JP6305315B2 - Heat-resistant glass sealing material and use thereof - Google Patents

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Description

本発明は、耐熱性ガラス封止材料に関する。詳しくは、アルカリ金属成分およびマグネシウム成分を含まないガラス封止材料に関する。   The present invention relates to a heat resistant glass sealing material. In detail, it is related with the glass sealing material which does not contain an alkali metal component and a magnesium component.

金属材料は、各種の産業分野において様々なデバイス、機器、装置に広く使用されている。かかる金属材料からなる部材(金属部材)の接合には、該金属部材の用途や接合条件等に応じて様々の接合材料が使い分けられている。
例えば600℃〜900℃程度の高温域で使用される酸素イオン伝導モジュールでは、該酸素イオン伝導モジュールを構成する金属部材(例えば金属製の配管)とセラミック部材(例えば酸素分離膜や固体電解質)とを高気密に封止接合する必要がある。このような用途においては、以下の特徴を有する接合材料が多用されている。
(1) 封止接合温度(軟化点)において、適度な粘性(溶融性)を有すること。
(2) 熱膨張係数が被接合部材(金属部材やセラミック部材)と同程度かそれより若干低いこと。
(3) 使用温度域(例えば600℃〜900℃)において耐熱性や耐久性に優れること。
これに関連する先行技術文献として、特許文献1〜6が挙げられる。例えば、特許文献1〜3には、アルカリ金属成分(例えばLi,Na,Kのうち少なくとも1種)を含むガラス接合材が開示されている。また、特許文献4には、ガラスマトリックス中にMgO−SiO系結晶を析出させたガラス接合材が開示されている。
Metal materials are widely used for various devices, equipment, and apparatuses in various industrial fields. For joining members (metal members) made of such metal materials, various joining materials are used depending on the use and joining conditions of the metal members.
For example, in an oxygen ion conduction module used in a high temperature range of about 600 ° C. to 900 ° C., a metal member (for example, a metal pipe) and a ceramic member (for example, an oxygen separation membrane or a solid electrolyte) constituting the oxygen ion conduction module, Must be hermetically sealed and joined. In such applications, bonding materials having the following characteristics are frequently used.
(1) Appropriate viscosity (meltability) at the sealing bonding temperature (softening point).
(2) The coefficient of thermal expansion is similar to or slightly lower than that of the member to be joined (metal member or ceramic member).
(3) Excellent heat resistance and durability in the operating temperature range (for example, 600 ° C to 900 ° C).
Patent documents 1-6 are mentioned as prior art literature relevant to this. For example, Patent Documents 1 to 3 disclose glass bonding materials containing an alkali metal component (for example, at least one of Li, Na, and K). Patent Document 4 discloses a glass bonding material in which MgO—SiO 2 crystals are precipitated in a glass matrix.

特開2010−184826号公報JP 2010-184826 A 特開2009−199970号公報JP 2009-199970 A 特開2003−238201号公報JP 2003-238201 A 特開2014−114168号公報JP, 2014-114168, A 特開2012−174674号公報JP 2012-174664 A 特表2010−524193号公報Special table 2010-524193 gazette

上記特許文献に記載されるように、ガラス接合材にアルカリ金属成分を含ませることで、封止接合時のガラス溶融性を向上することができる。また、封止接合部の熱膨張係数を高めることもできる。しかしながら、本発明者の検討によれば、作動温度が高温域となる用途では、アルカリ金属元素成分が金属部材へ拡散して封止接合部の耐熱性や耐久性が低下することがあった。
また、特許文献6に記載されるようなガラス接合材は、ガラス接合材を適度な高温粘性に調整することが難しく、ある時は封止接合時のガラス溶融性が低下して作業が困難となったり、またある時は封止接合部の形状を良好に維持することができなくなったりして、封止接合部の気密性が低下することがあった。
このような事情から、アルカリ金属成分およびマグネシウム成分を含まず、且つ、上述のような特徴を具備するガラス封止材料が求められている。
As described in the above-mentioned patent documents, glass meltability at the time of sealing and bonding can be improved by including an alkali metal component in the glass bonding material. Moreover, the thermal expansion coefficient of the sealing joint can be increased. However, according to the study by the present inventors, in applications where the operating temperature is in a high temperature range, the alkali metal element component diffuses into the metal member, and the heat resistance and durability of the sealed joint portion may decrease.
Further, the glass bonding material as described in Patent Document 6 is difficult to adjust the glass bonding material to an appropriate high-temperature viscosity, and in some cases, the glass meltability at the time of sealing bonding is lowered and the operation is difficult. In some cases, the shape of the sealed joint portion cannot be maintained well, and the hermeticity of the sealed joint portion may be lowered.
Under such circumstances, there is a demand for a glass sealing material that does not contain an alkali metal component and a magnesium component and has the above-described characteristics.

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、アルカリ金属成分およびマグネシウム成分を含まず、高温域においても金属部材と被接合部材との封止接合部を気密に保持することのできる耐熱性の高いガラス封止材料を提供することにある。また、他の目的は、かかるガラス封止材を用いてなる封止接合部を備えた構造体(例えば酸素イオン伝導モジュール)を提供することにある。   This invention is made | formed in view of this situation, The objective is not including an alkali metal component and a magnesium component, and hold | maintains the sealing junction part of a metal member and a to-be-joined member airtightly also in a high temperature range. An object of the present invention is to provide a glass sealing material having high heat resistance and high heat resistance. Another object of the present invention is to provide a structure (for example, an oxygen ion conduction module) provided with a sealing joint using such a glass sealing material.

本発明により、ガラスマトリックス中にBaO−Al系結晶、BaO−ZnO−SiO系結晶、およびBaO−Al−SiO系結晶のうちの少なくとも1つが析出している結晶化ガラスを含むガラス封止材料が提供される。上記ガラスマトリックスは、アルカリ金属、MgおよびPb成分を含まず、且つ、当該ガラスマトリックス全体を100mol%としたときに、95mol%以上が酸化物換算のモル比で以下の組成:BaO30〜60mol%;ZnO1〜30mol%;SiO1〜30mol%;Al1〜20mol%;B10〜30mol%;から構成されている。 According to the present invention, crystallization in which at least one of BaO—Al 2 O 3 based crystal, BaO—ZnO—SiO 2 based crystal, and BaO—Al 2 O 3 —SiO 2 based crystal is precipitated in a glass matrix. A glass sealing material comprising glass is provided. The glass matrix does not contain alkali metal, Mg and Pb components, and when the entire glass matrix is 100 mol%, 95 mol% or more is a molar ratio in terms of oxide and the following composition: BaO 30 to 60 mol%; ZnO1~30mol%; SiO 2 1~30mol%; Al 2 O 3 1~20mol%; B 2 O 3 10~30mol%; and a.

