected as a next-generation power generation device, and its development is in progress.
SOFCの基本構造(セル)は、酸素イオン伝導体からなる緻密な固体電解質(例えば緻密膜層)の一方の面に空気極(カソード)が形成され、他方の面に燃料極(アノード)が形成されることによって構成されている。上記空気極および燃料極は、ともにガス拡散性のよい多孔質構造で構成されている。固体電解質の燃料極側には燃料ガス(典型的にはH2(水素)ガスやメタン等の燃料ガス)が供給され、空気極側にはO2(酸素)含有ガス(典型的には空気)が供給される。 The basic structure (cell) of SOFC is that an air electrode (cathode) is formed on one surface of a dense solid electrolyte (eg, a dense membrane layer) made of an oxygen ion conductor, and a fuel electrode (anode) is formed on the other surface. It is configured by being. Both the air electrode and the fuel electrode have a porous structure with good gas diffusibility. Fuel gas (typically H 2 (hydrogen) gas or fuel gas such as methane) is supplied to the fuel electrode side of the solid electrolyte, and O 2 (oxygen) -containing gas (typically air) is supplied to the air electrode side. ) Is supplied.
近年、SOFCの実用化が進むにつれて、SOFC(燃料電池セル)を複数備えて成る燃料電池システム(発電システム)におけるガスリーク(ガス漏れ)を少なくする要求が増してきている。当該ガスリークは、上記セルを複数接続して作製される発電システム(典型的にはスタック構造を備える)を設けた際のセル同士の接合部や、上記セルと他の接続部材(例えば、燃料ガスやO2含有ガスを供給するガス配管)との接合部などにおいて特に生じやすい。当該ガスリークは、燃料ガスの利用効率低下や局部的な熱分布ムラの原因となるため、SOFCの耐久性、信頼性を向上させるためには解決すべき問題である。したがって、上記接合部を形成する接合材には優れた気密性が求められる。 In recent years, as SOFC has been put into practical use, there is an increasing demand for reducing gas leakage (gas leakage) in a fuel cell system (power generation system) including a plurality of SOFCs (fuel cell). The gas leak may be caused by a connection between cells when a power generation system (typically provided with a stack structure) prepared by connecting a plurality of the cells, or other connection member (for example, fuel gas) is provided. And gas pipes for supplying O 2 -containing gas). The gas leak is a problem to be solved in order to improve the durability and reliability of the SOFC, because it causes a reduction in fuel gas utilization efficiency and local heat distribution unevenness. Therefore, excellent airtightness is required for the bonding material forming the bonding portion.
ここで、上記接合部(接合材)の一例が特許文献1に記載されている。当該文献における接合部は、ガラスマトリックス中にリューサイト結晶が析出している接合材により形成されている。このため、当該文献に記載の接合部は、800℃以上(例えば800〜1000℃)の温度域で流動し難く、接合部位を構成しているガラスが流出する虞がない。このように、ガラスを含んだ接合部の機械的強度の向上を実現するためには、ガラスマトリックス中に結晶構造を析出させることが有効である。
また、SOFCの接合部に関する他の例として、特許文献2〜5に記載のものが挙げられる。
Here, an example of the joining portion (joining material) is described in
Moreover, the thing of patent documents 2-5 is mentioned as another example regarding the junction part of SOFC.
ところで、上記SOFCは、急速起動や局所的なガスリーク、若しくは、これらの事態を想定した過昇温条件評価試験などにおいて、内部温度が1100℃以上に上昇することがある。このような高温環境に晒されると、接合部を構成するガラスの軟化あるいはガラスマトリックス中への結晶の溶解などが生じ得る。軟化したガラス中では、結晶が流動し、結晶同士が凝集したり、沈降したりするため、接合材の熱膨張係数に部分的なムラが生じ得る。また、結晶がガラスマトリックス中へ溶解すると、接合材の熱膨張係数が低下するため好ましくない。SOFC用の接合材は対象とする被接合部材の熱膨張係数を考慮して作製されるため、熱膨張係数の低下やムラが生じるとクラックが発生しやすくなり、ガスリーク発生の虞があるため好ましくない。 By the way, in the SOFC, the internal temperature may rise to 1100 ° C. or more in a rapid start-up, local gas leak, or an excessive temperature rise condition evaluation test assuming these situations. When exposed to such a high temperature environment, the glass constituting the joint may be softened or crystals may be dissolved in the glass matrix. In the softened glass, crystals flow, and the crystals aggregate or settle, so that partial unevenness can occur in the thermal expansion coefficient of the bonding material. In addition, when the crystal is dissolved in the glass matrix, the thermal expansion coefficient of the bonding material is lowered, which is not preferable. Since the joining material for SOFC is manufactured in consideration of the thermal expansion coefficient of the target member to be joined, cracks are likely to occur when the thermal expansion coefficient is reduced or uneven, and gas leakage may occur. Absent.
本発明は、上述の問題点を鑑みてなされたものであり、高温環境に晒された後でも熱膨張係数の低下やムラが生じにくく、ガスリークを未然に防止できるSOFCの接合部を構成できる接合材の提供を一つの目的とする。また、他の一つの目的は、そのような接合材を利用して接合部が形成されたSOFC(セル)或いはSOFCを備えてなる燃料電池システムを提供することである。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and is a joint that can constitute a SOFC joint that is less likely to cause a decrease in thermal expansion coefficient and unevenness even after being exposed to a high-temperature environment and that can prevent gas leakage. The purpose is to provide materials. Another object is to provide a fuel cell system including a SOFC (cell) or a SOFC in which a joining portion is formed using such a joining material.
上記目的を実現するべく、本発明によって提供される固体酸化物形燃料電池システム用の接合材について説明する。なお、以下の説明において、「熱膨張係数」とは、熱機械分析装置(TMA)を用いて測定することができる値であり、例えば室温(25℃)から500℃(或いは1000℃)の範囲で測定したときの平均値を用いることができる。また、「平均粒径」とは、測定対象の粒度分布におけるD50(メジアン径)をいう。かかるD50は、例えば従来公知のレーザー回折方式、光散乱方式等に基づく粒度分布測定装置によって容易に測定することができる。 In order to achieve the above object, a bonding material for a solid oxide fuel cell system provided by the present invention will be described. In the following description, “thermal expansion coefficient” is a value that can be measured using a thermomechanical analyzer (TMA), for example, in the range of room temperature (25 ° C.) to 500 ° C. (or 1000 ° C.). The average value when measured with can be used. The “average particle diameter” refers to D 50 (median diameter) in the particle size distribution to be measured. Such D 50 is, for example, can be easily measured by a conventionally known laser diffraction method, the particle size distribution measurement apparatus based on light scattering method or the like.
本明細書において固体酸化物形燃料電池システム(以下「SOFCシステム」と称する。)とは、SOFCを主体として発電を行う構造体(システム)をいい、最小単位である燃料電池セル(即ち、固体電解質と燃料極と空気極とを有する燃料電池の構成体)を複数備えるスタック(即ち、セルを相互に複数連結させた集合体)、該スタックを構成する際に上記セル間に介在させるインターコネクタ(セパレータ)、上記セルやスタックに燃料ガスや酸素含有ガスを供給するガス配管、等を備えた構造体を包含する用語である。したがって、ここでいうところのSOFCシステムを構成する部材の典型例として、SOFC構成物(即ち、固体電解質、燃料極、空気極)のほか、該SOFCに接続され得るガス配管やインターコネクタが挙げられる。 In the present specification, the solid oxide fuel cell system (hereinafter referred to as “SOFC system”) refers to a structure (system) that generates power mainly by SOFC, and is a fuel cell (ie, a solid unit) that is a minimum unit. A stack comprising a plurality of components of a fuel cell having an electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode) (ie, an assembly in which a plurality of cells are connected to each other), and an interconnector interposed between the cells when the stack is formed (Separator) is a term encompassing a structure including a gas pipe for supplying a fuel gas or an oxygen-containing gas to the cell or stack. Therefore, typical examples of the members constituting the SOFC system mentioned here include SOFC components (that is, solid electrolyte, fuel electrode, air electrode), gas pipes and interconnectors that can be connected to the SOFC. .
本発明によって提供される接合材は、SOFCシステムを構成する部材間を接合するためのものであり、ガラスを主体として構成されている。かかる接合材の一態様は、ガラスマトリックス中にクリストバライト結晶及び/又はリューサイト結晶が析出しており、接合材全体を100vol%として上記結晶の含有率が0.5〜5vol%であることを特徴とする。また、好ましくは、熱膨張係数が9×10―6〜12×10−6/Kであることを特徴とする。 The joining material provided by the present invention is for joining members constituting the SOFC system, and is composed mainly of glass. One aspect of such a bonding material is characterized in that cristobalite crystals and / or leucite crystals are precipitated in the glass matrix, and the content of the above crystals is 0.5 to 5 vol% with the entire bonding material being 100 vol%. And Preferably, the thermal expansion coefficient is 9 × 10 −6 to 12 × 10 −6 / K.
