JP5656044B2 - High expansion crystalline glass composition - Google Patents

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Description

本発明は、高膨張結晶性ガラス組成物に関し、より具体的にはSUSやFeといった金属や、フェライトやジルコニアといった高膨張なセラミックスを接着する目的で用いられる高膨張結晶性ガラス組成物に関するものである。   The present invention relates to a high expansion crystalline glass composition, and more specifically to a high expansion crystalline glass composition used for the purpose of bonding metals such as SUS and Fe, and high expansion ceramics such as ferrite and zirconia. is there.

近年、燃料電池(Fuel Cell)はエネルギー効率が高く、COの排出を大きく削減できる有力な技術として注目されてきている。燃料電池のタイプは電解質に何を使うかで異なるが、工業用途で用いられるものに、リン酸型(PAFC)、溶融炭酸塩型(MCFC)、固体酸化物型(SOFC)、固体高分子型(PEFC)の4種類がある。なかでも固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、電池の内部抵抗も小さいので燃料電池のなかでは最も発電効率が高い、触媒に貴金属を使用する必要がない、といった特徴を有しており、家庭用などの小規模用途から、発電所などの大規模用途まで幅広く適用可能なシステムであり、その将来性に期待が高まってきている。 In recent years, a fuel cell has been attracting attention as an effective technology that has high energy efficiency and can greatly reduce CO 2 emissions. The type of fuel cell differs depending on what is used for the electrolyte, but those used in industrial applications include phosphoric acid type (PAFC), molten carbonate type (MCFC), solid oxide type (SOFC), and solid polymer type. There are four types (PEFC). Among them, the solid oxide fuel cell (SOFC) has the characteristics that it has the highest power generation efficiency among the fuel cells because of its low internal resistance, and it is not necessary to use a precious metal for the catalyst. This system is applicable to a wide range of applications from small-scale applications such as power plants to large-scale applications such as power plants, and its future is highly expected.

一般的な平板型SOFCの構造を図1に示す。図1に示すように、一般的な平板型SOFCは、部分安定化ジルコニア(YSZ)等のセラミック材料からなる電解質1、Ni/YSZ等からなるアノード2、及び(La、Ca)CrO等からなるカソード3が積層一体化されたセルを有している。さらに燃料ガスの通り道(燃料チャネル4a)が形成され、アノードと接する第一の支持体基板4と、空気の通り道(空気チャネル5a)が形成され、カソードと接する第二の支持体基板5とがセルの上下に固着されている。なお第一の支持体基板4及び第二の支持体基板5は、ガスの通り道が互いに直交するようにセルに固着される。また支持体基板4、5はSUS等の金属で構成されている。 The structure of a general flat plate type SOFC is shown in FIG. As shown in FIG. 1, a general plate-type SOFC includes an electrolyte 1 made of a ceramic material such as partially stabilized zirconia (YSZ), an anode 2 made of Ni / YSZ, and (La, Ca) CrO 3. The cathode 3 has a cell in which the layers are integrated. Further, a fuel gas passage (fuel channel 4a) is formed, and a first support substrate 4 in contact with the anode, and an air passage (air channel 5a) is formed and a second support substrate 5 in contact with the cathode are formed. Fixed to the top and bottom of the cell. The first support substrate 4 and the second support substrate 5 are fixed to the cells so that the gas passages are orthogonal to each other. The support substrates 4 and 5 are made of metal such as SUS.

上記構造を有する平板型SOFCは、第一の支持体基板4の燃料チャネル4aに水素(H)や、都市ガス、天然ガス、バイオガス、液体燃料といった様々なガスを流し、同時に第二の支持体基板5の空気チャネル5aに空気、又は酸素(O)を流す。このときカソードでは
1/2O+2e → O2−
の反応が生じ、アノードでは
+O− → HO + 2e
の反応が起こる。この電気化学的によって、化学エネルギーが直接電気エネルギーに変換されて発電することができる。なお高出力を得るために、実際の平板型SOFCは、図1の構造を何層も積層している。
The flat plate-type SOFC having the above structure allows various gases such as hydrogen (H 2 ), city gas, natural gas, biogas, and liquid fuel to flow through the fuel channel 4a of the first support substrate 4 at the same time. Air or oxygen (O 2 ) is allowed to flow through the air channel 5 a of the support substrate 5. At this time, 1 / 2O 2 + 2e → O 2− at the cathode.
The reaction of H 2 + O 2 − → H 2 O + 2e occurs at the anode.
Reaction occurs. By this electrochemical, chemical energy can be directly converted into electric energy to generate electricity. In order to obtain a high output, an actual flat-plate SOFC has a number of layers of the structure shown in FIG.