ここに開示されるガラス封止材料は、次の性状:(1)封止接合温度における適切な高温粘性;(2)比較的高い熱膨張係数;(3)高温域における耐熱性や耐久性;を備える。さらに、アルカリ金属およびMg成分を含有しないことで、上述のような不具合が未然に防止されている。その結果、熱膨張係数の高い部材(例えば金属部材)と被接合部材とを高気密に封止接合することができる。また、高温域に曝される環境にあっても、その高気密性を長期にわたって維持することができる。
なお、本明細書において「BaO−Al系結晶」とは、BaO成分およびAl成分からなる結晶のほか、例えば不可避的な不純物として、それ以外の成分が極微量混入することは許容され得ることを表している。また、BaO−ZnO−SiO系結晶およびBaO−Al−SiO系結晶についても同様である。
The glass sealing material disclosed herein has the following properties: (1) suitable high-temperature viscosity at the sealing bonding temperature; (2) relatively high thermal expansion coefficient; (3) heat resistance and durability at high temperatures; Is provided. Furthermore, the above-mentioned malfunction is prevented beforehand by not containing an alkali metal and Mg component. As a result, a member having a high thermal expansion coefficient (for example, a metal member) and the member to be joined can be sealed and joined in a highly airtight manner. Moreover, even in an environment exposed to a high temperature range, the high airtightness can be maintained over a long period of time.
In addition, in this specification, “BaO—Al 2 O 3 -based crystal” means that, in addition to crystals composed of a BaO component and an Al 2 O 3 component, for example, inevitable impurities other components are mixed in in minute amounts. Indicates that it can be tolerated. The same applies to BaO—ZnO—SiO 2 based crystals and BaO—Al 2 O 3 —SiO 2 based crystals.

ここに開示される好適な一態様では、ガラス封止材料の30℃から500℃までの熱膨張係数が8×10−6−1〜12×10−6−1である。これにより、熱膨張係数の高い部材(例えば金属部材)との熱膨張係数の整合性を安定的に向上することができ、封止接合部でクラック等の不具合が生じることを高度に防止することができる。
なお、本明細書において「熱膨張係数」とは、30℃から500℃までの温度領域において熱機械分析装置(Thermomechanical Analysis:TMA)を用いて測定した平均膨張係数(平均線膨張係数)であり、試料の初期長さに対する試料長さの変化量を温度差で割った値をいう。熱膨張係数の測定は、JIS R 3102(1995)に準じて行うことができる。
In a preferred embodiment disclosed herein, the thermal expansion coefficient of the glass sealing material from 30 ° C. to 500 ° C. is 8 × 10 −6 K −1 to 12 × 10 −6 K −1 . Thereby, the consistency of the thermal expansion coefficient with a member having a high thermal expansion coefficient (for example, a metal member) can be stably improved, and the occurrence of defects such as cracks at the sealing joint is highly prevented. Can do.
In the present specification, “thermal expansion coefficient” is an average expansion coefficient (average linear expansion coefficient) measured using a thermomechanical analysis (TMA) in a temperature range from 30 ° C. to 500 ° C. The value obtained by dividing the amount of change in the sample length relative to the initial length of the sample by the temperature difference. The measurement of the thermal expansion coefficient can be performed according to JIS R 3102 (1995).

ここに開示される好適な一態様では、850℃における粘度(高温粘性)logηが3.5Pa・s〜8.5Pa・sである。これにより、金属部材と被接合部材の封止接合時(ガラス溶融時)にあっては、ガラス封止材料に適度な流動性を持たせることができ、比較的低温(例えば700℃〜900℃)で金属部材と被接合部材とを安定的且つ高機密に封止接合することができる。また、高温域に曝される場合にあっても、封止接合部の形状を安定的に維持することができ、より優れた耐熱性や耐久性を実現することができる。
なお、本明細書において「850℃における粘度」とは、硝子平行板粘度測定装置を用いて測定した変形速度からGent式に基づいて算出される粘度logηをいう。
In a preferred embodiment disclosed herein, the viscosity (high temperature viscosity) log η at 850 ° C. is 3.5 Pa · s to 8.5 Pa · s. Thereby, at the time of sealing and joining the metal member and the member to be joined (at the time of glass melting), the glass sealing material can be provided with appropriate fluidity, and can be provided at a relatively low temperature (for example, 700 ° C to 900 ° C). ), The metal member and the member to be bonded can be sealed and bonded stably and highly confidentially. Moreover, even when exposed to a high temperature range, the shape of the sealing joint can be stably maintained, and more excellent heat resistance and durability can be realized.
In the present specification, “viscosity at 850 ° C.” refers to a viscosity log η calculated based on the Gent equation from the deformation rate measured using a glass parallel plate viscosity measuring apparatus.

ここに開示される好適な一態様では、大気雰囲気中で800℃・100時間の熱曝露を行った際の上記熱曝露前後の熱膨張係数の差が±1.0×10−6−1以下である。換言すれば、800℃の高温域に曝される場合にあっても、熱膨張係数の変化が小さい。したがって、長期にわたって高気密性を維持可能な、高温耐久性に優れる封止接合部を実現することができる。 In a preferred embodiment disclosed herein, the difference in thermal expansion coefficient before and after the thermal exposure when exposed to heat at 800 ° C. for 100 hours in an air atmosphere is ± 1.0 × 10 −6 K −1. It is as follows. In other words, even when exposed to a high temperature range of 800 ° C., the change in thermal expansion coefficient is small. Therefore, it is possible to realize a sealed joint having excellent high-temperature durability that can maintain high airtightness over a long period of time.

ここに開示される好適な一態様では、上記ガラスマトリックスが、さらに酸化物換算のモル比でCaOおよびSrOのうちの少なくとも1種を5mol%未満の割合で含んでいる。
これにより、高温域における接合部の物理的安定性をより向上させることができ、本願発明の効果を更に高いレベルで安定的に発揮することができる。
In a preferred embodiment disclosed herein, the glass matrix further contains at least one of CaO and SrO in a molar ratio of less than 5 mol% in terms of oxide.
Thereby, the physical stability of the junction part in a high temperature range can be improved more, and the effect of this invention can be exhibited stably at a still higher level.

ここに開示されるガラス封止材料は、熱膨張係数の高い部材(例えば金属部材)と被接合部材とを高気密に封止接合することができる。また、高温域に曝される場合にあっても、その高気密性を長期にわたって維持することができる。したがって、かかる特徴を活かして、酸素イオン伝導モジュールにおいて好適に使用することができる。換言すれば、ここに開示される他の側面として、上記ガラス封止材料を焼成してなる封止接合部を備えた酸素イオン伝導モジュールが提供される。
一具体例として、酸化物イオン伝導性を有するセラミックからなる固体電解質を備えた固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)と、金属部材と、上記固体酸化物形燃料電池と上記金属部材とを封止接合する封止接合部と、を備える固体酸化物形燃料電池システムが挙げられる。かかる封止接合部は、上述のガラス封止材料を焼成することによって構成されている。
The glass sealing material disclosed here can seal-join a member (for example, metal member) with a high thermal expansion coefficient and a member to be joined in a highly airtight manner. Moreover, even when exposed to a high temperature region, the high airtightness can be maintained over a long period of time. Therefore, taking advantage of this feature, it can be suitably used in an oxygen ion conduction module. In other words, as another aspect disclosed herein, there is provided an oxygen ion conduction module provided with a sealed joint formed by firing the glass sealing material.
As a specific example, a solid oxide fuel cell (SOFC) including a solid electrolyte made of a ceramic having oxide ion conductivity, a metal member, the solid oxide fuel cell, and the metal A solid oxide fuel cell system including a sealing joint that seals and joins a member. Such a sealing joint is configured by firing the above-described glass sealing material.

SOFC(単セル)と該単セルに接合された金属製のインターコネクタとを備えたSOFCシステムの一形態を模式的に示す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view which shows typically one form of SOFC system provided with SOFC (single cell) and the metal interconnector joined to this single cell.