上記構成の接合材は、接合材全体に対する結晶の含有率が上記の通り0.5〜5vol%という比較的低含有率となるように調製されている。かかる結晶構造物を0.5vol%以上の割合で含むことによって該接合材から形成される接合部において高い気密性(シール性能)と機械的強度を実現し得るとともに、高温環境(例えば1100〜1200℃)に晒されてもガラスマトリックス中へ溶解する結晶の割合が小さく、結晶の溶解による熱膨張係数の低下が生じ難い。従って、本構成の接合材によると、高温環境下(例えば1100〜1200℃)においても安定した機械的強度(接合強度)を維持する接合部を形成することができる。
また、ここで開示される接合材は、熱膨張係数が9×10―6〜12×10−6/Kになるように調製されている。この範囲の熱膨張係数は、イットリア(Y2O3)で安定化したジルコニア(YSZ)等のジルコニア系固体電解質、LaCrO3、La0.8Ca0.2CrO3等のいわゆるランタンクロマイト系酸化物、SUS430等の金属からなるインターコネクタ、等のSOFCシステムの主要部品の熱膨張係数に近似する。従って、このような材料の接合に特に好ましい。
以上のように、本発明の接合材は、SOFCシステムに適する熱膨張係数を有しており、1000℃〜1200℃のような高温環境に晒されても当該熱膨張係数が変化しにくいという特性を有している。したがって、本発明の接合材でSOFCシステムの接合部を形成すると、当該SOFCシステムが高温環境に晒された後でもガスリークを好適に防止することができる。
The bonding material having the above-described configuration is prepared such that the crystal content relative to the entire bonding material is a relatively low content of 0.5 to 5 vol% as described above. By including such a crystal structure at a ratio of 0.5 vol% or more, high airtightness (sealing performance) and mechanical strength can be realized in a joint formed from the joining material, and a high-temperature environment (for example, 1100 to 1200). The ratio of crystals dissolved in the glass matrix is small even when exposed to (° C.), and the thermal expansion coefficient is hardly lowered by the dissolution of crystals. Therefore, according to the bonding material of this configuration, it is possible to form a bonded portion that maintains stable mechanical strength (bonding strength) even in a high-temperature environment (for example, 1100 to 1200 ° C.).
Moreover, the bonding material disclosed here is prepared so that the thermal expansion coefficient is 9 × 10 −6 to 12 × 10 −6 / K. The coefficient of thermal expansion in this range is a so-called lanthanum chromite oxidation such as zirconia solid electrolytes such as zirconia (YSZ) stabilized with yttria (Y 2 O 3 ), LaCrO 3 , La 0.8 Ca 0.2 CrO 3, etc. This approximates the coefficient of thermal expansion of the main components of the SOFC system, such as an interconnector made of metal such as SUS430. Therefore, it is particularly preferable for joining such materials.
As described above, the bonding material of the present invention has a thermal expansion coefficient suitable for the SOFC system, and the thermal expansion coefficient hardly changes even when exposed to a high temperature environment such as 1000 ° C. to 1200 ° C. have. Therefore, when the joining portion of the SOFC system is formed with the joining material of the present invention, gas leak can be suitably prevented even after the SOFC system is exposed to a high temperature environment.
また、ここで開示される好ましい一態様の接合材は、酸化物換算の質量比で以下の組成:
SiO2 55〜75mass%;
Al2O3 10〜20mass%;
Na2O 3〜15mass%;
K2O 4〜15mass%;
MgO、CaO、B2O3のうちの少なくとも一種 0〜5mass%;
から実質的に構成されている。
このような組成の接合材により形成される接合部は、熱膨張率(熱膨張係数)が接合対象である上記組成の固体電解質やインターコネクタ等とよく近似させることができる。従って、本構成の接合材を用いて接合させた接合部は、典型的には1000〜1200℃の範囲内であるような高温域におかれても当該接合部(例えば上記固体電解質とインターコネクタとのシール部)からのガスのリークを防止し、高い気密性を保持することができる。
Moreover, the bonding material according to a preferred embodiment disclosed herein has the following composition in mass ratio in terms of oxide:
SiO 2 55~75mass%;
Al 2 O 3 10~20mass%;
Na 2 O 3~15mass%;
K 2 O 4~15mass%;
At least one of MgO, CaO, B 2 O 3 0-5 mass%;
Is substantially composed of.
The joint formed by the joining material having such a composition can be closely approximated to a solid electrolyte, an interconnector, or the like having the above composition whose thermal expansion coefficient (coefficient of thermal expansion) is a joining target. Therefore, even if the joint part joined using the joining material of this structure is placed in a high temperature range that is typically in the range of 1000 to 1200 ° C., the joint part (for example, the solid electrolyte and the interconnector). The gas leakage from the sealing part) can be prevented, and high airtightness can be maintained.
また、ここで開示される好ましい一態様の接合材は、上記クリストバライト結晶及び/又はリューサイト結晶が析出された状態のガラスを加熱して、該結晶の一部をガラスマトリックス中に再溶解させる処理が行われることによって、上記結晶の含有率が調整されている。
このような再溶解処理は、上記結晶の含有率を0.5〜5vol%の範囲にするのに適する。
また、再溶解処理が行われたガラス中の結晶は、溶解によって粒径が小さくなっているため、再溶解処理が行われていないガラスに比べて内在する結晶に影響されることなく微細なガラス粉末を容易に形成(粉砕)することができる。かかる微細なガラス粉末を主体とした接合材は、例えば接合対象に対して細い線状に塗布することが容易であるため、微細な形態の接合部を高精度に形成することができる。
Further, the bonding material according to a preferred aspect disclosed herein is a treatment in which the glass in a state where the cristobalite crystal and / or the leucite crystal is deposited is heated and a part of the crystal is re-dissolved in the glass matrix. As a result, the content of the crystal is adjusted.
Such a re-dissolution treatment is suitable for bringing the content of the crystal into a range of 0.5 to 5 vol%.
The crystals in the glass that has undergone the remelting process have a smaller particle size due to melting, so that the fine glass is not affected by the crystals that are present compared to the glass that has not been remelted. Powder can be easily formed (pulverized). Such a bonding material mainly composed of fine glass powder can be easily applied in a thin line shape to a bonding target, for example, and therefore, a bonding portion having a fine shape can be formed with high accuracy.
また、本発明は、他の側面として上記接合材の製造方法を提供する。
即ち、ここで開示される接合材製造方法は、クリストバライト結晶及び/又はリューサイト結晶を含むガラス材を用意すること;当該ガラス材を加熱して、上記結晶の一部をガラスマトリックス中に再溶解させることによって、接合材全体を100vol%とした場合の該結晶の含有率を0.5〜5vol%に調整すること;を包含する。
かかる製造方法によると、結晶を含有するガラス材を加熱して上記結晶の一部をガラスマトリックス中に再溶解させる再溶解処理を行うことによってガラスマトリックス中の結晶の含有率を0.5〜5vol%に低下させることができる。これによって、クラックが生じ難い熱膨張係数を有しており、且つ、高温環境に晒された後でも当該熱膨張係数が変化しにくい接合部を形成し得るSOFCシステム用接合材を好適に製造することができる。
好ましい態様では、前記ガラス材として、酸化物換算の質量比で以下の組成:
SiO2 55〜75mass%;
Al2O3 10〜20mass%;
Na2O 3〜15mass%;
K2O 4〜15mass%;
MgO、CaO、B2O3のうちの少なくとも一種 0〜5mass%;
から実質的に構成されているガラス材を用意する。
このような組成のガラス材を使用することにより、熱膨張率(熱膨張係数)が接合対象である上記組成の固体電解質やインターコネクタ等とよく近似する接合材を好適に製造することができる。
Moreover, this invention provides the manufacturing method of the said joining material as another side surface.
That is, the bonding material manufacturing method disclosed herein prepares a glass material containing cristobalite crystals and / or leucite crystals; the glass material is heated, and a part of the crystals is redissolved in the glass matrix. By adjusting the content of the crystal to 0.5 to 5 vol% when the entire bonding material is set to 100 vol%.
According to this manufacturing method, the glass material containing crystals is heated to re-dissolve a part of the crystals in the glass matrix, whereby the crystal content in the glass matrix is reduced to 0.5 to 5 vol. %. As a result, it is possible to suitably manufacture a bonding material for an SOFC system that has a thermal expansion coefficient that is unlikely to cause cracks and that can form a joint that is difficult to change even after being exposed to a high-temperature environment. be able to.
In a preferred embodiment, the glass material has the following composition in terms of mass ratio in terms of oxide:
SiO 2 55~75mass%;
Al 2 O 3 10~20mass%;
Na 2 O 3~15mass%;
K 2 O 4~15mass%;
At least one of MgO, CaO, B 2 O 3 0-5 mass%;
A glass material substantially composed of is prepared.
By using a glass material having such a composition, a joining material whose thermal expansion coefficient (thermal expansion coefficient) closely approximates that of the solid electrolyte or interconnector having the above composition to be joined can be preferably produced.
また、本発明は、他の側面として上記接合材を用いて接合部が形成されたSOFCシステムを提供する。即ち、ここで開示されるSOFCシステムは、燃料極と空気極と固体電解質とを備えた燃料電池セルを単数または複数有して構成されており、該セル同士あるいは該セルと該セルに接続される接続部材との接合部が上述の接合材、即ちガラスを主体としており、前記ガラスマトリックス中に、クリストバライト結晶及び/又はリューサイト結晶が析出しており、接合材全体を100vol%として前記結晶の含有率が0.5〜5vol%であり、熱膨張係数が9×10―6〜12×10−6/Kであることを特徴とする接合材によって構成されている。なお、接続部材の典型例としては、上述のとおり、ガス配管や、インターコネクタが挙げられる。
かかる構成のSOFCシステムは、接合部が上記接合材で形成されているため、例えば1100℃〜1200℃といった高温域に晒されても当該接合部からのガスリークを防止することができる。このため、高い耐熱性(シール性能)を実現することができる。
特に好ましい態様では、前記接合部が、酸化物換算の質量比で以下の組成:
SiO2 55〜75mass%;
Al2O3 10〜20mass%;
Na2O 3〜15mass%;
K2O 4〜15mass%;
MgO、CaO、B2O3のうちの少なくとも一種 0〜5mass%;
から実質的に構成されている。
このような組成の接合部は、熱膨張率(熱膨張係数)が接合対象である上記組成の固体電解質やインターコネクタ等とよく近似するため、特に高い機械的強度(接合強度)を実現することができる。
Moreover, this invention provides the SOFC system by which the junction part was formed using the said joining material as another side surface. That is, the SOFC system disclosed here is configured to include one or a plurality of fuel cells each including a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte, and is connected to each other or between the cells and the cells. The joint part with the connecting member is mainly composed of the above-mentioned joining material, that is, glass, cristobalite crystals and / or leucite crystals are precipitated in the glass matrix, and the entire joining material is 100 vol%. The content rate is 0.5 to 5 vol%, and the thermal expansion coefficient is 9 × 10 −6 to 12 × 10 −6 / K. In addition, as above-mentioned as a typical example of a connection member, gas piping and an interconnector are mentioned.