特開平6−87630号公報JP-A-6-87630 特開平7−69676号公報JP 7-69676 A

上記構造体を作製するに当たっては、支持体基板同士の気密シールや、固体電解質と支持体基板の接着、もしくは固体電解質同士の気密シールが必要になる。SOFCの場合、アノード側とカソード側に流すガスが交じり合わないように各構成部材を気密シールする必要がある。   In producing the structure, an airtight seal between the support substrates, an adhesion between the solid electrolyte and the support substrate, or an airtight seal between the solid electrolytes is required. In the case of SOFC, it is necessary to hermetically seal each constituent member so that the gas flowing to the anode side and the cathode side does not mix.

その目的で、マイカやパームキュライト、アルミナといった無機質からなるシート形状のガスケットを挟み込んで気密シールする方法が提案されているが、挟み込みはおこなうものの接着していないことからシール性に懸念があるため、ガラス材料での接着が望まれている。   For that purpose, a method of hermetically sealing by sandwiching an inorganic sheet-shaped gasket such as mica, palm curite, alumina, etc. has been proposed, but there is concern about sealing performance because it is sandwiched but not bonded. Adhesion with a glass material is desired.

一方でガラス材料からなる接着材料の場合、金属やセラミックといった高膨張材料同士の接着となることから、これらに適合する熱膨張係数を有する必要がある。しかもSOFCは電気化学反応が生じる温度域(作動温度域)が650〜1000℃と高温であり、しかもこの温度で長期間に亘って運転される。よってガラス材料には、長期間高温に晒されても接着箇所が緩まないように高い耐熱性が求められる。また金属やセラミックといった高膨張材料同士の接着であるため、焼成時5℃/分以下といった緩やかな昇温レートでのガラスの流動性、封着性が求められる。   On the other hand, in the case of an adhesive material made of a glass material, high expansion materials such as metals and ceramics are bonded to each other. Moreover, the temperature range (operation temperature range) at which the electrochemical reaction occurs is as high as 650 to 1000 ° C., and the SOFC is operated at this temperature for a long period of time. Therefore, the glass material is required to have high heat resistance so that the bonded portion does not loosen even when exposed to a high temperature for a long time. Moreover, since it is adhesion | attachment of high expansion materials, such as a metal and a ceramic, the fluidity | liquidity and sealing property of glass with the moderate temperature increase rate of 5 degrees C / min or less at the time of baking are calculated | required.

高膨張のガラス材料として、特許文献1、2に示されるようなMgO−B−SiO系結晶性ガラス組成物が開示されている。これらの材料は、熱処理するとBaO・2MgO・2SiO結晶や2MgO・B結晶が析出し、110×10−7/℃以上の高い膨張を示す。 As high-expansion glass materials, MgO—B 2 O 3 —SiO 2 based crystalline glass compositions as disclosed in Patent Documents 1 and 2 are disclosed. When these materials are heat-treated, BaO.2MgO.2SiO 2 crystals and 2MgO.B 2 O 3 crystals are precipitated, and show a high expansion of 110 × 10 −7 / ° C. or more.

しかしながら特許文献1、2に開示された結晶性ガラス組成物は、基板の被覆を意図して設計されているため結晶性の制御が十分でなく、流動性が不十分である。また長期間高温にさらされると、結晶が融解して耐熱性が低下するといった不具合も予想され、必ずしも燃料電池用のシール材料に適した材料であるとは言えない。   However, since the crystalline glass compositions disclosed in Patent Documents 1 and 2 are designed to cover the substrate, the crystallinity is not sufficiently controlled and the fluidity is insufficient. In addition, when exposed to a high temperature for a long period of time, a problem such as a crystal melting and a decrease in heat resistance is expected, and it is not necessarily a material suitable for a sealing material for a fuel cell.

本発明の目的は、熱処理後に高い熱膨張係数、具体的には100〜130×10−7/℃程度の熱膨張係数を示し、熱処理過程で封着に適した流動性、及び長期間に亘って安定な耐熱性を兼ね備えた材料を提供することである。 The object of the present invention is to exhibit a high thermal expansion coefficient after heat treatment, specifically about 100 to 130 × 10 −7 / ° C., fluidity suitable for sealing in the heat treatment process, and a long period of time. And providing a material having stable heat resistance.