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以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、本発明を特徴付けない接合部材の成形方法や、SOFCの一般的な製造プロセス等)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 and necessary for carrying out the present invention (for example, a method for forming a joining member that does not characterize the present invention, a general manufacturing process of SOFC, etc.) ) Can be understood as a design matter of those skilled in the art based on the prior art in the field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.

≪ガラス封止材料≫
ここに開示されるガラス封止材料は、必須の構成要素として、ガラスマトリックス中にBaO−Al系結晶、BaO−ZnO−SiO系結晶、およびBaO−Al−SiO系結晶のうちの少なくとも1つが析出している結晶化ガラスを含んでいる。典型的には、ガラス封止材料全体を100質量%としたときに、当該結晶化ガラス成分が50質量%以上を占めている。
上記結晶は、概して9×10−6−1以上と比較的高い熱膨張係数を有する。例えば、BaO−Al系結晶としてのBaAlは、金属と同程度の熱膨張係数(9.6×10−6−1)を有する。このため、熱膨張係数を比較的高い値に調整するために有効である。また、高い熱膨張係数を安定的に実現する観点からは、ガラスマトリックス中に熱膨張係数の低い結晶(例えばBaO−B系結晶、具体的にはBaB等)が析出していないことが好ましい。
≪Glass sealing material≫
The glass sealing material disclosed here has, as an essential component, a BaO—Al 2 O 3 crystal, a BaO—ZnO—SiO 2 crystal, and a BaO—Al 2 O 3 —SiO 2 crystal in a glass matrix. It includes crystallized glass on which at least one of the crystals has been deposited. Typically, when the entire glass sealing material is 100% by mass, the crystallized glass component accounts for 50% by mass or more.
The crystal generally has a relatively high coefficient of thermal expansion of 9 × 10 −6 K −1 or more. For example, BaAl 2 O 4 as a BaO—Al 2 O 3 based crystal has a thermal expansion coefficient (9.6 × 10 −6 K −1 ) comparable to that of a metal. For this reason, it is effective for adjusting the thermal expansion coefficient to a relatively high value. Further, from the viewpoint of stably realizing a high thermal expansion coefficient, crystals having a low thermal expansion coefficient (for example, BaO—B 2 O 3 -based crystals, specifically BaB 2 O 4 etc.) are precipitated in the glass matrix. Preferably not.

結晶の析出量は特に限定されないが、例えば、ガラスマトリックス成分と上記結晶成分との合計を100質量%としたときに、凡そ10質量%以上(例えば30質量%以上)であって、90質量%以下(例えば80質量%以下)とすることができる。これによって、本発明の効果をより安定的に奏することができる。なお、結晶析出量は、例えば粉末X線結晶回折(XRD)における内部標準法で測定することができる。また、結晶析出量は、例えば、後述するガラスマトリックスの組成比率や、結晶化処理時の条件によって調整することができる。   The amount of crystals deposited is not particularly limited. For example, when the total of the glass matrix component and the crystal component is 100% by mass, it is about 10% by mass (for example, 30% by mass or more) and 90% by mass. Or less (for example, 80% by mass or less). As a result, the effects of the present invention can be achieved more stably. The crystal precipitation amount can be measured by, for example, an internal standard method in powder X-ray crystal diffraction (XRD). Further, the amount of crystal precipitation can be adjusted, for example, by the composition ratio of the glass matrix described later and the conditions during crystallization treatment.

結晶化ガラスを構成するガラスマトリックス(ガラス組成物)は、アルカリ金属(例えば、Li、Na、K、Rb、Cs、Fr。特には、Li、Na、K。)成分と、マグネシウム(Mg)成分と、鉛(Pb)成分とを含まず、典型的にはさらにヒ素(As)成分を含まず、且つ、当該ガラスマトリックス全体の95mol%以上が、酸化物換算のモル比で以下の組成:
BaO 30〜60mol%;
ZnO 1〜30mol%;
SiO 1〜30mol%(例えば10〜30mol%);
Al 1〜20mol%(例えば10〜20mol%);
10〜30mol%(例えば10〜25mol%);
から構成されている。
The glass matrix (glass composition) constituting the crystallized glass includes an alkali metal (for example, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr. In particular, Li, Na, K.) component and a magnesium (Mg) component. And the lead (Pb) component, typically further does not contain an arsenic (As) component, and 95 mol% or more of the entire glass matrix has the following composition in the molar ratio in terms of oxide:
BaO 30-60 mol%;
ZnO 1-30 mol%;
SiO 2 1 to 30 mol% (e.g. 10 to 30 mol%);
Al 2 O 3 1~20mol% (e.g. 10 to 20%);
B 2 O 3 10~30mol% (e.g. 10 to 25 mol%);
It is composed of

上述の構成成分のうち、バリウム成分(酸化バリウム(BaO))は、ガラス封止材料の熱膨張係数を調整したり、熱的安定性を向上させたりするための成分である。また、ガラスマトリックス中に析出させるBaO−Al系結晶、BaO−ZnO−SiO系結晶、およびBaO−Al−SiO系結晶の構成成分となるものでもある。
ガラスマトリックス全体に占めるBaOの割合は、酸化物換算のモル比で、30mol%以上(例えば33mol%以上)であって、60mol%以下(典型的には55mol%以下、例えば52mol%以下)であるとよい。これにより、ガラス封止材料の熱膨張係数を効果的に高めることができる。さらに、ガラスマトリックス中に好適な量の上記結晶を析出させることができ、より高い耐熱性や高温耐久性を実現することができる。
Of the above-described constituent components, the barium component (barium oxide (BaO)) is a component for adjusting the thermal expansion coefficient of the glass sealing material and improving the thermal stability. It is also a constituent of BaO—Al 2 O 3 -based crystals, BaO—ZnO—SiO 2 -based crystals, and BaO—Al 2 O 3 —SiO 2 -based crystals precipitated in the glass matrix.
The proportion of BaO in the entire glass matrix is 30 mol% or more (for example, 33 mol% or more) in terms of oxide, and is 60 mol% or less (typically 55 mol% or less, for example, 52 mol% or less). Good. Thereby, the thermal expansion coefficient of the glass sealing material can be effectively increased. Furthermore, a suitable amount of the crystal can be precipitated in the glass matrix, and higher heat resistance and high temperature durability can be realized.