In the SOFC system having such a configuration, since the joining portion is formed of the joining material, gas leakage from the joining portion can be prevented even when exposed to a high temperature range of 1100 ° C. to 1200 ° C., for example. For this reason, high heat resistance (seal performance) is realizable.
In a particularly preferred embodiment, the joint has the following composition in mass ratio in terms of oxide:
SiO 2 55~75mass%;
Al 2 O 3 10~20mass%;
Na 2 O 3~15mass%;
K 2 O 4~15mass%;
At least one of MgO, CaO, B 2 O 3 0-5 mass%;
Is substantially composed of.
Since the joint portion having such a composition closely approximates the solid electrolyte, interconnector, or the like having the thermal expansion coefficient (thermal expansion coefficient) to be joined, a particularly high mechanical strength (joining strength) must be realized. Can do.
また、本発明は、他の側面として、上述のSOFCシステムを構成する該セル同士あるいは該セルと該セルに接続される接続部材とを接合する方法を提供する。
即ち、かかる接合方法は、ここで開示されるいずれかの接合材をセル同士あるいはセルと接続部材との接合部分に塗布すること;該塗布された接合材を、該接合材が接合部分から流出しない温度域で焼成することによって、接合材からなる接合部を接合部分に形成すること;を包含する。
Moreover, this invention provides the method of joining this cell which comprises the above-mentioned SOFC system as another aspect, or this cell, and the connection member connected to this cell.
That is, in such a joining method, any one of the joining materials disclosed herein is applied to the joint portions between the cells or between the cells and the connection member; the joining material flows out from the joint portions. Forming a bonding portion made of a bonding material at the bonding portion by firing in a temperature range that does not.
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、接合材の構成、接合材の製造方法)以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、SOFCシステムを構成するセルやスタックの詳細な構築方法など)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. Note that matters other than the matters specifically mentioned in the present specification (for example, the structure of the bonding material and the manufacturing method of the bonding material) and the matters necessary for the implementation of the present invention (for example, the cells constituting the SOFC system, The detailed stack construction method and the like) can be grasped as a design matter of a person skilled in the art based on the prior art in the field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.
本発明に係るSOFCシステム用接合材(以下、単に「接合材」と称する。)は、SOFCシステムを構成する部材間を接合するためのものであり、ガラスを主体として構成されている。また、この接合材のガラスマトリックス中には、クリストバライト結晶及び/又はリューサイト結晶が析出している。そして、当該接合材の結晶含有率は、接合材全体を100vol%とした場合に、0.5〜5vol%の範囲内である。さらに、この接合材の熱膨張係数は、9×10―6〜12×10−6/Kの範囲内である。本発明の接合材は、これらの特徴を備えたものであり、その他の構成成分の内容や組成などについては、種々の基準に照らして決定することができる。 The bonding material for SOFC system according to the present invention (hereinafter simply referred to as “bonding material”) is for bonding members constituting the SOFC system, and is mainly composed of glass. Also, cristobalite crystals and / or leucite crystals are precipitated in the glass matrix of the bonding material. And the crystal content rate of the said joining material exists in the range of 0.5-5 vol% when the whole joining material is 100 vol%. Furthermore, the thermal expansion coefficient of this bonding material is in the range of 9 × 10 −6 to 12 × 10 −6 / K. The bonding material of the present invention has these characteristics, and the content and composition of other components can be determined in light of various standards.
ここで開示される接合材を構成するガラスは、SOFCシステムの使用温度で軟化するようなガラスを用いることが可能である。SOFCシステムの使用温度域は、例えば600℃〜1200℃、典型的には700℃〜1000℃程度である。これに対して、上記ガラスの軟化点は、例えば500℃〜1000℃、典型的には600℃〜900℃程度であるとよい。上記ガラスの軟化点は、軟化点を上昇させる成分の添加(または増加)によって調整することができる。 As the glass constituting the bonding material disclosed herein, it is possible to use a glass that softens at the operating temperature of the SOFC system. The operating temperature range of the SOFC system is, for example, about 600 ° C to 1200 ° C, typically about 700 ° C to 1000 ° C. On the other hand, the softening point of the glass is, for example, about 500 ° C to 1000 ° C, typically about 600 ° C to 900 ° C. The softening point of the glass can be adjusted by adding (or increasing) a component that increases the softening point.
ここで開示される接合材を構成するガラスは、例えば、構成成分としてSiO2、Al2O3、Na2O、K2Oおよび任意添加物(MgO、CaO、B2O3など)を含んでいるとよい。上記構成成分の割合は、酸化物換算の質量比で、SiO2:55〜75mass%、Al2O3:10〜20mass%、Na2O:3〜15mass%、K2O:4〜15mass%であるとよい。また、任意添加物は、MgO、CaO、B2O3の少なくとも一種が0〜5mass%含まれているとよい。 The glass constituting the bonding material disclosed herein includes, for example, SiO 2 , Al 2 O 3 , Na 2 O, K 2 O and optional additives (MgO, CaO, B 2 O 3, etc.) as constituent components. It is good to be out. Proportion of the constituents, the mass ratio of the oxide equivalent, SiO 2: 55~75mass%, Al 2 O 3: 10~20mass%, Na 2 O: 3~15mass%, K 2 O: 4~15mass% It is good to be. In addition, the optional additive may contain 0 to 5 mass% of at least one of MgO, CaO, and B 2 O 3 .
上述の構成成分のうちSiO2は、後に詳述する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、ガラスマトリックスの骨格を構成するガラスの主成分である。上記ガラス中においてSiO2含有率が高すぎると、ガラスの軟化点が高くなりすぎてしまい好ましくない。一方、SiO2含有率が低すぎると、結晶の析出量が少なくなりすぎるとともに、耐水性や耐化学性が低下するため好ましくない。このことから、ガラス中におけるSiO2含有率は、ガラス全体に対して、55〜75mass%(好ましくは58〜72mass%、典型的には62〜69mass%)の範囲内であるとよい。 Of the above-described constituent components, SiO 2 is a component constituting cristobalite crystal and leucite crystal, which will be described in detail later, and is the main component of glass constituting the skeleton of the glass matrix. If the SiO 2 content is too high in the glass, the softening point of the glass becomes too high, which is not preferable. On the other hand, if the SiO 2 content is too low, the amount of crystals deposited becomes too small, and the water resistance and chemical resistance decrease, which is not preferable. From this, the SiO 2 content in the glass is preferably in the range of 55 to 75 mass% (preferably 58 to 72 mass%, typically 62 to 69 mass%) with respect to the entire glass.
Al2O3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。Al2O3含有率が低すぎると付着安定性が低下するため、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、結晶析出量が少なくなるため好ましくない。一方、Al2O3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。このことから、ガラス中におけるAl2O3含有率は、ガラス全体に対して、10〜20mass%(好ましくは10〜15mass%、典型的には10〜13mass%)の範囲内であるとよい。 Al 2 O 3 is a component constituting the leucite crystal, and is a component involved in adhesion stability by controlling the fluidity of the glass. If the Al 2 O 3 content is too low, the adhesion stability is lowered, so that formation of a glass layer (glass matrix) having a uniform thickness may be impaired, and the amount of crystal precipitation is reduced, 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. From this, the Al 2 O 3 content in the glass is preferably in the range of 10 to 20 mass% (preferably 10 to 15 mass%, typically 10 to 13 mass%) with respect to the entire glass.
K2O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Na2O)とともにガラスの熱膨張係数(熱膨張率)を高める成分である。K2O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。また、K2OとNa2Oの含有率が低すぎると熱膨張係数が低くなりすぎる虞がある。一方、K2OとNa2Oの含有率が高すぎると熱膨張係数が過剰に高くなるため好ましくない。このことから、ガラス中におけるNa2O含有率は、ガラス全体に対して、3〜15mass%(好ましくは5〜13mass%、典型的には9〜12mass%)の範囲内であるとよい。また、ガラス中におけるK2Oの含有率は、ガラス全体に対して4〜15mass%(好ましくは4〜14mass%、典型的には6〜12mass%)であるとよい。さらに、K2OとNa2Oの合計は、ガラス全体に対して8〜25mass%(好ましくは10〜20mass%)であることが特に好ましい。
K 2 O is a component that constitutes the leucite crystal, and is a component that enhances the thermal expansion coefficient (thermal expansion coefficient) of glass together with other alkali metal oxides (typically Na 2 O). When the K 2 O content is too low, the amount of leucite crystal precipitation decreases. Further, there is a possibility that
また、ここで開示されるガラスには、任意でアルカリ土類金属酸化物であるMgO、CaOなどを添加することできる。当該任意添加物をガラス中へ添加することによって、熱膨張係数の調整を行うことができる。例えば、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あり、CaOはガラスマトリ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る。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、0(無添加)〜5mass%(好ましくは1.0〜4.5mass%、典型的には1.5〜4mass%)の範囲内であるとよい。 Moreover, MgO, CaO, etc. which are alkaline-earth metal oxides can be arbitrarily added to the glass disclosed here. The thermal expansion coefficient can be adjusted by adding the optional additive into the glass. For example, MgO is a component capable of adjusting the viscosity at the time of glass melting, and CaO is a component capable of improving the wear resistance by increasing the hardness of the glass matrix. By incorporating these components, the glass matrix is composed of a multi-component system, so that the chemical resistance can be improved. The content of these oxides in the entire glass composition is in the range of 0 (no addition) to 5 mass% (preferably 1.0 to 4.5 mass%, typically 1.5 to 4 mass%), respectively. There should be.
また、他の任意添加成分として、B2O3が挙げられる。B2O3はガラス中でAl2O3と同様の作用を示すと考えられ、ガラスマトリックスの多成分化に貢献し得る。また、接合材調製時の溶融性の向上に寄与する成分である。一方、この成分が多すぎると耐酸性の低下を招くため好ましくない。B2O3のガラス組成物全体における含有率は、0(無添加)〜5mass%(好ましくは1.0〜4.5mass%、典型的には1.5〜3mass%)の範囲内であるとよい。 Another optional additive component is B 2 O 3 . B 2 O 3 is considered to exhibit the same action as Al 2 O 3 in glass, and can contribute to the multi-componentization of the glass matrix. Moreover, it is a component which contributes to the improvement of the meltability at the time of bonding material preparation. On the other hand, too much of this component is not preferable because it causes a decrease in acid resistance. The content of B 2 O 3 in the entire glass composition is in the range of 0 (no addition) to 5 mass% (preferably 1.0 to 4.5 mass%, typically 1.5 to 3 mass%). Good.