本発明者等は種々の検討を行った結果、Pを多量に含ませることによってガラスの流動性が改善されることを見いだした。またPの含有量を増やせば、リン酸系結晶が析出し易くなることを見いだした。このリン酸系結晶は、BaO・2MgO・2SiO結晶や2MgO・B結晶よりも析出温度及び融解点が高いという性質を有している。 As a result of various studies, the present inventors have found that the flowability of glass is improved by containing a large amount of P 2 O 5 . Further, it has been found that if the content of P 2 O 5 is increased, phosphoric acid crystals are easily precipitated. This phosphoric acid type crystal has the property that the precipitation temperature and the melting point are higher than those of BaO.2MgO.2SiO 2 crystal and 2MgO.B 2 O 3 crystal.

本発明の高膨張結晶性ガラス組成物は、モル%で、MgO 50〜70%、BaO 1〜15%、B 8〜25%、SiO8〜23%、P 3.5〜15%含有することを特徴とする。本発明において、「結晶性」とは、熱処理するとガラスマトリックス中から結晶を析出する性質を意味する。 High-expansion crystallizable glass composition of the present invention, in mol%, 50~70% MgO, BaO 1~15 %, B 2 O 3 8~25%, SiO 2 8~23%, P 2 O 5 3. It characterized in that it has 5-15% free. In the present invention, “crystallinity” means the property of precipitating crystals from the glass matrix upon heat treatment.

本発明においては、熱処理するとリン酸系結晶を析出することが好ましい。特に3MgO・Pや(MgO・BaO)−P等のMgO−P系結晶を析出することが好ましい。本発明において「リン酸系結晶」とは、結晶構成成分としてPを含む結晶を意味する。また「MgO−P系結晶」は結晶構成成分としてMgOとPを必須成分として含む結晶を意味する。なお「熱処理すると」とは、800℃以上の温度で10分間以上の条件で熱処理した場合を意味する。 In the present invention, it is preferable to deposit phosphoric acid crystals upon heat treatment. In particular, it is preferable to deposit MgO—P 2 O 5 based crystals such as 3MgO · P 2 O 5 and (MgO · BaO) —P 2 O 5 . In the present invention, the “phosphate crystal” means a crystal containing P 2 O 5 as a crystal constituent component. “MgO—P 2 O 5 -based crystal” means a crystal containing MgO and P 2 O 5 as essential components as crystal constituent components. Note that “when heat-treated” means a case where heat treatment is performed at a temperature of 800 ° C. or more for 10 minutes or more.

上記構成によれば、析出温度及び融解温度の高いリン酸系結晶が析出することから、長期間に亘るSOFCの作動中に、結晶が融解して接着箇所が緩むといった不測の事態を回避できる。   According to the said structure, since the phosphoric acid type | system | group crystal | crystallization with high precipitation temperature and melting temperature precipitates, during the operation | movement of SOFC over a long period of time, the unexpected situation that a crystal | crystallization melt | dissolves and an adhesion location loosens can be avoided.

本発明においては、接着用であることが好ましい。   In the present invention, it is preferably for bonding.

上記構成によれば、本発明の効果を的確に享受することができる。   According to the said structure, the effect of this invention can be enjoyed exactly.

本発明の高膨張結晶性ガラス組成物は、熱処理後に100〜130×10−7/℃程度の熱膨張係数を示す。またPの含有量が多いことから、熱処理過程で封着に適した流動性を示す。しかも長期間に亘って高温に晒されたり、或いは温度が異常に上昇したりした場合には、リン酸系結晶の析出が促進されて耐熱性が維持される。その結果、長期間に亘って安定な耐熱性を確保できる。 The high expansion crystalline glass composition of the present invention exhibits a thermal expansion coefficient of about 100 to 130 × 10 −7 / ° C. after heat treatment. Also since the high content of P 2 O 5, it shows fluidity suitable for sealing during the heat treatment. Moreover, when exposed to high temperatures for a long period of time or when the temperature rises abnormally, precipitation of phosphoric acid crystals is promoted and heat resistance is maintained. As a result, stable heat resistance can be ensured over a long period of time.

従って本発明の材料は、高膨張材料の接着や被覆、特にSOFCの作製に用いられる接着材料として好適である。   Therefore, the material of the present invention is suitable as an adhesive material used for adhesion and coating of a high expansion material, particularly for production of SOFC.

SOFCの基本構造を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the basic structure of SOFC.

本発明の高膨張結晶性ガラス組成物において、ガラス組成を上記のように限定した理由を以下に示す。   The reason for limiting the glass composition as described above in the high expansion crystalline glass composition of the present invention will be described below.