亜鉛成分(酸化亜鉛(ZnO))は、ガラス封止材料の高温粘性を調整し、封止接合部の気密性や安定性(形状維持性)を向上させるための成分である。また、ガラスマトリックス中に析出させるBaO−ZnO−SiO系結晶の構成成分となるものでもある。さらに、SiO結晶(クリストバライト結晶)の析出を抑制する効果が高い成分でもある。
ガラスマトリックス全体に占めるZnOの割合は、酸化物換算のモル比で、1mol%以上(例えば4mol%以上)であって、30mol%以下(例えば28mol%以下)であるとよい。これにより、ガラス封止材料の高温粘性を好適な範囲に調整することができる。その結果、封止接合時(ガラス溶融時)にあっては、ガラス封止材料に適度な流動性を持たせることができる。また、高温域に曝される場合にあっても、封止接合部の形状を安定的に維持することができる。さらに、ガラスマトリックス中に好適な種類および量の結晶を析出させることができ、封止接合部により高い耐熱性や高温耐久性を付与することができる。加えて、封止接合部の耐水性や耐熱衝撃性、耐久性のうちの少なくとも1つを向上させることができる。
A zinc component (zinc oxide (ZnO)) is a component for adjusting the high temperature viscosity of the glass sealing material and improving the airtightness and stability (shape maintaining property) of the sealing joint. It is also a constituent component of BaO—ZnO—SiO 2 -based crystals deposited in the glass matrix. Furthermore, the effect of suppressing the precipitation of SiO 2 crystals (cristobalite crystals) is also a high component.
The proportion of ZnO in the entire glass matrix is preferably 1 mol% or more (for example, 4 mol% or more) and 30 mol% or less (for example, 28 mol% or less) in terms of a molar ratio in terms of oxide. Thereby, the high temperature viscosity of a glass sealing material can be adjusted to a suitable range. As a result, at the time of sealing joining (at the time of glass melting), the glass sealing material can be given appropriate fluidity. Moreover, even when exposed to a high temperature range, the shape of the sealing joint can be stably maintained. Furthermore, suitable types and amounts of crystals can be deposited in the glass matrix, and high heat resistance and high temperature durability can be imparted to the sealed joint. In addition, at least one of water resistance, thermal shock resistance, and durability of the sealed joint portion can be improved.

ケイ素成分(酸化ケイ素(SiO))は、ガラスの骨格を構成する成分(ガラスネットワークフォーマー)である。また、BaO−ZnO−SiO系結晶やBaO−Al−SiO系結晶の構成成分となるものでもある。
ガラスマトリックス全体に占めるSiOの割合は、酸化物換算のモル比で、1mol%以上(例えば2mol%以上、好ましくは10mol%以上、より好ましくは15mol%以上)であって、30mol%以下(典型的には25mol%以下、例えば20mol%以下)であるとよい。これにより、ガラス封止材料の高温粘性を好適な範囲に調整することができる。また、ガラスマトリックス中に好適な量の結晶を析出させることができ、より高い耐熱性や高温耐久性を実現することができる。さらには、封止接合部の耐水性、耐薬品性、耐熱衝撃性のうちの少なくとも1つを向上させることができる。特にはSiOの割合を、酸化物換算のモル比で10mol%以上とすることで、高温域に曝される場合にあっても封止接合部の形状をより安定的に維持することができる。
The silicon component (silicon oxide (SiO 2 )) is a component (glass network former) constituting the skeleton of glass. Further, it is also a constituent component of a BaO—ZnO—SiO 2 crystal or a BaO—Al 2 O 3 —SiO 2 crystal.
The proportion of SiO 2 in the entire glass matrix is 1 mol% or more (for example, 2 mol% or more, preferably 10 mol% or more, more preferably 15 mol% or more) in terms of oxide, and 30 mol% or less (typically Specifically, it is preferably 25 mol% or less, for example, 20 mol% or less. Thereby, the high temperature viscosity of a glass sealing material can be adjusted to a suitable range. Further, a suitable amount of crystals can be precipitated in the glass matrix, and higher heat resistance and high temperature durability can be realized. Furthermore, at least one of water resistance, chemical resistance, and thermal shock resistance of the sealing joint can be improved. In particular, by setting the ratio of SiO 2 to 10 mol% or more in terms of oxide, the shape of the sealed joint can be more stably maintained even when exposed to a high temperature range. .

アルミニウム成分(酸化アルミニウム(Al))は、ガラス溶融時の流動性を制御して、付着安定性を向上するための成分である。また、ガラスマトリックス中に析出させるBaO−Al系結晶およびBaO−Al−SiO系結晶の構成成分となるものでもある。
ガラスマトリックス全体に占めるAlの割合は、酸化物換算のモル比で、1mol%以上(例えば10mol%以上)であって、20mol%以下(例えば18mol%以下)であるとよい。これにより、金属部材と被接合部材とをより安定的に(均質に)封止接合することができる。また、ガラスマトリックス中に好適な量の結晶を析出させることができ、より高い耐熱性や高温耐久性を実現することができる。さらには、封止接合部の耐薬品性を向上させることができる。
The aluminum component (aluminum oxide (Al 2 O 3 )) is a component for improving the adhesion stability by controlling the fluidity during glass melting. It is also a constituent of BaO—Al 2 O 3 -based crystals and BaO—Al 2 O 3 —SiO 2 -based crystals precipitated in the glass matrix.
The ratio of Al 2 O 3 occupying the entire glass matrix is 1 mol% or more (for example, 10 mol% or more) and preferably 20 mol% or less (for example, 18 mol% or less) as a molar ratio in terms of oxide. Thereby, a metal member and a member to be joined can be sealed and joined more stably (homogeneously). Further, a suitable amount of crystals can be precipitated in the glass matrix, and higher heat resistance and high temperature durability can be realized. Furthermore, the chemical resistance of the sealing joint can be improved.

ホウ素成分(酸化ホウ素(B))は、ガラス溶融時の流動性を高める(ガラスフリットの軟化点を低下させる)成分である。また、ガラス封止材料の熱膨張係数を調整するための成分でもある。
ガラスマトリックス全体に占めるBの割合は、酸化物換算のモル比で、10mol%以上であって、30mol%以下(典型的には25mol%以下、例えば20mol%以下)であるとよい。これにより、ガラス封止材料の熱膨張係数を比較的高い値に調整することができる。また、ガラス封止材料の高温粘性を好適な範囲に調整することができる。
The boron component (boron oxide (B 2 O 3 )) is a component that improves the fluidity at the time of melting the glass (lowers the softening point of the glass frit). It is also a component for adjusting the thermal expansion coefficient of the glass sealing material.
The ratio of B 2 O 3 in the entire glass matrix is 10 mol% or more and 30 mol% or less (typically 25 mol% or less, for example, 20 mol% or less) in terms of a molar ratio in terms of oxide. Thereby, the thermal expansion coefficient of the glass sealing material can be adjusted to a relatively high value. Moreover, the high temperature viscosity of a glass sealing material can be adjusted to a suitable range.

ガラスマトリックスは、上述した5種の主要構成成分から構成されていてもよく、あるいは、本発明の効果を著しく損なわない限りにおいて、上記以外の任意の成分を全体の5mol%未満(典型的には4mol%以下、例えば2mol%以下)の割合で含むものであってもよい。そのような添加成分としては、酸化物の形態で、例えば、CaO、SrO、Bi、TiO、ZrO、V、Nb、FeO、Fe、Fe、CuO、CuO、SnO、SnO、P、La、CeO等が挙げられる。 The glass matrix may be composed of the five main components described above, or any other component than the above is less than 5 mol% (typically, as long as the effects of the present invention are not significantly impaired). 4 mol% or less, for example, 2 mol% or less). Examples of such additional components include oxides such as CaO, SrO, Bi 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 , V 2 O 5 , Nb 2 O 5 , FeO, Fe 2 O 3 , and Fe 3. Examples include O 4 , CuO, Cu 2 O, SnO, SnO 2 , P 2 O 5 , La 2 O 3 , CeO 2 and the like.