また、ここで開示されるガラスには、上述した成分以外の、本発明の実施において本質的ではない成分(例えばZnO、Li2O、Bi2O3、SrO、SnO、SnO2、CuO、Cu2O、TiO2、ZrO2、La2O3等)が含まれていてもよい。 In addition, the glass disclosed herein includes components other than those described above that are not essential in the practice of the present invention (eg, ZnO, Li 2 O, Bi 2 O 3 , SrO, SnO, SnO 2 , CuO, Cu 2 O, TiO 2 , ZrO 2 , La 2 O 3, etc.) may be included.
ここで開示される接合材では、ガラスマトリックス中にはクリストバライト結晶(SiO2)及び/又はリューサイト結晶(KAlSi2O6或いは4SiO2・Al2O3・K2O)が析出している。なお、ここ開示されるガラスでは、ガラスマトリックス中にクリストバライト結晶及び/又はリューサイト結晶が析出していればよく、その他の結晶の有無は問わない。 In the bonding material described herein, cristobalite crystals in the glass matrix (SiO 2) and / or leucite crystal (KAlSi 2 O 6 or 4SiO 2 · Al 2 O 3 · K 2 O) is precipitated. In the glass disclosed here, cristobalite crystals and / or leucite crystals may be precipitated in the glass matrix, and the presence or absence of other crystals does not matter.
ここで、上記接合材は、上記結晶の含有率が0.5〜5vol%であることを特徴としている。本明細書における結晶の含有率とは、接合材全体に対するガラスマトリックス中に析出している結晶の割合のことを指すものであり、粉末XRD法を用いて測定することができる。上記接合材に対する結晶含有率は、好ましくは0.5〜4vol%程度であるとよく、さらに好ましくは0.5〜3vol%程度、典型的には1〜3vol%程度、例えば、2.5±0.4vol%程度であるとよい。このように、上述の範囲内の割合で結晶構造物を含むことによって、該接合材から形成される接合部において高い気密性(シール性能)と機械的強度を実現し得るとともに、高温環境(例えば1100〜1200℃)に晒されてもガラスマトリックス中へ溶解する結晶の割合が小さく、結晶の溶解による熱膨張係数の低下が生じ難い。 Here, the bonding material is characterized in that the crystal content is 0.5 to 5 vol%. The crystal content in the present specification refers to the ratio of crystals precipitated in the glass matrix with respect to the entire bonding material, and can be measured using a powder XRD method. The crystal content with respect to the bonding material is preferably about 0.5 to 4 vol%, more preferably about 0.5 to 3 vol%, typically about 1 to 3 vol%, for example, 2.5 ±. It is good that it is about 0.4 vol%. Thus, by including a crystal structure in a proportion within the above-described range, it is possible to achieve high airtightness (sealing performance) and mechanical strength in a joint formed from the joint material, and a high-temperature environment (for example, Even when exposed to 1100-1200 ° C., the proportion of crystals dissolved in the glass matrix is small, and the thermal expansion coefficient is hardly lowered due to dissolution of crystals.
また、ここで開示される接合材は、熱膨張係数が9×10―6〜12×10−6/Kである。当該熱膨張係数は、より好ましくは9×10―6〜11×10−6/Kの範囲内であるとよく、典型的には9×10―6〜10.5×10−6/Kの範囲内であるとよい。上記範囲の熱膨張係数は、YSZ等のジルコニア系固体電解質及びランタンクロマイト系酸化物、SUS430等の金属からなるインターコネクタなどのSOFCシステム用の部品の熱膨張係数と近似するので、上記接合材はSOFCシステムに好適に用いることができる。 Moreover, the bonding material disclosed here has a thermal expansion coefficient of 9 × 10 −6 to 12 × 10 −6 / K. The thermal expansion coefficient is more preferably in the range of 9 × 10 −6 to 11 × 10 −6 / K, and typically 9 × 10 −6 to 10.5 × 10 −6 / K. It should be within the range. The thermal expansion coefficient in the above range approximates the thermal expansion coefficient of components for SOFC systems such as interconnectors made of zirconia-based solid electrolytes such as YSZ, lanthanum chromite oxides, and metals such as SUS430. It can be suitably used for SOFC systems.
次に、上記接合材の製造方法について説明する。
ここで開示される接合材の製造方法は、(1)クリストバライト結晶及び/又はリューサイト結晶を含むガラス材を用意すること;(2)当該ガラス材を加熱して、該結晶の一部を前記ガラスマトリックス中に再溶解させることによって、接合材全体を100vol%とした場合の結晶の含有率を0.5〜5vol%に調整すること;を包含する。なお、この製造方法における他の工程については、従来のSOFCシステム用接合材の製造方法と同様の工程を適用することができる。
上記製造方法によって得られた接合材は、上述のように、SOFCシステムに用いた際にクラックが生じ難い熱膨張係数を有しており、高温環境に晒された後でも当該熱膨張係数が変化し難いという利点を有している。
Next, a method for manufacturing the bonding material will be described.
The manufacturing method of the bonding material disclosed herein includes (1) preparing a glass material containing cristobalite crystals and / or leucite crystals; (2) heating the glass material, Adjusting the crystal content to 0.5 to 5 vol% when the entire bonding material is 100 vol% by re-dissolving in the glass matrix. In addition, about the other process in this manufacturing method, the process similar to the manufacturing method of the conventional joining material for SOFC systems is applicable.
As described above, the bonding material obtained by the above manufacturing method has a thermal expansion coefficient that hardly causes cracks when used in an SOFC system, and the thermal expansion coefficient changes even after being exposed to a high temperature environment. It has the advantage of being difficult to do.
ここでは、まず、(1)クリストバライト結晶及び/又はリューサイト結晶を含むガラス材(以下では「結晶含有ガラス材」と称する。)を用意する。当該結晶含有ガラス材を用意するにあたっては、例えば、ガラス原料から結晶含有ガラス材を作成してもよいし、予め結晶が析出しているガラス材を購入してもよい。以下、ガラス原料から結晶含有ガラス材を作成する場合について説明する。 Here, first, (1) a glass material containing cristobalite crystals and / or leucite crystals (hereinafter referred to as “crystal-containing glass material”) is prepared. In preparing the crystal-containing glass material, for example, a crystal-containing glass material may be prepared from a glass raw material, or a glass material on which crystals are preliminarily deposited may be purchased. Hereinafter, the case where a crystal containing glass material is created from a glass raw material is demonstrated.
先ず、接合材を構成するガラス原料を用意する。ここでは、接合材を構成する各種酸化物成分を得るための化合物(例えば各構成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ガラス原料粉末として用意する。用意する各粉末の平均粒子径としては、凡そ1μm〜10μm程度が好ましい。このような各化合物および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、数時間〜数十時間混合する。このようにして得られた混和物(粉末)を、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。これによって、ガラス原料からガラスが得られる。 First, the glass raw material which comprises a joining material is prepared. Here, compounds for obtaining various oxide components constituting the bonding material (for example, industrial products, reagents, various mineral raw materials including oxides, carbonates, nitrates, complex oxides, etc., containing each component) If necessary, other additives are prepared as glass raw material powder. The average particle size of each powder to be prepared is preferably about 1 μm to 10 μm. Each of these compounds and additives are put into a mixer such as a dry or wet ball mill at a predetermined mixing ratio and mixed for several hours to several tens of hours. The admixture (powder) thus obtained is dried, placed in a refractory crucible, and heated and melted under suitable high temperature conditions (typically 1000 ° C. to 1500 ° C.). Thereby, glass is obtained from the glass raw material.
次に、得られたガラスを適当な大きさ(粒径)となるまで粉砕し、ガラス粉末を作成する。また、得られたガラス粉末には、分級処理を実施することが好ましい。ガラス粉末の粒径(平均粒子径)としては、また扱い易い粒径である限りにおいて特に制限されないが、例えば0.5μm〜50μmの範囲が適当であり、好ましくは1μm〜10μmである。 Next, the obtained glass is pulverized to an appropriate size (particle size) to produce glass powder. The obtained glass powder is preferably subjected to classification treatment. The particle size (average particle size) of the glass powder is not particularly limited as long as the particle size is easy to handle, but for example, a range of 0.5 μm to 50 μm is appropriate, and preferably 1 μm to 10 μm.
そして、上記ガラス粉末に対して結晶化処理を行う。この結晶化処理としては、例えば、上記混合粉末を室温から約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分程度保持するという処理が挙げられる。上記結晶化処理を実施することにより、クリストバライト結晶やリューサイト結晶などの結晶がガラスマトリックス中に析出し、結晶含有ガラス材が得られる。
なお、こうして得られた結晶含有ガラス材は、任意で所望する形態に成形してもよい。例えば、ボールミルで粉砕したり、適宜篩いがけ(分級)したりすることによって、所望する平均粒子径(例えば0.1μm〜10μm)を有した粉末状の結晶含有ガラス材を得ることができる。
And the crystallization process is performed with respect to the said glass powder. As this crystallization treatment, for example, the above mixed powder is heated from room temperature to about 100 ° C. at a rate of about 1 to 5 ° C./min and held at a temperature range of 800 ° C. to 1000 ° C. for about 30 minutes to 60 minutes. The process of doing is mentioned. By carrying out the crystallization treatment, crystals such as cristobalite crystals and leucite crystals are precipitated in the glass matrix, and a crystal-containing glass material is obtained.
The crystal-containing glass material thus obtained may be optionally shaped into a desired form. For example, a powdery crystal-containing glass material having a desired average particle diameter (for example, 0.1 μm to 10 μm) can be obtained by pulverizing with a ball mill or appropriately sieving (classifying).