MgOの含有量は50〜70%、好ましくは51〜69%である。MgOの含有量が50%未満の場合、ガラス組成物の結晶化が十分進まず、耐熱性が悪くなる。一方、MgOの含有量が70%を超えると溶解性が悪くなり、均質なガラスが得難くなる。   The content of MgO is 50 to 70%, preferably 51 to 69%. When the content of MgO is less than 50%, the crystallization of the glass composition does not proceed sufficiently, resulting in poor heat resistance. On the other hand, when the content of MgO exceeds 70%, the solubility becomes poor and it becomes difficult to obtain a homogeneous glass.

BaOの含有量は1〜15%、好ましくは3〜12%、より好ましくは4〜10%である。BaOの含有量が1%未満の場合、ガラスが不安定になって失透性が著しくなり、成形が困難になる。一方、BaOの含有量が15%を超えると結晶性が弱くなり、十分な結晶の析出が得られず、耐熱性が低下する。   The content of BaO is 1 to 15%, preferably 3 to 12%, more preferably 4 to 10%. When the content of BaO is less than 1%, the glass becomes unstable, devitrification becomes remarkable, and molding becomes difficult. On the other hand, if the content of BaO exceeds 15%, the crystallinity becomes weak, sufficient crystal precipitation cannot be obtained, and the heat resistance decreases.

の含有量は8〜25%、好ましくは8.5〜24%である。Bの含有量が8%未満の場合は溶解性が悪くなる。一方、Bの含有量25%を超えると熱膨張係数が十分に高くならず、また耐水性や耐熱性が劣化する。 The content of B 2 O 3 is 8 to 25%, preferably 8.5 to 24%. When the content of B 2 O 3 is less than 8%, the solubility is deteriorated. On the other hand, if the content of B 2 O 3 exceeds 25%, the thermal expansion coefficient is not sufficiently high, and the water resistance and heat resistance deteriorate.

SiOの含有量は8〜23%、好ましくは8〜22%、さらに好ましくは9〜21%である。SiOの含有量が8%未満では耐水性や耐熱性が劣る。一方、SiOの含有量が23%を超えると溶解が困難となる。また熱処理時に結晶析出が困難になる。 The content of SiO 2 is 8 to 23%, preferably 8 to 22%, more preferably 9 to 21%. When the content of SiO 2 is less than 8%, the water resistance and heat resistance are poor. On the other hand, when the content of SiO 2 exceeds 23%, dissolution becomes difficult. Also, crystal precipitation becomes difficult during heat treatment.

の含有量は3.5〜15%、好ましくは3.5〜10%である。Pの含有量が3.5%以下では熱処理時の流動性が劣る。またMgO・Pや(MgO・BaO)−P系結晶が析出しにくくなり、高温で長期安定性が得難くなる。一方、Pの含有量が15%を超えるとBaO・2MgO・2SiO結晶や2MgO・B結晶が析出し難くなって結晶化度が低下し、結果として耐熱性が低下する。 The content of P 2 O 5 is 3.5 to 15%, preferably 3.5 to 10%. When the content of P 2 O 5 is 3.5 % or less, the fluidity during heat treatment is poor. Further, MgO · P 2 O 5 and (MgO · BaO) -P 2 O 5 based crystals are difficult to precipitate, and long-term stability is difficult to obtain at high temperatures. On the other hand, when the content of P 2 O 5 exceeds 15%, BaO · 2MgO · 2SiO 2 crystals and 2MgO · B 2 O 3 crystals are difficult to precipitate, resulting in a decrease in crystallinity, resulting in a decrease in heat resistance. .

また本発明の高膨張結晶性ガラス組成物は、上記以外の成分としてSnO、ZrO、TiO、ZnO、CaO、SrO、Al、La、Y等を4モル%まで添加しても差し支えない。しかしながら、電気絶縁性を劣化させるアルカリ金属酸化物の添加は好ましくない。 Moreover, the high expansion crystalline glass composition of the present invention contains SnO 2 , ZrO 2 , TiO 2 , ZnO, CaO, SrO, Al 2 O 3 , La 2 O 3 , Y 2 O 3, etc. as components other than those described above. It may be added up to mol%. However, the addition of an alkali metal oxide that degrades electrical insulation is not preferred.