好適な一態様では、ガラスマトリックスが、酸化物換算のモル比で、CaOおよびSrOのうちの少なくとも1種を5mol%未満の割合で含んでいる。これにより、ガラス封止材料の熱的安定性をより向上させることができる。さらに、カルシウム成分(CaO)を含む場合には、封止接合部の硬度を上げて耐摩耗性を向上させる効果もある。
ガラスマトリックス全体に占めるCaOおよび/またはSrOの割合は、酸化物換算のモル比で5mol%未満であり、例えば1mol%以上5mol%未満、好ましくは2mol%以上5mol%未満であるとよい。
In a preferred embodiment, the glass matrix contains at least one of CaO and SrO in a ratio of less than 5 mol% in terms of a molar ratio in terms of oxide. Thereby, the thermal stability of the glass sealing material can be further improved. Furthermore, when a calcium component (CaO) is included, there is also an effect of increasing the hardness of the sealing joint and improving the wear resistance.
The proportion of CaO and / or SrO in the entire glass matrix is less than 5 mol% in terms of oxide, for example 1 mol% or more and less than 5 mol%, preferably 2 mol% or more and less than 5 mol%.

好適な他の一態様では、ガラスマトリックスが6成分以上の(例えば6成分以上10成分以下の)多成分系で構成されている。6成分以上を含むことで、封止接合部の物理的安定性がより向上する。また、作業性やコストの観点からは、ガラスマトリックスが10成分以下で構成されることが好ましい。   In another preferred embodiment, the glass matrix is composed of a multi-component system having 6 or more components (for example, 6 to 10 components). By including 6 or more components, the physical stability of the sealing joint is further improved. From the viewpoint of workability and cost, the glass matrix is preferably composed of 10 components or less.

なお、結晶化ガラスを構成するガラスマトリックスには、アルカリ金属成分、マグネシウム成分、および鉛成分を含まない。典型的には、さらにヒ素成分を含まない。換言すれば、ここに開示されるガラスマトリックスには、これらの成分を積極的には添加しない(不可避的な不純物として混入することは許容され得る)。上述の通り、アルカリ金属成分(例えばカリウム成分やナトリウム成分)は高温環境下において金属部材への拡散(飛散)が生じ易く、これによって封止接合部の熱膨張係数が変化したり機械的強度が低下したりすることがあり得る。また、マグネシウム成分を含む場合は、好適な高温粘性に調製することが難しく、例えば接合温度(ガラス溶融時の温度)が高くなったり、高温域で形状維持性が低下したりすることがあり得る。アルカリ金属成分およびマグネシウム成分を含有しないことで、上述のような不具合を未然に防止することができる。さらに、ヒ素成分や鉛成分は人体や環境に対して悪影響があるため、環境性や作業性、安全性の観点から好ましくない。   In addition, the glass matrix which comprises crystallized glass does not contain an alkali metal component, a magnesium component, and a lead component. Typically, it also does not contain an arsenic component. In other words, these components are not actively added to the glass matrix disclosed herein (it is allowed to be mixed as an inevitable impurity). As described above, alkali metal components (for example, potassium component and sodium component) are likely to diffuse (scatter) into the metal member in a high temperature environment, thereby changing the thermal expansion coefficient of the sealing joint or mechanical strength. It may be reduced. Moreover, when it contains a magnesium component, it is difficult to adjust to a suitable high temperature viscosity, for example, the joining temperature (temperature at the time of glass melting) may increase, or the shape maintainability may decrease in a high temperature range. . By not containing an alkali metal component and a magnesium component, the above-described problems can be prevented in advance. Furthermore, since an arsenic component and a lead component have a bad influence with respect to a human body and an environment, it is unpreferable from a viewpoint of environmental property, workability | operativity, and safety.

ここに開示される結晶化ガラスは、以下の性状:(1)850℃における粘度logηが3.5Pa・s〜8.5Pa・s(例えば4.2Pa・s〜6.7Pa・s)である;(2)30℃から500℃までの熱膨張係数が8×10−6−1〜12×10−6−1(例えば9×10−6−1〜10.5×10−6−1)である;(3)大気雰囲気中において800℃で100時間の熱曝露を行った際の上記熱曝露前後の熱膨張係数の差が±1.0×10−6−1以下である;のうち少なくとも1つ(好ましくは全て)を備え得る。これにより、本発明の効果をより高いレベルで安定的に発揮することができる。
The crystallized glass disclosed herein has the following properties: (1) Viscosity log η at 850 ° C. is 3.5 Pa · s to 8.5 Pa · s (for example, 4.2 Pa · s to 6.7 Pa · s). (2) The coefficient of thermal expansion from 30 ° C. to 500 ° C. is 8 × 10 −6 K −1 to 12 × 10 −6 K −1 (for example, 9 × 10 −6 K −1 to 10.5 × 10 −6). K -1) is; (3) 800 the difference in thermal expansion coefficients of the front and rear the heat exposure time of performing the thermal exposure of 100 hours at ℃ is ± 1.0 × 10 -6 K -1 or less at the atmosphere At least one (preferably all). Thereby, the effect of the present invention can be stably exhibited at a higher level.

ガラス封止材料には、上記結晶化ガラスに加えて、この種のガラス封止材料に添加し得ることが知られている各種成分を適宜含ませることができる。そのような添加成分の一例として、有機バインダや有機溶剤が挙げられる。有機バインダとしては、通常この種のガラスペーストに用いられている各種のバインダを考慮することができる。例えば、メチルセルロース、エチルセルロース、ニトロセルロース等のセルロース系高分子や、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、アミン系樹脂等を例示することができる。また、有機溶剤についても同様であって、通常この種のガラスペーストに用いられている各種の有機溶剤を考慮することができる。例えば、ターピネオール、エーテル系溶剤、エステル系溶剤、各種のグリコール等を例示することができる。   In addition to the crystallized glass, the glass sealing material can appropriately contain various components known to be added to this type of glass sealing material. Examples of such additive components include organic binders and organic solvents. As the organic binder, various binders usually used in this kind of glass paste can be considered. For example, cellulose polymers such as methyl cellulose, ethyl cellulose, and nitro cellulose, acrylic resins, epoxy resins, amine resins, and the like can be exemplified. The same applies to the organic solvent, and various organic solvents usually used in this type of glass paste can be considered. For example, terpineol, ether solvents, ester solvents, various glycols and the like can be exemplified.

つまり、ここに開示されるガラス封止材料の形態は特に限定されず、用途に応じて任意に調整することができる。例えば、カレット状、パウダー状、フリット状、ペレット状、板状、ペースト状等の形態をとることができる。
一例として、ペースト状のガラス封止材料は、適切な粘度に調整することによって塗布または印刷等の手法で被接合部材(金属部材等)に付与することが可能である。したがって、複雑な形状の被接合部材間の封止接合や複雑な形態での封止接合を行う場合には、ペースト状のガラス封止材料を好ましく用いることができる。これによって、より簡便に封止接合を実施することができる。
That is, the form of the glass sealing material disclosed here is not particularly limited, and can be arbitrarily adjusted according to the application. For example, it can take forms such as a cullet shape, a powder shape, a frit shape, a pellet shape, a plate shape, and a paste shape.
As an example, the paste-like glass sealing material can be applied to a member to be bonded (metal member or the like) by a technique such as coating or printing by adjusting to an appropriate viscosity. Therefore, a paste-like glass sealing material can be preferably used when performing sealing bonding between members having complicated shapes or sealing bonding in a complicated form. Thereby, sealing joining can be performed more simply.