ここで開示される製造方法では、次いで、(2)上記ガラス材(結晶含有ガラス材)を加熱して、結晶の一部をガラスマトリックス中に再溶解させる(再溶解処理を実施する)。当該再溶解処理としては、例えば、上記結晶含有ガラス材を900℃〜1500℃(好ましくは1000℃〜1300℃、典型的には1100℃程度)で加熱することによって実施するとよい。このときの加熱時間は、20分〜2時間(好ましくは30分〜1時間、典型的には45分程度)に設定するとよい。かかる再溶解処理を実施すると、上記結晶含有ガラス材に析出していた結晶がガラスマトリックス中へ再び溶解し、結晶含有率が0.5〜5vol%の範囲内に調整されたガラス材(以下、「再溶解処理済ガラス材」と称する。)が得られる。このとき、上記結晶含有ガラス材中に構成された結晶ネットワークが疑似アモルファス化するが、当該ガラスを構成している原子の間ではイオン結合性が残存しているため、結晶含有率が低下しても熱膨張係数が維持される。このため、再溶解結処理に供する結晶含有ガラス材の結晶含有率や、再融解処理における加熱温度、加熱時間を調整することによって、熱膨張係数を9×10―6〜12×10−6/Kに維持しながら、結晶含有率を0.5〜5vol%に調整できる。 Next, in the manufacturing method disclosed herein, (2) the glass material (crystal-containing glass material) is heated, and a part of the crystals is re-dissolved in the glass matrix (re-dissolution treatment is performed). As the said remelting process, it is good to implement by heating the said crystal | crystallization containing glass material at 900 to 1500 degreeC (preferably 1000 to 1300 degreeC, typically about 1100 degreeC), for example. The heating time at this time may be set to 20 minutes to 2 hours (preferably 30 minutes to 1 hour, typically about 45 minutes). When this re-dissolution treatment is carried out, the crystal precipitated in the crystal-containing glass material is dissolved again in the glass matrix, and the glass material (hereinafter, referred to as “crystal content” adjusted to a range of 0.5 to 5 vol%). (Referred to as “remelted glass material”). At this time, the crystal network formed in the crystal-containing glass material becomes pseudo-amorphous, but the ionic bondability remains between the atoms constituting the glass, so that the crystal content decreases. The thermal expansion coefficient is also maintained. For this reason, the coefficient of thermal expansion is adjusted to 9 × 10 −6 to 12 × 10 −6 / by adjusting the crystal content of the crystal-containing glass material to be subjected to the remelting treatment, the heating temperature and the heating time in the remelting treatment. While maintaining K, the crystal content can be adjusted to 0.5 to 5 vol%.
上述のようにして得られた再溶解処理済ガラス材は、種々の方法で調製することによって、SOFCシステム用の接合材に用いられる。例えば、上記再溶解処理済ガラス材を、再び粉砕、分級し、再溶解処理済ガラス材の粉末を作成する。この場合、平均粒子径で例えば0.1μm〜10μm程度の粉末が得られるように粉砕するとよい。そして、再溶解処理済ガラス材の粉末に対して、水を適量加えて上記と同様のボールミルを用いて混合した後に、所定時間の乾燥処理を実施すると、粉末状の接合材が得られる。 The remelted glass material obtained as described above is used as a bonding material for SOFC systems by being prepared by various methods. For example, the remelted glass material is pulverized and classified again to prepare a remelted glass material powder. In this case, it is good to grind | pulverize so that powder with an average particle diameter of about 0.1 micrometer-10 micrometers may be obtained. Then, an appropriate amount of water is added to the powder of the remelted glass material and mixed using a ball mill similar to the above, and then subjected to a drying process for a predetermined time, whereby a powdery bonding material is obtained.
このようにして得られた接合材は、従来の接合材と同様に使用することができる(典型的にはペースト状(スラリー状)に調製し、接合対象の接続部分(被接合部分)に塗布することができる)。例えば、ペースト状の接合材を調整するのであれば、上記再溶解処理済ガラスの粉末と適当なバインダーや溶媒を混合するとよい。なお、ペーストに用いられるバインダー、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、バインダー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。バインダーは、接合材ペースト全体の5〜20質量%の範囲で含まれることが好ましい。
The bonding material thus obtained can be used in the same manner as a conventional bonding material (typically prepared in a paste form (slurry) and applied to a connection portion (bonded portion) to be bonded. can do). For example, if a paste-like bonding material is to be adjusted, the above-mentioned remelted glass powder may be mixed with an appropriate binder or solvent. In addition, the binder, solvent, and other components (for example, dispersant) used in the paste are not particularly limited, and can be appropriately selected from conventionally known ones in paste production.
For example, a suitable example of the binder includes 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 joining material paste.
また、接合材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、接合材ペースト全体の1〜40質量%程度が好ましい。 Examples of the solvent that can be contained in the bonding material 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 joining material paste is preferable.
上記接合材は、SOFCシステムの接合部を形成するために用いることができる。かかるSOFCシステムは、例えば、燃料極と、空気極と、固体電解質とを備えた燃料電池セル(以下、単に「セル」と称する。)を単数または複数有して構成されている。上記接合材は、該セル同士あるいは、該セルと該セルに接続される接続部材(例えば、セルにガスを供給するためのガス管や、セル同士を接続したスタックにおいてセル間に介在させるインターコネクタなど)を接合させる接合部を形成するために用いられる。
以下、本発明の接合材の用途の一例として、上記接合材で上記セルと上記ガス管とを接合したSOFCシステムについて図1を参照しながら説明する。図1は、アノード支持形セルと該セルに接合されたガス管とを備えたSOFCシステムの断面図である。かかる図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付すが、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。
The bonding material can be used to form a bonded portion of the SOFC system. Such an SOFC system includes, for example, one or more fuel cells (hereinafter simply referred to as “cells”) each including a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte. The bonding material is a connection member connected between the cells or between the cells (for example, a gas pipe for supplying gas to the cells, or an interconnector interposed between the cells in a stack connecting the cells) Etc.) are used to form a joint.
Hereinafter, as an example of the use of the bonding material of the present invention, an SOFC system in which the cell and the gas pipe are bonded with the bonding material will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view of an SOFC system comprising an anode supported cell and a gas pipe joined to the cell. In the drawings, members / parts having the same action are denoted by the same reference numerals, but the dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) in the drawings do not reflect actual dimensional relationships.
ここで開示されるSOFCシステム100は、固体電解質14と燃料極12と空気極16とからなるセル50を有している。このセル50は、従来の燃料電池セルの製造方法に準じて作成されているものでよく、特別な処理を必要としない。すなわち、ここで開示されるセル50の構成部材である固体電解質14、燃料極12および空気極16は、従来用いられている種々の方法により形成することができる。
The
上記固体電解質14としては、ジルコニア系固体電解質を用いるとよい。典型的にはイットリア(Y2O3)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(Sc2O3)で安定化したジルコニア(SSZ)、等が挙げられる。この固体電解質14の両面には、燃料極12と空気極16が形成されている。
As the
上記燃料極12及び空気極16は、従来の燃料電池セルに用いられるものと同様でよく特に制限はない。例えば、燃料極12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16としてはランタンコバルトネート(LaCoO3)系やランタンマンガネート(LaMnO3)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12及び空気極16として使用することができる。
The
上記構成を備えるセル50は、例えば、以下のようにして構築することができる。
まず、支持基材(支持体)として燃料極12を作製する。ここでは、所定のサーメット材料(例えば平均粒径0.1μm〜10μm程度のYSZ粉末、平均粒径1μm〜10μm程度のNiO粉末、バインダー、分散剤、溶媒)からなるスラリー状の燃料極用成形材料を調製する。次いで、かかる成形材料を用いて、例えば押出成形等により燃料極12の成形体を作製する。ここで、燃料極12の成形体の形状としては、シート状(または平板状)、もしくは燃料ガスを燃料極内に流入させるための中空部(ガス流路)を備えた中空箱型状、または中空扁平状(フラットチューブラ−状)などが挙げられる。図1に示すセル50では、シート状の燃料極12を成形している。