以上のような組成を有する結晶性ガラス組成物は、熱処理するとBaO・2MgO・2SiO、2MgO・B、3MgO・P、(MgO・BaO)−P等の結晶を析出し、100×10−7/℃以上の熱膨張係数を示す。また熱処理後は高い結晶化度が得られるために耐熱性が高く、再度熱処理を行っても流動することはない。しかも3MgO・Pや(MgO・BaO)−P等のリン酸系結晶は、析出温度及び融解温度が高いことから、時間の経過や温度上昇に伴ってリン酸系結晶の析出、成長が進む。これにより長期に亘って耐熱性を維持することができる。 Crystalline glass composition having a composition such as described above, BaO · 2MgO · 2SiO 2 When the heat treatment, 2MgO · B 2 O 3, 3MgO · P 2 O 5, (MgO · BaO) -P 2 O 5 crystal such And exhibit a thermal expansion coefficient of 100 × 10 −7 / ° C. or higher. Further, after the heat treatment, high crystallinity is obtained, so that the heat resistance is high, and even when the heat treatment is performed again, it does not flow. Moreover, phosphate crystals such as 3MgO · P 2 O 5 and (MgO · BaO) -P 2 O 5 have high precipitation and melting temperatures. Precipitation and growth progress. Thereby, heat resistance can be maintained over a long period of time.

なお上記ガラス組成物からなるガラス粉末材料は、流動性の調整のために、析出結晶の一部であるリン酸マグネシウム(3MgO・P)やマグネシア(MgO)、亜鉛華(ZnO)、ジルコニア(ZrO)、チタニア(TiO)、アルミナ(Al)等の粉末をフィラー粉末としてガラス粉末100重量部に対して10重量部まで、好ましくは8重量部まで添加してもよい。添加量を前記範囲に限定したのは、10重量部より多いと流動性の低下が大きくなりすぎるためである。なおフィラー粉末の粒径はd50で0.2〜20μm程度のものを使用することが好ましい。 Incidentally glass powder material formed of the above glass compositions, for the adjustment of the fluidity, which is part of magnesium phosphate precipitated crystals (3MgO · P 2 O 5) and magnesia (MgO), zinc oxide (ZnO), Powders such as zirconia (ZrO 2 ), titania (TiO 2 ), and alumina (Al 2 O 3 ) may be added as filler powders up to 10 parts by weight, preferably up to 8 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the glass powder. . The reason why the addition amount is limited to the above range is that when the amount is more than 10 parts by weight, the decrease in fluidity becomes too large. In addition, it is preferable to use a filler powder having a d50 particle size of about 0.2 to 20 μm.

次に本発明の高膨張結晶性ガラス組成物を接着材料として使用する方法を説明する。なお本発明のガラス組成物の使用方法は、以下の記載に制限されるものではない。   Next, a method for using the high expansion crystalline glass composition of the present invention as an adhesive material will be described. In addition, the usage method of the glass composition of this invention is not restrict | limited to the following description.

まず上記した組成を有するように調合したガラス原料を1400〜1500℃で0.5〜2時間溶融する。次いで溶融ガラスをフィルム状等に成形した後、粉砕し、分級してガラス粉末を作製する。なおガラス粉末の粒径(d50)は2〜20μm程度であることが好ましい。   First, the glass raw material prepared so as to have the above composition is melted at 1400-1500 ° C. for 0.5-2 hours. Next, after the molten glass is formed into a film or the like, it is pulverized and classified to produce glass powder. In addition, it is preferable that the particle size (d50) of glass powder is about 2-20 micrometers.

さらに必要に応じて上記ガラス粉末に各種フィラー粉末を添加する。   Further, various filler powders are added to the glass powder as necessary.

次いでガラス粉末、或はガラス粉末とフィラー粉末との混合粉末を例えばガラスペーストに調製する。ガラスペーストで使用される場合、有機溶剤、樹脂、ガラス粉末のほか、可塑剤、分散剤等を含有できる。   Next, glass powder or a mixed powder of glass powder and filler powder is prepared into, for example, a glass paste. When used in a glass paste, it can contain a plasticizer, a dispersant and the like in addition to an organic solvent, a resin, and glass powder.

有機溶剤はガラス粉末をペースト化するための材料であり、例えばターピネオール(Ter)、ジエチレングリコールモノブチルエーテル(BC)、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート(BCA)、2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタジオールモノイソブチレート、ジヒドロターピネオール、等を単独または混合して使用することができる。その含有量は10〜40質量%であることが好ましい。   The organic solvent is a material for pasting glass powder, such as terpineol (Ter), diethylene glycol monobutyl ether (BC), diethylene glycol monobutyl ether acetate (BCA), 2,2,4-trimethyl-1,3-pentadiol. Monoisobutyrate, dihydroterpineol, etc. can be used alone or in admixture. The content is preferably 10 to 40% by mass.