≪ガラス封止材料の製造方法≫
このようなガラス封止材料の製造方法は特に制限されないが、例えば、先ず、Ba、Zn、Si、AlおよびBを実質的な構成成分とする(例えば、上記5成分が酸化物換算のモル比で95mol%以上を占める)ガラス原料粉末を調製すること;次に、該ガラス原料粉末を溶融した後に急冷して、ガラスマトリックス(ガラス質中間体)を調製すること;次に、上記調製したガラスマトリックスを結晶化処理することによって、上記ガラスのマトリックス中にBaO−Al系結晶、BaO−ZnO−SiO系結晶、およびBaO−Al−SiO系結晶のうちの少なくとも1つを析出させること;によって行い得る。以下、各工程について詳しく説明する。
≪Glass sealing material manufacturing method≫
Although the manufacturing method of such a glass sealing material is not particularly limited, for example, first, Ba, Zn, Si, Al, and B are substantially constituent components (for example, the above five components are oxide-converted molar ratios). The glass raw material powder occupying 95 mol% or more); next, the glass raw material powder is melted and then rapidly cooled to prepare a glass matrix (glassy intermediate); By crystallizing the matrix, at least one of a BaO—Al 2 O 3 crystal, a BaO—ZnO—SiO 2 crystal, and a BaO—Al 2 O 3 —SiO 2 crystal in the glass matrix. By precipitating one. Hereinafter, each step will be described in detail.

ガラス原料粉末の調製では、例えば、上記のような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を用意し、これらが所望の組成となるよう混合する。原料粉末の調製は、例えばボールミル等の混合機に上記原料を投入し、数時間〜数十時間混合することによって行うことができる。   In the preparation of the glass raw material powder, for example, industrial products, reagents, or various mineral raw materials including oxides, carbonates, nitrates, complex oxides, and the like containing the respective constituents described above are prepared, and these are desired. Mix so that the composition becomes. The raw material powder can be prepared, for example, by putting the raw material into a mixer such as a ball mill and mixing for several hours to several tens of hours.

次に、得られたガラス原料粉末を乾燥した後、高温(典型的には1000℃〜1500℃)条件下で加熱・溶融して、冷却または急冷することでガラス(ガラス質中間体)を調製することができる。好適な一態様では、得られたガラス(ガラス質中間体)を適当な大きさ(粒径)となるまで粉砕し、ガラス(ガラス質中間体)粉末を作製する。ガラス質中間体の平均粒径は、例えば0.5μm〜50μm(典型的には1μm〜10μm)とすることが好ましい。   Next, after drying the obtained glass raw material powder, it is heated and melted under conditions of high temperature (typically 1000 ° C. to 1500 ° C.) to prepare glass (glassy intermediate) by cooling or quenching. can do. In a preferred embodiment, the obtained glass (glassy intermediate) is pulverized to an appropriate size (particle size) to produce glass (glassy intermediate) powder. The average particle diameter of the glassy intermediate is preferably, for example, 0.5 μm to 50 μm (typically 1 μm to 10 μm).

次に、上記調製したガラス質中間体を結晶化処理(熱処理)する。これにより、ガラスマトリックス中に上記結晶を析出させることができ、結晶化ガラスを得ることができる。結晶化処理は、結晶化を誘起し得る温度域(例えば800℃〜1200℃、好ましくは800℃〜1000℃)で、上記ガラス質中間体を所定時間(典型的には10分以上、例えば10分〜60分)保持するとよい。好適な一態様では、得られた結晶化ガラスを粉砕や篩いがけ(分級)によって、カレット状またはパウダー状等の形態に調製する。これにより、一層高気密で高品質な封止接合部を実現することができる。結晶化ガラスの平均粒径は、用途等にもよるが、例えば0.1μm〜10μm程度とすることができる。   Next, the glassy intermediate prepared above is crystallized (heat treatment). Thereby, the said crystal | crystallization can be deposited in a glass matrix and crystallized glass can be obtained. In the crystallization treatment, the glassy intermediate is allowed to stand for a predetermined time (typically 10 minutes or more, for example, 10 ° C., for example) in a temperature range where crystallization can be induced (for example, 800 ° C. to 1200 ° C., preferably 800 ° C. to 1000 ° C.). Minutes to 60 minutes). In a preferred embodiment, the obtained crystallized glass is prepared into a form such as a cullet or powder by pulverization or sieving (classification). As a result, it is possible to realize a sealed joint with higher airtightness and high quality. The average particle diameter of the crystallized glass may be, for example, about 0.1 μm to 10 μm, although it depends on the application.

得られた結晶化ガラス(粉砕後のカレットやパウダー)は、用途に適した形態に適宜加工することができる。例えば、任意の形状に圧縮成形した後、ガラス粒子同士が互いに結着する程度に仮焼してペレット状にすることができる。あるいは、有機バインダや有機溶剤等とともに混合してペースト状に調製してもよい。なお、ペーストの分散、混合方法については特に限定される事項はなく、従来と同様に行うことができる。   The obtained crystallized glass (pulverized cullet or powder) can be appropriately processed into a form suitable for the application. For example, after compression molding into an arbitrary shape, it can be calcined to such an extent that the glass particles are bonded to each other to form a pellet. Or you may mix with an organic binder, an organic solvent, etc., and may prepare in paste form. There are no particular restrictions on the paste dispersion and mixing method, and it can be carried out in the same manner as before.

≪接合方法≫
上記のようにして準備したガラス封止材料は、熱膨張係数が比較的高いことを特徴とする。このため、熱膨張係数の高い部材の接合、例えば、金属部材同士の(同種部材間の)接合や、金属部材−セラミック部材間の(異種部材間の)接合等に広く使用することができる。
接合方法の一具体的態様では、先ず、ガラス封止材料を所望の形態に調製する。次に、一の金属部材と被接合部材とを用意する。次に、これらの部材が相互に接触・接続するよう配置し、当該接続部位に上記ペレット状あるいはペースト状等のガラス封止材料を付与(配置または塗布)する。そして、この複合体を乾燥した後、該ガラス封止材料の軟化点以上の温度域(典型的には600℃以上、例えば700℃〜900℃)で焼成する。ここに開示されるガラス封止材料によれば、各種部材間を高気密に封止接合することができる。
≪Join method≫
The glass sealing material prepared as described above is characterized by a relatively high thermal expansion coefficient. For this reason, it can be widely used for joining members having a high thermal expansion coefficient, for example, joining between metal members (between similar members), joining between a metal member and a ceramic member (between different members), and the like.
In one specific embodiment of the bonding method, first, a glass sealing material is prepared in a desired form. Next, one metal member and a member to be joined are prepared. Next, it arrange | positions so that these members may mutually contact and connect, and the glass sealing materials, such as the said pellet form or a paste form, are provided (arrangement or application | coating) to the said connection part. And after drying this composite_body | complex, it bakes by the temperature range (typically 600 degreeC or more, for example, 700 to 900 degreeC) more than the softening point of this glass sealing material. According to the glass sealing material disclosed here, various members can be hermetically sealed and joined.