The
First, the
次に、固体電解質14の材料を調製する。すなわち所定の材料(例えば平均粒径0.1μm〜10μm程度のYSZ粉末、バインダー、分散剤、溶媒)を混合してスラリー状(ペースト状)の固体電解質14用の成形材料を調製する。この固体電解質14用の成形材料を上記燃料極12の上に、膜厚100μm以下(典型的には1μm〜100μm、好ましくは10μm〜100μm、例えば10μm〜50μm)で印刷成形することにより未焼成の固体電解質膜14を形成する。この燃料極12に支持された固体電解質膜14を乾燥した後に、大気中において1200℃〜1400℃の焼成温度で焼成する。これにより燃料極12の上に緻密な固体電解質膜14が形成される。
Next, a material for the
次に、空気極16の材料を調製する。すなわち所定の材料(例えば平均粒径1μm〜10μm程度のLaSrO3粉末、バインダー、分散剤、溶媒)からなるスラリー状の空気極16用の成形材料を調製する。この空気極16用の成形材料を上記固体電解質14の表面に膜厚100μm以下(典型的には1μm〜100μm、好ましくは10μm〜100μm、例えば10μm〜50μm)で印刷成形することにより未焼成の空気極層(膜)16を形成する。これを乾燥後、大気中において1000℃〜1200℃の焼成温度で焼成する。このようにして、上記固体電解質膜14上に空気極16を形成する。
以上の工程を経て、燃料極12、固体電解質膜14、空気極16の順に積層された構造のアノード支持形のセル50が製造される。
Next, a material for the
Through the above steps, the anode-supported
次に、上記セル50に燃料ガスを供給するガス管20について説明する。当該ガス管は、セル(若しくは、該セルを連結させたスタック)にガスを供給するために用いられる従来のガス管と同様でよく、特に制限されない。例えば固体電解質と同質材料であるYSZ等のジルコニア系酸化物の緻密体からなるガス管は、固体電解質と接合させ易く、好適に用いることができる。ガス管の形状、サイズについては、連結されるセル(スタック)のサイズや接合部分の大きさに合わせて適宜設定される。
Next, the
上記ガス管20は、従来の製造方法と同様の方法で製造することができ、特に限定されない。例えば、所定の材料(例えば平均粒径0.1μm〜10μm程度のYSZ粉末、バインダー、分散剤、溶媒)からなるスラリー状のガス管用成形材料を調製する。次いで、かかる成形材料を用いて例えば押出成形等によって所定サイズの管状に成形する。得られた成形体を大気中で適当な温度域(例えば1300℃〜1600℃)で焼成し、管状のガス管20を作製することができる。また、ガス管20は、SUS430金属等のSOFCシステム用として市販されているものを用いてもよい。
The
ここで開示される接合材を用いると、上記セル50と上記ガス管20とを接合させて、SOFCシステム100を構築することができる。
図1に示すように、セル50における燃料極12の一方の連結面13とガス管20の端面21とを当接させた状態で、かかる当接面(接合面)を覆うようにして接合材1を付与する。さらにここでは、当接面を越えて固体電解質膜14との端部にまで及ぶように接合材1を付与する。このとき、接合材1は、ガス管20と固体電解質膜14との間を塞いでガス管20と固体電解質膜14との間で露出し得る燃料極12の多孔質な部分(典型的には端部)を覆うように付与されることが好ましい。これは、燃料極12の他方の連結面15とガス管20の端面23についても同様である。このように接合材1を付与することにより、固体電解質膜14とガス管20との接合部分で生じ得る隙間(すなわち露出し得る多孔質な燃料極12の一部分)が上記接合材1により完全に塞がれる。このような状態で、接合材1が接合部分から流出しない温度域(例えば、800℃〜900℃程度)で焼成することによって接合部1が形成され、ガス管20とセル50とを接合、連結させることができる。
このような接合により形成された接合部1は、接合対象(ここでは、燃料極12、ガス管20、固体電解質膜14)に近似した熱膨張係数を有しているので、SOFCシステム100の稼働により温度が変化しても高い気密性と強度を維持することができる。さらに、ここで開示される接合部1は、高温環境(例えば1200℃以上)に晒された後でも高い気密性と強度を維持できる接合材から形成されているので、SOFCシステム100が過昇温した後でも上記接合面からのガスリークを好適に防止することができる。
When the bonding material disclosed here is used, the
As shown in FIG. 1, in a state where one
Since the joint 1 formed by such joining has a thermal expansion coefficient approximate to that of the joining target (here, the
以上、本発明の接合材を用いて、セル50とガス管20との接合部分を接合したSOFCシステム100について説明した。しかし、SOFCシステムにおける上記接合材の用途はこれに限定されない。例えば、ここで開示される接合材は、セル同士を接合させたスタックを構築する際にも用いることができる。この場合、接合材は、例えば、スタックを構築する際に該セル間に配置され得るインターコネクタ(セパレータ)とセルとの接合部の形成に用いられる。
In the above, the
上記インターコネクタは、複数のセル間に配置され、当該セル同士を電気的に接続する部材である。上記インターコネクタとしては、酸素供給ガス(例えば空気)と燃料ガス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としては、一般式:La(1−x)Ma(x)Cr(1−y)Mb(y)O3で表される酸化物を使用することができる。式中のMa及びMbは同一か又は相互に異なる1種又は2種以上のアルカリ土類金属であり、x及びyはそれぞれ0≦x<1、0≦y<1である。好適例として、LaCrO3或いはMa又はMbがカルシウムである酸化物(ランタンカルシアクロマイト)、例えばLa0.8Ca0.2CrO3が挙げられる。なお、上記一般式において酸素原子数は3であるように表示されているが、実際には組成比において酸素原子の数は3以下(典型的には3未満)であり得る。
また、上記インターコネクタには、SUS430等の耐熱金属を用いることもできる。
The interconnector is a member that is disposed between a plurality of cells and electrically connects the cells. As the interconnector, a lanthanum chromite oxide that physically shuts off an oxygen supply gas (for example, air) and a fuel gas and has electronic conductivity is used.
As such a lanthanum chromite oxide, an oxide represented by the general formula: La (1-x) Ma (x) Cr (1-y) Mb (y) O 3 can be used. Ma and Mb in the formula are the same or different one or more alkaline earth metals, and x and y are 0 ≦ x <1 and 0 ≦ y <1, respectively. Preferable examples include LaCrO 3 or an oxide in which Ma or Mb is calcium (lanthanum calcia chromite), for example, La 0.8 Ca 0.2 CrO 3 . In the above general formula, the number of oxygen atoms is shown to be 3, but in actuality, the number of oxygen atoms in the composition ratio may be 3 or less (typically less than 3).
Further, a heat resistant metal such as SUS430 can be used for the interconnector.
上記インターコネクタとセルとの接合について図2を参照しながら説明する。
図2に示されるように、インターコネクタ18A,18Bは、セル50の固体電解質14に接合されており、当該接合部分には、上記接合材から形成された接合部1が形成されている。また、空気極16と空気極16側のインターコネクタ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12と燃料極12側のインターコネクタ18Bとの間には燃料ガス(水素供給ガス)流路4が形成される。これらガス流路2,4としては、図2に示されるような溝状のものに代えて、例えばインターコネクタと同じ材料から形成される配管(管状または筒状部材)であってもよく、供給される各ガスが上記配管内を流れる形態であってもよい。
このように、図2に示すようなSOFCシステム110では、固体電解質14とインターコネクタ18A,18Bとの間で生じ得る隙間が、上記接合材からなる接合部1によって塞がれている。このため、SOFCシステム110が高温環境に晒された後でも、接合部1において高い気密性と強度を維持でき、固体電解質14とインターコネクタ18A,18Bとの間で生じ得る隙間から生じ得るガスリークを好ましく防止することができる。
The junction between the interconnector and the cell will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 2, the interconnectors 18 </ b> A and 18 </ b> B are joined to the
As described above, in the
次に、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。以下の実施例では、それぞれに異なったプロセスで作成された接合材(サンプル1〜10)を作成し、各サンプルの性能を評価した。
EXAMPLES Next, examples relating to the present invention will be described, but the present invention is not intended to be limited to those shown in the following examples. In the following examples, bonding materials (
<サンプル1>
以下、サンプル1を作成するプロセスを説明する。平均粒径が約1μm〜10μmであるSiO2粉末、Al2O3粉末、Na2CO3粉末、K2CO3粉末、MgCO3粉末、CaCO3粉末およびB2O3粉末を、それぞれ以下の配合比、すなわち酸化物換算でSiO2が63.3質量%、Al2O3が11.4質量%、Na2Oが9.7質量%、K2Oが11.9質量%、MgOが0.1質量%、CaOが3.7質量%、B2O3が0.1質量%となるような配合比で混合し、ガラス原料粉末を得た。
次いで、このガラス原料粉末を1400℃〜1500℃の温度域で溶融してガラスを形成し、平均粒径が3μm程度になるまでガラスを粉砕してガラス粉末を作製した。そして、当該ガラス粉末を800℃〜1000℃の温度域で30分〜60分間加熱し、結晶化処理を実施することによって、当該ガラスマトリックス中に、クリストバライト結晶及び/又はリューサイト結晶を析出させ、結晶含有ガラス材を得た。
次に、結晶含有ガラス材を粉砕した粉末に対して再溶解処理(1100℃、30〜60分)を実施し、再溶解処理済ガラス材を得た。そして、再溶解処理済ガラス材を粉砕、分級して平均粒子径約2μmの粉末を得て、当該再溶解処理済ガラス材の粉末を、バインダー、分散剤、溶剤と混練し、ペースト状の接合材(サンプル1)を調製した。
<
Hereinafter, the process of creating
Next, the glass raw material powder was melted in a temperature range of 1400 ° C. to 1500 ° C. to form glass, and the glass was pulverized until the average particle size became about 3 μm to produce a glass powder. And the cristobalite crystal and / or the leucite crystal are precipitated in the glass matrix by heating the glass powder in a temperature range of 800 ° C. to 1000 ° C. for 30 minutes to 60 minutes and performing a crystallization treatment. A crystal-containing glass material was obtained.
Next, a remelting treatment (1100 ° C., 30 to 60 minutes) was performed on the powder obtained by pulverizing the crystal-containing glass material to obtain a remelted glass material. Then, the remelted glass material is pulverized and classified to obtain a powder having an average particle diameter of about 2 μm. The remelted glass material powder is kneaded with a binder, a dispersant, and a solvent, and bonded in a paste form. A material (Sample 1) was prepared.