樹脂は、乾燥後の膜強度を高め、また柔軟性を付与する成分であり、その含有量は、0.1〜20質量%程度が一般的である。樹脂は熱可塑性樹脂、具体的にはポリブチルメタアクリレート、ポリビニルブチラール、ポリメチルメタアクリレート、ポリエチルメタアクリレート、エチルセルロース等が使用可能であり、これらを単独あるいは混合して使用する。   The resin is a component that increases the film strength after drying and imparts flexibility, and the content is generally about 0.1 to 20% by mass. As the resin, a thermoplastic resin, specifically, polybutyl methacrylate, polyvinyl butyral, polymethyl methacrylate, polyethyl methacrylate, ethyl cellulose and the like can be used, and these are used alone or in combination.

可塑剤は、乾燥速度をコントロールすると共に、乾燥膜に柔軟性を与える成分であり、その含有量は0〜10質量%程度が一般的である。可塑剤としてはブチルベンジルフタレート、ジオクチルフタレート、ジイソオクチルフタレート、ジカプリルフタレート、ジブチルフタレート等が使用可能であり、これらを単独あるいは混合して使用する。   The plasticizer is a component that controls the drying speed and imparts flexibility to the dry film, and the content thereof is generally about 0 to 10% by mass. As the plasticizer, butylbenzyl phthalate, dioctyl phthalate, diisooctyl phthalate, dicapryl phthalate, dibutyl phthalate and the like can be used, and these are used alone or in combination.

分散剤としては、イオン系、もしくはノニオン系の分散剤が使用可能であり、イオン系としてはカルボン酸、ジカルボン酸系等のポリカルボン酸系、アミン系、等、ノニオン系としてはポリエステル縮合型や多価アルコールエーテル型が使用可能である。その使用量としては0〜5質量%である。   As the dispersant, an ionic or nonionic dispersant can be used. As the ionic type, a carboxylic acid, a polycarboxylic acid type such as a dicarboxylic acid type, an amine type, etc., as a nonionic type, a polyester condensation type or A polyhydric alcohol ether type can be used. The amount used is 0 to 5% by mass.

ペーストの作製は、上記の材料を所定の割合で混練することにより行うことができる。   The paste can be produced by kneading the above materials at a predetermined ratio.

次いで、ペーストを金属やセラミックからなる第一の部材の接着箇所に塗布し、乾燥させる。さらに金属やセラミックからなる第二の部材をペースト乾燥膜に接触させた状態で固定して800〜900℃で熱処理する。この熱処理により、ガラス粉末が一旦軟化流動して第一及び第二の部材を固着させる。ガラス粉末がある程度流動した段階でまずBaO・2MgO・2SiOや2MgO・Bが析出し、さらに高温になると3MgO・Pや(MgO・BaO)−P等のリン酸系結晶が析出する。 Next, the paste is applied to the bonding location of the first member made of metal or ceramic and dried. Further, the second member made of metal or ceramic is fixed in a state where it is in contact with the dry paste film, and heat-treated at 800 to 900 ° C. By this heat treatment, the glass powder is once softened and fluidized to fix the first and second members. BaO.2MgO.2SiO 2 and 2MgO.B 2 O 3 are first precipitated at a stage where the glass powder has flowed to some extent, and at higher temperatures, phosphorus such as 3MgO.P 2 O 5 and (MgO.BaO) -P 2 O 5 Acidic crystals are precipitated.

これらの結晶は融点が高く、また析出量も多いことから、材料の熱的安定性が高く、耐熱性に優れた接着接合体を得ることができる。   Since these crystals have a high melting point and a large amount of precipitation, it is possible to obtain an adhesive bonded body having high thermal stability of the material and excellent heat resistance.

なお本発明の高膨張結晶性ガラス組成物は、接着以外にも被覆、充填等の目的で使用できる。またペースト以外の形態、具体的には粉末状態、グリーンシート、タブレット等の状態で使用することができる。例えば、金属やセラミックスで出来た円筒内にリード線とともにガラス粉末を充填して熱処理し、気密封止を行う形態が挙げられる。またグリーンシート成型されたプリフォームや、粉末プレス成型により作製されたタブレット等を金属やセラミック部材上に載置し、熱処理して被覆することもできる。   The high expansion crystalline glass composition of the present invention can be used for purposes such as coating and filling in addition to adhesion. Moreover, it can be used in forms other than paste, specifically in a powdered state, a green sheet, a tablet, or the like. For example, the form which fills glass powder with a lead wire in the cylinder made from a metal or ceramics, heat-processes, and performs airtight sealing is mentioned. Moreover, a preform formed by green sheet molding, a tablet produced by powder press molding, or the like can be placed on a metal or ceramic member and coated by heat treatment.