上記金属部材の一例としては、ステンレス鋼、アルミニウム、クロム、鉄、ニッケル、銅、銀、マンガン、およびこれらの合金等の金属材料からなるものを考慮することができる。より具体的には、フェライト系やオーステナイト系のステンレス鋼、純アルミニウム、アルミニウム合金(ジュラルミン、アルミニウム青銅等)、銀、銀合金(洋銀等)、銅、銅合金(リン青銅等)等が例示される。これら金属部材の熱膨張係数は、おおよその目安として、30℃から500℃までの熱膨張係数が10×10−6−1〜15×10−6−1程度であることが例示される。 As an example of the metal member, one made of a metal material such as stainless steel, aluminum, chromium, iron, nickel, copper, silver, manganese, and alloys thereof can be considered. More specifically, ferritic or austenitic stainless steel, pure aluminum, aluminum alloys (duralumin, aluminum bronze, etc.), silver, silver alloys (Western silver, etc.), copper, copper alloys (phosphor bronze, etc.), etc. are exemplified. The The thermal expansion coefficient of these metal members is exemplified by the fact that the thermal expansion coefficient from 30 ° C. to 500 ° C. is about 10 × 10 −6 K −1 to 15 × 10 −6 K −1 as an approximate guide. .

また、被接合部材としては特に制限されないが、例えば上記金属部材やセラミック部材が例示される。セラミック部材の一例としては、アルミナ、フォルステライト、チタニア、イットリア、ジルコニア、部分安定化ジルコニア等のセラミック材料からなるものを考慮することができる。これらはいずれか1種のセラミック材料の単体であっても良いし、上記に例示した2種以上のセラミック材料が複合化されたセラミック複合材料(例えば、ムライト、ステアタイト、アルミナジルコニア等)からなるものであっても良い。なかでも、ファインセラミック材料、例えば、機械的、熱的、電気的、磁気的、化学的に様々な優れた特性を有するアルミナを好ましく用いることができる。これらセラミック部材の熱膨張係数は、おおよその目安として、30℃から500℃までの熱膨張係数が6×10−6−1〜8×10−6−1程度であることが例示される。 Moreover, although it does not restrict | limit especially as a to-be-joined member, For example, the said metal member and a ceramic member are illustrated. As an example of the ceramic member, one made of a ceramic material such as alumina, forsterite, titania, yttria, zirconia, or partially stabilized zirconia can be considered. These may be a single element of any one kind of ceramic material, or are composed of a ceramic composite material (for example, mullite, steatite, alumina zirconia, etc.) in which two or more kinds of ceramic materials exemplified above are combined. It may be a thing. Among these, fine ceramic materials such as alumina having various excellent properties mechanically, thermally, electrically, magnetically, and chemically can be preferably used. The thermal expansion coefficient of these ceramic members is, as an approximate guide, the thermal expansion coefficient from 30 ° C. to 500 ° C. is about 6 × 10 −6 K −1 to 8 × 10 −6 K −1. .

≪構造体≫
すなわち、ここに開示される技術によれば、金属部材と、被接合部材と、上記金属部材と上記被接合部材とを封止接合する封止接合部とを備え、当該封止接合部が上述のガラス封止材料を焼成してなる構造体が提供される。ここに開示されるガラス封止材料によれば、熱膨張係数の高い金属部材と被接合部材とを高気密に封止接合することができる。また、高温域に曝される場合にあっても、その高気密性を長期にわたって維持することができる。つまり、従来のガラス封止材料を使用した場合に比べて、優れた耐熱性や耐久性を実現することができる。
上述のような特徴を活かして、ここに開示されるガラス封止材料は、例えば酸素イオン伝導モジュールにおいて好適に使用することができる。換言すれば、ここに開示される他の側面として、上記ガラス封止材料を焼成してなる封止接合部を備えた酸素イオン伝導モジュールが提供される。
≪Structure≫
In other words, according to the technology disclosed herein, a metal member, a member to be joined, and a sealing joint that seal-joins the metal member and the member to be joined are provided, and the sealing joint is described above. A structure obtained by firing the glass sealing material is provided. According to the glass sealing material disclosed here, a metal member having a high thermal expansion coefficient and a member to be bonded can be sealed and bonded in a highly airtight manner. Moreover, even when exposed to a high temperature region, the high airtightness can be maintained over a long period of time. That is, superior heat resistance and durability can be realized as compared with the case where a conventional glass sealing material is used.
Taking advantage of the above-described features, the glass sealing material disclosed herein can be suitably used, for example, in an oxygen ion conduction module. In other words, as another aspect disclosed herein, there is provided an oxygen ion conduction module provided with a sealed joint formed by firing the glass sealing material.

≪固体酸化物形燃料電池(SOFC)システム≫
酸素イオン伝導モジュールの一好適例として、固体酸化物形燃料電池(SOFC)システムを例に説明する。かかるSOFCシステムは、少なくとも固体酸化物形燃料電池(単セル)と金属部材とを備える。そして、該単セルと金属部材との間には、ここに開示されるガラス封止材料を焼成してなる封止接合部が形成されている。上述のようなガラス封止材料を用いることで、例えば600℃〜900℃程度の高温域に曝されても金属部材と単セルとの間を長期間気密に保持することが可能な封止接合部を実現し得る。したがって、耐熱性に優れた高性能なSOFCシステムを実現することができる。
≪Solid oxide fuel cell (SOFC) system≫
As a preferred example of the oxygen ion conduction module, a solid oxide fuel cell (SOFC) system will be described as an example. Such an SOFC system includes at least a solid oxide fuel cell (single cell) and a metal member. And the sealing joining part formed by baking the glass sealing material disclosed here is formed between this single cell and the metal member. By using the glass sealing material as described above, for example, sealed bonding that can keep a metal member and a single cell hermetically sealed for a long time even when exposed to a high temperature range of about 600 ° C. to 900 ° C. Part can be realized. Therefore, a high-performance SOFC system with excellent heat resistance can be realized.

単セルは、酸化物イオン伝導体からなる緻密な固体電解質の一方の面に多孔質構造の空気極(カソード)が他方の面に多孔質構造の燃料極(アノード)が形成され、構成されている。固体電解質としては、イットリア安定化ジルコニア(Yttria stabilized zirconia:YSZ)やガドリニアドープセリア(Gadolinia doped ceria:GDC)からなるものが例示される。空気極としては、ランタンコバルトネート(LaCoO)系やランタンマンガネート(LaMnO)系のペロブスカイト型酸化物からなるものが例示される。燃料極としては、ニッケル(Ni)とYSZのサーメットからなるものが例示される。
金属部材としては、単セルにガス(例えば酸素含有ガス、典型的には空気)を供給するためのガス管や、SOFCの単セル同士を電気的に接続してスタックを構築するために該単セル間に配置されるインターコネクタ等が例示される。このような金属部材については、従来のSOFCシステムで採用されているものと同様でよい。具体的には、アルミニウム、クロム、鉄、ニッケル、銅、ステンレス鋼等の金属材料からなるものが例示される。
なお、SOFCシステムの製造方法は、従来公知の製造方法に準じればよく特別な処理を必要としないため、詳細な説明は省略する。
A single cell is constructed by forming a porous structure of an air electrode (cathode) on one side of a dense solid electrolyte made of an oxide ion conductor and a porous structure of a fuel electrode (anode) on the other side. Yes. Examples of the solid electrolyte include those made of yttria stabilized zirconia (YSZ) and gadolinia doped ceria (GDC). Examples of the air electrode include lanthanum cobaltate (LaCoO 3 ) and lanthanum manganate (LaMnO 3 ) perovskite oxides. Examples of the fuel electrode include those made of cermet of nickel (Ni) and YSZ.
The metal member may be a gas pipe for supplying a gas (for example, an oxygen-containing gas, typically air) to a single cell, or the unit for electrically connecting SOFC single cells to form a stack. Examples include an interconnector disposed between cells. Such metal members may be the same as those employed in conventional SOFC systems. Specifically, what consists of metal materials, such as aluminum, chromium, iron, nickel, copper, stainless steel, is illustrated.
The manufacturing method of the SOFC system may be in accordance with a conventionally known manufacturing method and does not require special processing, and thus detailed description is omitted.