<サンプル2>
ここでは、SiO2粉末、Al2O3粉末、Na2CO3粉末、K2CO3粉末、MgCO3粉末、CaCO3粉末およびB2O3粉末を、それぞれ以下の配合比、すなわち酸化物換算でSiO2が65.8質量%、Al2O3が11.9質量%、Na2Oが10.2質量%、K2Oが9.3質量%、MgOが0.5質量%、CaOが2.9質量%となるような配合比で混合し、ガラス原料粉末を得た。なお、ここではB2O3を添加しなかった。そして、上記構成成分の配合比を除いて、上記サンプル1と同様のプロセスでサンプル2を作成した。
<
Here, SiO 2 powder, Al 2 O 3 powder, Na 2 CO 3 powder, K 2 CO 3 powder, MgCO 3 powder, CaCO 3 powder and B 2 O 3 powder are respectively mixed in the following compounding ratio, that is, oxide conversion SiO 2 is 65.8 mass%, Al 2 O 3 is 11.9 mass%, Na 2 O is 10.2 mass%, K 2 O is 9.3 mass%, MgO is 0.5 mass%, CaO. Was mixed at a blending ratio so as to be 2.9% by mass to obtain a glass raw material powder. Here, B 2 O 3 was not added. And
<サンプル3>
ここでは、酸化物換算でSiO2が67.3質量%、Al2O3が12.3質量%、Na2Oが10.5質量%、K2Oが7.6質量%、CaOが2.4質量%、B2O3が0.1質量%となるような配合比で混合し、ガラス原料粉末を得た。なお、ここではMgOを添加しなかった。そして、上記構成成分の配合比を除いて、上記サンプル1と同様のプロセスでサンプル3を作成した。
<Sample 3>
Here, in terms of oxide, SiO 2 is 67.3 mass%, Al 2 O 3 is 12.3 mass%, Na 2 O is 10.5 mass%, K 2 O is 7.6 mass%, and CaO is 2 The mixture was mixed at a blending ratio of 4% by mass and 0.1% by mass of B 2 O 3 to obtain a glass raw material powder. Here, no MgO was added. And sample 3 was created in the same process as
<サンプル4>
ここでは、酸化物換算でSiO2が68.5質量%、Al2O3が12.5質量%、Na2Oが10.6質量%、K2Oが6.5質量%、MgOが0.5質量%、CaOが2.0質量%、B2O3が0.5質量%となるような配合比で混合し、ガラス原料粉末を得た。そして、上記構成成分の配合比を除いて、上記サンプル1と同様のプロセスでサンプル4を作成した。
<
Here, in terms of oxide, SiO 2 is 68.5% by mass, Al 2 O 3 is 12.5% by mass, Na 2 O is 10.6% by mass, K 2 O is 6.5% by mass, and MgO is 0%. 0.5% by mass, CaO was 2.0% by mass, and B 2 O 3 was mixed at a mixing ratio of 0.5% by mass to obtain a glass raw material powder. And
<サンプル5>
ここでは、酸化物換算でSiO2が58.5質量%、Al2O3が12.0質量%、Na2Oが11.5質量%、K2Oが13.5質量%、MgOが0.5質量%、CaOが4.5質量%、B2O3が0.5質量%となるような配合比で混合し、ガラス原料粉末を得た。そして、上記構成成分の配合比を除いて、上記サンプル1と同様のプロセスでサンプル5を作成した。
<Sample 5>
Here, in terms of oxide, SiO 2 is 58.5% by mass, Al 2 O 3 is 12.0% by mass, Na 2 O is 11.5% by mass, K 2 O is 13.5% by mass, and MgO is 0%. The glass raw material powder was obtained by mixing at a blending ratio of 0.5 mass%, CaO 4.5 mass%, and B 2 O 3 0.5 mass%. And sample 5 was created by the process similar to the said
<サンプル6>
ここでは、酸化物換算でSiO2が71.0質量%、Al2O3が12.5質量%、Na2Oが10.6質量%、K2Oが4.5質量%、MgOが1.0質量%、CaOが1.5質量%、B2O3が0.5質量%となるような配合比で混合し、ガラス原料粉末を得た。そして、上記構成成分の配合比を除いて、上記サンプル1と同様のプロセスでサンプル6を作成した。
<Sample 6>
Here, in terms of oxide, SiO 2 is 71.0% by mass, Al 2 O 3 is 12.5% by mass, Na 2 O is 10.6% by mass, K 2 O is 4.5% by mass, and MgO is 1%. 0.02 mass%, CaO was 1.5 mass%, and B 2 O 3 was mixed at a blending ratio of 0.5 mass% to obtain a glass raw material powder. And sample 6 was created by the process similar to the said
<サンプル7>
ここでは、再溶解処理を実施せずに接合材のサンプル7を作成した。具体的には、サンプル1と同じ配合比のガラス原料からなるガラス粉末を作成し、当該ガラス粉末に対して結晶化処理を実施し、結晶含有ガラス材を得た。そして、結晶含有ガラス材を再溶解せずに、バインダー、分散剤、溶剤と混練し、サンプル7を調製した。
<Sample 7>
Here, a sample 7 of the bonding material was prepared without performing the remelting treatment. Specifically, a glass powder made of a glass raw material having the same blending ratio as that of
<サンプル8>
ここでは、サンプル4と同じ配合比のガラス原料からなるガラス粉末を作成し、当該ガラス粉末に対して結晶化処理を実施し、結晶含有ガラス材を得た。そして、結晶含有ガラス材に再溶解処理を実施せずに、バインダー、分散剤、溶剤と混練し、サンプル8を調製した。
<Sample 8>
Here, the glass powder which consists of a glass raw material of the same compounding ratio as the
<サンプル9>
ここでは、サンプル1と同じ配合比のガラス原料からなるガラス粉末を作成し、当該ガラス粉末に対して結晶化処理および再溶解処理を実施せずに、バインダー、分散剤、溶剤と混練し、サンプル9を調製した。
<Sample 9>
Here, a glass powder made of a glass raw material having the same blending ratio as that of
<サンプル10>
ここでは、サンプル3と同じ配合比のガラス原料からなるガラス粉末を作成し、当該ガラス粉末に対して結晶化処理および再溶解処理を実施せずに、バインダー、分散剤、溶剤と混練し、サンプル10を調製した。
<Sample 10>
Here, a glass powder made of a glass raw material having the same blending ratio as sample 3 is prepared, and the glass powder is kneaded with a binder, a dispersant, and a solvent without performing crystallization treatment and remelting treatment. 10 was prepared.
<結晶含有率の測定>
上記10種類の接合材(サンプル1〜10)に対して、接合材を100vol%とした場合の結晶含有率を測定した。具体的には、RIGAKU社製のvltrax 18−TTR3−300を用いて、粉末XRD法で、各サンプルの結晶含有率を測定した。測定された各サンプルの結晶含有率を表1に示す。
<Measurement of crystal content>
With respect to the ten types of bonding materials (
表1に記載されているように、結晶化処理と再溶解処理の両方を実施したサンプル1〜6では、何れも結晶含有率が5.0mass%以下になった。また、結晶化処理のみを実施したサンプル7,8では、結晶含有率が10mass%以上になった。加えて、結晶化処理と再溶解処理の両方を実施しなかったサンプル9,10では、結晶構造が存在しなかった。
As described in Table 1, in
次に、上記各接合材(サンプル1〜10)を用いて、SOFCシステムの供試体200を構築し、当該供試体200の性能を評価した。
Next, the
<SOFCシステムの構築>
8mol%イットリア安定化ジルコニア(YSZ)粉末(平均粒径:約1μm)、酸化ニッケル(NiO)粉末、バインダー(ポリビニルブラチール:PVB)を溶媒(トルエン)に添加して混練し、スラリー状(若しくはペースト状、インク状)の燃料極成形体前駆物質を調製した。そして、当該燃料極成形体前駆物質をシート成形して、円板形状の燃料極成形体(直径20mm×厚み1mm程度)を成形した。
<Construction of SOFC system>
8 mol% yttria-stabilized zirconia (YSZ) powder (average particle size: about 1 μm), nickel oxide (NiO) powder, binder (polyvinyl brachil: PVB) were added to a solvent (toluene) and kneaded to form a slurry (or A fuel electrode molded body precursor in the form of paste or ink was prepared. And the said fuel electrode molded object precursor was sheet-formed, and the disk-shaped fuel electrode molded object (
一方、8mol%YSZ粉末(平均粒径:約1μm)、バインダー(PVB)、を溶媒(トルエン)に添加して混練し、スラリー状の混練物を調製した。次いで、当該混練物(固体電解質膜の前駆物質)を上記燃料極成形体上に印刷成形し、円板形状の固体電解質膜(直径16mm×厚み10μm〜30μm)を形成した。この燃料極成形体と固体電解質膜とからなる未焼成の積層体を乾燥、焼成(焼成温度:1200℃〜1400℃)して、燃料極(アノード)を形成した。
On the other hand, 8 mol% YSZ powder (average particle diameter: about 1 μm) and a binder (PVB) were added to a solvent (toluene) and kneaded to prepare a slurry-like kneaded product. Next, the kneaded material (precursor of the solid electrolyte membrane) was printed on the fuel electrode molded body to form a disk-shaped solid electrolyte membrane (
次に、La0.6Sr0.4CoO3粉末(平均粒径:約1μm)、バインダー(エチルセルロース)を溶媒(テルピネオール)に添加して混練した。そして、当該混練物(ペースト状の空気極の前駆物質)を上記固体電解質膜上に、直径10mm×厚み5μm〜30μmの円板状に印刷成形した後に、焼成(焼成温度:1000℃〜1200℃)して、空気極(カソード)を形成した。この結果、図2に示されるような、燃料極12と固体電解質膜14と空気極16とからなるアノード支持形燃料電池セル50を作製した。
Next, La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 powder (average particle size: about 1 μm) and a binder (ethyl cellulose) were added to a solvent (terpineol) and kneaded. The kneaded product (precursor of paste-like air electrode) is printed on the solid electrolyte membrane in a disk shape having a diameter of 10 mm × thickness of 5 μm to 30 μm, and then fired (firing temperature: 1000 ° C. to 1200 ° C.). ) To form an air electrode (cathode). As a result, an anode-supported
8mol%YSZ粉末(平均粒径:約1μm)に固体電解質膜の場合と同様のバインダー、溶媒を添加して混練し、スラリーまたはペースト状のガス管用成形材料を調製した。次いで、かかる成形材料を押出成形等によって管状に成形した。得られた成形体を大気中で焼成(焼成温度:1300℃〜1600℃)し、2本の管状のガス管22,24(図3参照)を作製した。
The same binder and solvent as in the case of the solid electrolyte membrane were added to 8 mol% YSZ powder (average particle size: about 1 μm) and kneaded to prepare a slurry or paste-like molding material for a gas pipe. Next, the molding material was molded into a tubular shape by extrusion molding or the like. The obtained molded body was fired in the air (firing temperature: 1300 ° C. to 1600 ° C.) to produce two
次に、上記接合材(サンプル1〜10)を用いて、アノード支持形SOFC用セル50とガス管22,24とを接合し、SOFCシステムの供試体200を構築した。具体的には、図3に示すように、上記アノード支持形SOFC用セル50の両側にガス管22,24を配置し、該ガス管22,24に挟まれたセル50における固体電解質膜14とガス管22,24との各間の隙間を塞ぐようにして接合材(各サンプル1〜10)1を塗布した。これを80℃で乾燥した後、大気中で850℃で1時間保持(焼成)した。これにより、ガス管22,24とセル50とを接合し接合部1を形成した。このようにして、SOFCシステムの供試体200を構築した。
Next, the anode-supported
<高温処理後の熱膨張係数評価>
次に、上記構築した計10種類のサンプル(サンプル1〜10)を用いてガス管22,24とセル50とが接合されたSOFCシステムの供試体200について、上記1100℃の温度下で10時間の燃料ガスおよび空気の供給を実施した(高温環境に晒した)後、上記サンプル1〜10のペースト状接合材を使用して得られた各接合部1の熱膨張係数を測定した。ここで、上記熱膨張係数は、室温(25℃)〜500℃における示差膨張方式(TMA)に基づいて測定されている。この結果を表1に示す。
表1に示されるように、結晶含有率が0.5vol%〜3vol%の範囲内であったサンプル1〜6では、高温環境に晒された後でも熱膨張係数が8×10−6/Kを上回った。特に、サンプル1〜4については、いずれも9×10−6/K〜12×10−6/Kの範囲内であった。これに対して、サンプル7〜10は、いずれも熱膨張係数が8×10−6/Kを下回った。
このように、同じ配合比のガラス粉末を用いた場合であっても、結晶含有率が0.5vol%〜3vol%の範囲内であったサンプルは、高温環境に晒された後でも高い熱膨張係数を示していた。このことから、再溶解処理などのプロセスを経て結晶含有率が0.5vol%〜3vol%になった接合材は、例えば1100℃のような高温環境に晒された後でも高い熱膨張係数を維持できることが確認された。
<Evaluation of thermal expansion coefficient after high temperature treatment>
Next, with respect to the
As shown in Table 1,
Thus, even when glass powder having the same blending ratio is used, the sample whose crystal content is in the range of 0.5 vol% to 3 vol% is high in thermal expansion even after being exposed to a high temperature environment. The coefficient was shown. For this reason, the bonding material having a crystal content of 0.5 vol% to 3 vol% through a process such as remelting treatment maintains a high thermal expansion coefficient even after being exposed to a high temperature environment such as 1100 ° C. It was confirmed that it was possible.