以下、本発明の高膨張結晶性ガラス組成物を実施例に基づいて説明する。   Hereinafter, the high expansion crystalline glass composition of the present invention will be described based on examples.

表1はガラスからなる本発明の実施例(試料No.1〜7)、表2は比較例(試料No.8、9)をそれぞれ示している。   Table 1 shows examples of the present invention made of glass (sample Nos. 1 to 7), and Table 2 shows comparative examples (samples No. 8 and 9).

Figure 0005656044
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各試料は次のようにして調製した。   Each sample was prepared as follows.

表中の組成になるように調合したガラス原料を、表に示す温度で約1時間溶融した後、一対のローラー間を通してフィルム状に成形した。次いで得られたフィルム状成形物をボールミルにて粉砕し、分級して、粒度(d50)が約10μmの試料を得た。   The glass raw material prepared so as to have the composition in the table was melted at the temperature shown in the table for about 1 hour, and then formed into a film through a pair of rollers. Next, the obtained film-like molded product was pulverized with a ball mill and classified to obtain a sample having a particle size (d50) of about 10 μm.

次に各試料について、成形時の失透物の有無、熱膨張係数、転移点、屈伏点、軟化点、流動性、析出結晶、結晶化度、結晶化温度、結晶融点の評価を表に示す。   Next, for each sample, the presence or absence of devitrified material during molding, thermal expansion coefficient, transition point, yield point, softening point, fluidity, precipitated crystal, crystallinity, crystallization temperature, and crystal melting point are shown in the table. .

表1から明らかなように、本発明の実施例である試料No.1〜7は、成形時に失透物が認められず、成形し易いものであった。また熱膨張係数が105〜118×10−7/℃と高膨張であった。 As is apparent from Table 1, sample No. which is an example of the present invention. In Nos. 1 to 7, devitrified materials were not recognized during molding, and molding was easy. The coefficient of thermal expansion was as high as 105 to 118 × 10 −7 / ° C.

一方、比較例である試料No.8はPの含有量が少ないため、熱膨張係数は117×10−7/℃と高いものの流動性が悪かった。またリン酸系結晶の析出が認められず、結晶融点が低かった。試料No.9は流動性が良好であったものの、SiOの含有量が25%と多く、MgOの含有量が48%と少ないことから、結晶化度が低く、耐熱性が悪かった。 On the other hand, sample No. which is a comparative example. Since No. 8 had a low content of P 2 O 5 , the thermal expansion coefficient was as high as 117 × 10 −7 / ° C., but the fluidity was poor. In addition, no precipitation of phosphoric acid crystals was observed, and the crystal melting point was low. Sample No. Although the fluidity of No. 9 was good, the SiO 2 content was as high as 25% and the MgO content was as low as 48%, so the crystallinity was low and the heat resistance was poor.

なお成形時の失透物の有無は、前記フィルム状成形物を顕微鏡(50倍)にて観察し、失透物が認められなかったものを無、認められたものを有とした。失透物がなければガラスの安定性が高いと判断することができる。   In addition, the presence or absence of the devitrified substance at the time of shaping | molding observed the said film-form molded object with the microscope (50 times), and it was set as what had the thing recognized without the thing with which the devitrified substance was not recognized. If there is no devitrified material, it can be determined that the stability of the glass is high.

ガラスの熱膨張係数については、各ガラス粉末試料を粉末プレス成型し、850℃にて15分熱処理した後、直径4mm、長さ20mmの円柱状に研磨加工し、JIS R3102に基づいて測定し、30〜700℃の温度範囲における値を求めた。このとき、転移点、屈伏点が得られた場合にはその値を示した。なお結晶化後にガラス成分が残存している場合、転移点が観察されるが、結晶化度が低い場合には転移点だけでなく、屈伏点も確認される。   Regarding the thermal expansion coefficient of the glass, each glass powder sample was powder press-molded, heat-treated at 850 ° C. for 15 minutes, polished into a cylindrical shape having a diameter of 4 mm and a length of 20 mm, and measured according to JIS R3102. A value in a temperature range of 30 to 700 ° C. was obtained. At this time, when the transition point and yield point were obtained, the values were shown. When the glass component remains after crystallization, a transition point is observed, but when the crystallinity is low, not only the transition point but also the yield point is confirmed.

ガラスの軟化点、結晶化温度、結晶融点は、マクロ型示差熱分析計を用いて測定した。つまり同分析計にて試料を1100℃まで測定し、第四の変曲点の値を軟化点、強い発熱ピークを結晶化温度、結晶化後に得られた吸熱ピークを結晶融点とした。なお結晶融点が高いほど、もしくは融点が確認されなければ、高温下においても結晶が安定に存在していることを意味することから、耐熱性が高いと判断することができる。   The softening point, crystallization temperature, and crystal melting point of the glass were measured using a macro type differential thermal analyzer. That is, the sample was measured up to 1100 ° C. with the same analyzer, the value of the fourth inflection point was the softening point, the strong exothermic peak was the crystallization temperature, and the endothermic peak obtained after crystallization was the crystal melting point. Note that the higher the melting point of the crystal, or the more the melting point is not confirmed, it means that the crystal exists stably even at a high temperature, and therefore it can be determined that the heat resistance is high.

流動性は次のようにして評価した。比重分のガラス粉末を直径20mmの金型に入れてプレスした後に、SUS430板上で850℃にて15分保持することにより熱処理を行い、焼結体の角が丸くなり17mm以上の流動径を有するものを○、それ以下のものを×で表示した。   The fluidity was evaluated as follows. A glass powder with a specific gravity is placed in a 20 mm diameter mold and pressed, and then heat-treated by holding it at 850 ° C. for 15 minutes on a SUS430 plate, and the corners of the sintered body become round and a flow diameter of 17 mm or more is obtained. What has it is indicated by ◯, and what has less is indicated by ×.

析出結晶はXRD測定を行い、JCPDSカードとの対比にて同定した。このとき同定された析出結晶種としてBaO・2MgO・2SiOを「A」、2MgO・Bを「B」、(MgO・BaO)−Pを「C」として表中に示した。 Precipitated crystals were measured by XRD and identified by comparison with JCPDS card. In the table, BaO · 2MgO · 2SiO 2 is identified as “A”, 2MgO · B 2 O 3 is denoted as “B”, and (MgO · BaO) —P 2 O 5 is denoted as “C”. It was.

結晶化度はXRD測定により結晶化前後のハローを用いたハロー法により測定した。   The degree of crystallinity was measured by a halo method using halos before and after crystallization by XRD measurement.

本発明の高膨張結晶性ガラス組成物は、SUSやFeといった金属、フェライトやジルコニアといった高膨張セラミックスの接着材料として好適である。またSOFCを作製する際に使用される支持体基板、電解質、電極等を気密封止するための接着材料として好適である。   The high expansion crystalline glass composition of the present invention is suitable as an adhesive material for metals such as SUS and Fe, and high expansion ceramics such as ferrite and zirconia. Moreover, it is suitable as an adhesive material for hermetically sealing a support substrate, an electrolyte, an electrode, and the like used when manufacturing an SOFC.

1 電解質
2 アノード
3 カソード
4 第一の支持体基板
4a 燃料チャネル4a
5 第二の支持体基板
5a 空気チャネル5a
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolyte 2 Anode 3 Cathode 4 First support substrate 4a Fuel channel 4a
5 Second support substrate 5a Air channel 5a

Claims (4)

モル%で、MgO 50〜70%、BaO 1〜15%、B 8〜25%、SiO8〜23%、P 3.5〜15%含有することを特徴とする高膨張結晶性ガラス組成物。 In mole%, 50~70% MgO, BaO 1~15 %, B 2 O 3 8~25%, SiO 2 8~23%, high, characterized in that it comprises containing P 2 O 5 3.5 ~15% Expanded crystalline glass composition. 熱処理するとリン酸系結晶を析出することを特徴とする請求項1に記載の高膨張結晶性ガラス組成物。 The high-expansion crystalline glass composition according to claim 1, wherein phosphoric acid-based crystals are precipitated upon heat treatment. 熱処理するとMgO−P系結晶を析出することを特徴とする請求項2に記載の高膨張結晶性ガラス組成物。 The high expansion crystalline glass composition according to claim 2, wherein MgO—P 2 O 5 -based crystals are precipitated by heat treatment. 接着用であることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の高膨張結晶性ガラス組成物。 The high expansion crystalline glass composition according to any one of claims 1 to 3, wherein the composition is used for bonding.
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