<ガスリーク試験>
次に、サンプル1〜4およびサンプル7,8を用いて構築したSOFCシステムの供試体200について、高温環境に晒された後に接合部1からガスリークが生じているかを確認するリーク試験を行った。具体的には、まず、上記高温環境に晒された試供体に対し、0.2Paの圧力、100mL/分の流量で空気供給用ガス管22側から空気を供給するとともに、0.2Paの圧力下100mL/分の流量で燃料ガス供給用ガス管24側から燃料ガスとしてのヘリウム(He)ガスを供給した。そして、ガスクロマトグラフィにより燃料極12側(すなわちガス管24側)から排出されるHeガスの組成を測定し、該Heガスに含まれるN2ガスの量から、接合部1から空気中のN2がリークしているか否かを評価した。なお、このガスリーク試験は、800℃の環境下で300分間、継続して行った。
<Gas leak test>
Next, for the
ガスリークの評価結果を表2に示す。なお、表2において、N2ガスのリーク率(Heガス中に含まれるN2ガスの体積含有率)が1%以下のものを「○」と表示し、接合部1が実用的な気密性を有しているものとした。また、リーク率が1%以上のものを「×」と表示し、接合部1からガスリークが生じていると認定した。
The evaluation results of gas leak are shown in Table 2. In Table 2, a case where the leak rate of N 2 gas (the volume content of N 2 gas contained in He gas) is 1% or less is indicated as “◯”, and the joint 1 is practically airtight. It was supposed to have. A leak rate of 1% or more was indicated as “x”, and it was determined that a gas leak occurred from the
表2に示されるように、上記サンプル1〜4では、接合部1からのガスリークが好ましく防止されていた。すなわち、再溶解処理を実施した接合材を用いてSOFCシステムの接合部を形成すると、高温環境に晒された後でも接合部からのガスリークの発生が好適に抑制されていることがわかった。
As shown in Table 2, in
本実施例によると、ガラスに対して再溶解処理を実施し、当該ガラスを用いて接合材を調整すると、接合材中の結晶含有率が非常に少なくなった(例えば、0.5〜5.0%)。そして、この接合材で形成した接合部は、少なくとも1200℃の高温条件に晒された後でも十分な気密性と機械的強度が確保でき、SOFCシステムのガスリークを好適に防止できることがわかった。このため、かかる接合材は、耐熱性に優れたSOFCシステムを提供することができる。 According to this example, when the glass was remelted and the bonding material was adjusted using the glass, the crystal content in the bonding material was very small (for example, 0.5 to 5. 0%). Further, it was found that the joint formed by this joining material can secure sufficient airtightness and mechanical strength even after being exposed to a high temperature condition of at least 1200 ° C., and can suitably prevent gas leakage of the SOFC system. For this reason, this joining material can provide the SOFC system excellent in heat resistance.
1 接合材(接合部)
2,4 ガス流路
12 燃料極
14 固体電解質(固体電解質膜)
16 空気極
18A,18B インターコネクタ
20 ガス管
50 固体酸化物燃料電池(SOFC)用セル
100 固体酸化物燃料電池(SOFC)システム
1 Bonding material (bonding part)
2,4
16
Claims (6)
ガラスマトリックス中に、クリストバライト結晶及び/又はリューサイト結晶が析出しており、
前記接合材全体を100vol%として前記結晶の含有率が0.5〜5vol%であり、
熱膨張係数が9×10−6〜12×10−6/Kであり、
酸化物換算の質量比で以下の組成:
SiO2 55〜75mass%;
Al2O3 10〜20mass%;
Na2O 3〜15mass%;
K2O 4〜15mass%;
MgO、CaO、B2O3のうちの少なくとも一種 0〜5mass%;
から実質的に構成されていることを特徴とする、接合材。 A joining material mainly composed of glass for joining members constituting a solid oxide fuel cell system,
In the glass matrix, cristobalite crystals and / or leucite crystals are precipitated,
The total content of the bonding material is 100 vol%, and the content of the crystal is 0.5 to 5 vol%,
The thermal expansion coefficient is 9 × 10 −6 to 12 × 10 −6 / K,
The following composition in mass ratio in terms of oxide:
SiO 2 55~75mass%;
Al 2 O 3 10~20mass%;
Na 2 O 3~15mass%;
K 2 O 4~15mass%;
At least one of MgO, CaO, B 2 O 3 0-5 mass%;
A bonding material characterized in that it is substantially composed of
クリストバライト結晶及び/又はリューサイト結晶が析出したガラス材を用意すること;
前記ガラス材を加熱して、前記結晶の一部をガラスマトリックス中に再溶解させることによって、該ガラス材全体を100vol%とした場合の前記結晶の含有率を0.5〜5vol%に調整すること;
を包含する、接合材の製造方法。 A method for producing a glass-based joining material used for joining members constituting a solid oxide fuel cell system,
Preparing a glass material on which cristobalite crystals and / or leucite crystals are deposited;
By heating the glass material and re-dissolving a part of the crystal in the glass matrix, the content of the crystal is adjusted to 0.5 to 5 vol% when the entire glass material is 100 vol%. about;
The manufacturing method of the joining material including this.
SiO2 55〜75mass%;
Al2O3 10〜20mass%;
Na2O 3〜15mass%;
K2O 4〜15mass%;
MgO、CaO、B2O3のうちの少なくとも一種 0〜5mass%;
から実質的に構成されているガラス材を用意することを特徴とする、請求項3に記載の製造方法。 As the glass material, the following composition in mass ratio in terms of oxide:
SiO 2 55~75mass%;
Al 2 O 3 10~20mass%;
Na 2 O 3~15mass%;
K 2 O 4~15mass%;
At least one of MgO, CaO, B 2 O 3 0-5 mass%;
The manufacturing method according to claim 3 , wherein a glass material substantially constituted from the above is prepared.
該セル同士あるいは該セルと該セルに接続される接続部材との接合部が、
ガラスを主体としており、
前記ガラスマトリックス中に、クリストバライト結晶及び/又はリューサイト結晶が析出しており、
接合材全体を100vol%として前記結晶の含有率が0.5〜5vol%であり、
熱膨張係数が9×10−6〜12×10−6/Kであり、
酸化物換算の質量比で以下の組成:
SiO2 55〜75mass%;
Al2O3 10〜20mass%;
Na2O 3〜15mass%;
K2O 4〜15mass%;
MgO、CaO、B2O3のうちの少なくとも一種 0〜5mass%;
から実質的に構成されている接合材によって構成されていることを特徴とする、固体酸化物形燃料電池システム。 A solid oxide fuel cell system having one or a plurality of fuel cells each including a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte,
A junction between the cells or the connection member connected to the cell and the cell,
It is mainly made of glass.
In the glass matrix, cristobalite crystals and / or leucite crystals are precipitated,
The total content of the bonding material is 100 vol%, and the content of the crystal is 0.5 to 5 vol%,
The thermal expansion coefficient is 9 × 10 −6 to 12 × 10 −6 / K,
The following composition in mass ratio in terms of oxide:
SiO 2 55~75mass%;
Al 2 O 3 10~20mass%;
Na 2 O 3~15mass%;
K 2 O 4~15mass%;
At least one of MgO, CaO, B 2 O 3 0-5 mass%;
A solid oxide fuel cell system, characterized in that the solid oxide fuel cell system is constituted by a bonding material substantially composed of
請求項1又は2に記載の接合材を該セル同士あるいは該セルと前記接続部材との接合部分に塗布すること;
該塗布された接合材を、該接合材が前記接合部分から流出しない温度域で焼成することによって、前記接合材からなる接合部を前記接合部分に形成すること;
を包含する接合方法。 The cells constituting a solid oxide fuel cell system having one or a plurality of fuel cells each having a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte are joined to each other or to the connection member connected to the cells. A way to
Applying the bonding material according to claim 1 or 2 to the bonding portions between the cells or between the cells and the connection member;
Firing the applied bonding material in a temperature range in which the bonding material does not flow out of the bonding portion, thereby forming a bonding portion made of the bonding material in the bonding portion;
Joining method.
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