以下、図1を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明し、重複する説明は省略または簡略化することがある。また、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は必ずしも実際の寸法関係を反映するものではない。   Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the following drawings, members / parts having the same action are described with the same reference numerals, and overlapping descriptions may be omitted or simplified. Further, the dimensional relationship (length, width, thickness, etc.) in each drawing does not necessarily reflect the actual dimensional relationship.

図1は、SOFC(単セル)と該単セルに接合された金属製のインターコネクタとを備えたSOFCシステムの一形態を模式的に示す分解斜視図である。SOFCシステム30は、SOFC(単セル)10A,10Bが、金属製のインターコネクタ20を介して複数層積み重なったスタックとして構成されている。単セル10A,10Bは、層状の固体電解質14の両面が、それぞれ層状の燃料極(アノード)12と空気極(カソード)16とで挟まれたサンドイッチ構造を備えている。図面中央に配されるインターコネクタ20Aは、その両面を二つの単セル10A,10Bで挟まれており、一方のセル対向面22がセル10Aの空気極16と対向(隣接)し、他方のセル対向面26がセル10Bの燃料極12と対向(隣接)している。かかるインターコネクタ20Aのセル対向面22,26と、それぞれ対応する単セル10A,10B側の燃料極12あるいは空気極16の対向面との間には、ここに開示されるガラス封止材を付与してなる封止接合部(図示せず)が形成されている。また、セル対向面22には複数の溝が形成されており、供給された酸素含有ガス(典型的には空気)が流れる空気流路24を構成している。同様に、反対側のセル対向面26にも複数の溝が形成されており、供給された燃料ガス(典型的にはHガス)が流れるための燃料ガス流路28を構成している。かかる形態のインターコネクタ20では、典型的には空気流路24と燃料ガス流路28とが互いに直交するように形成されている。 FIG. 1 is an exploded perspective view schematically showing one form of an SOFC system including an SOFC (single cell) and a metal interconnector joined to the single cell. The SOFC system 30 is configured as a stack in which SOFCs (single cells) 10 </ b> A and 10 </ b> B are stacked through a metal interconnector 20. The unit cells 10A and 10B have a sandwich structure in which both surfaces of a layered solid electrolyte 14 are sandwiched between a layered fuel electrode (anode) 12 and an air electrode (cathode) 16, respectively. The interconnector 20A disposed in the center of the drawing is sandwiched between two single cells 10A and 10B, one cell facing surface 22 faces (adjacent) the air electrode 16 of the cell 10A, and the other cell. The facing surface 26 faces (adjacent) the fuel electrode 12 of the cell 10B. The glass sealing material disclosed herein is applied between the cell facing surfaces 22 and 26 of the interconnector 20A and the facing surfaces of the corresponding fuel cell 12 or air electrode 16 on the corresponding single cell 10A or 10B side. A sealing joint (not shown) is formed. In addition, a plurality of grooves are formed in the cell facing surface 22 to constitute an air flow path 24 through which the supplied oxygen-containing gas (typically air) flows. Similarly, a plurality of grooves are also formed in the opposite cell facing surface 26 to constitute a fuel gas flow path 28 through which the supplied fuel gas (typically H 2 gas) flows. In the interconnector 20 having such a configuration, the air flow path 24 and the fuel gas flow path 28 are typically formed so as to be orthogonal to each other.

以下、本発明に関する幾つかの試験例を説明するが、本発明をかかる試験例に示すものに限定することを意図したものではない。   Hereinafter, some test examples relating to the present invention will be described, but the present invention is not intended to be limited to those shown in the test examples.

本試験では、ガラス原料粉末の組成や熱処理(結晶化処理)条件を異ならせた計10種類のガラス封止材料サンプルを作製した。具体的には、先ず、表1に示す組成のガラス原料粉末を1100℃〜1300℃で溶融した後、急冷した。次に、これを粉砕し、表1に結晶化処理の条件を記載しているサンプルについては、結晶化処理を行った。なお、表1の結晶化処理の欄に「−」とあるサンプルについては、熱処理を行わなかった。そして、結晶化処理を行ったサンプルについては当該結晶化処理後にふたたび粉砕を行った。このようにして、10種類のガラスフリット(S1〜8)を作製した。
また、比較例として、表1に示す組成の市販の耐熱用ガラス(旭硝子株式会社製)を準備した。
In this test, a total of 10 types of glass sealing material samples with different glass raw material compositions and heat treatment (crystallization treatment) conditions were produced. Specifically, first, glass raw material powder having the composition shown in Table 1 was melted at 1100 ° C. to 1300 ° C. and then rapidly cooled. Next, this was pulverized, and the crystallization treatment was performed on the samples whose crystallization treatment conditions are listed in Table 1. In addition, heat treatment was not performed on the samples having “-” in the column of crystallization treatment in Table 1. And about the sample which performed the crystallization process, it grind | pulverized again after the said crystallization process. In this way, 10 types of glass frit (S1 to 8) were produced.
As a comparative example, a commercially available heat-resistant glass (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) having the composition shown in Table 1 was prepared.

Figure 0006305315
Figure 0006305315

〔熱膨張係数の評価〕
上記作製したガラスフリット(S1〜8)および市販の耐熱用ガラスを、それぞれ50mm×7mm×7mmの棒状にプレス成形し、700℃で10分間仮焼きした。仮焼き後、ダイヤモンドカッターでΦ5mm×10〜20mm程度の円柱状に切り出して、測定用の試験片とした。この試験片を、熱機械分析装置(株式会社リガク製、TMA8310)を用いて評価した。具体的には、室温(25℃)から1000℃まで10℃/分の一定速度で昇温したときの、30℃から500℃の間の平均線膨張量から熱膨張係数を算出した。結果を表2の該当欄に示す。
表2に示すように、サンプル1では熱膨張係数が6.1×10−6−1と低かった。それ以外のものは、熱膨張係数が8×10−6−1以上と比較的高かった。
[Evaluation of thermal expansion coefficient]
The produced glass frit (S1-8) and commercially available heat-resistant glass were each press-formed into 50 mm × 7 mm × 7 mm rods and calcined at 700 ° C. for 10 minutes. After calcination, the specimen was cut into a cylindrical shape having a diameter of about 5 mm × 10 to 20 mm with a diamond cutter to obtain a test specimen for measurement. This test piece was evaluated using a thermomechanical analyzer (manufactured by Rigaku Corporation, TMA8310). Specifically, the thermal expansion coefficient was calculated from the average linear expansion amount between 30 ° C. and 500 ° C. when the temperature was increased from room temperature (25 ° C.) to 1000 ° C. at a constant rate of 10 ° C./min. The results are shown in the corresponding column of Table 2.
As shown in Table 2, Sample 1 had a low thermal expansion coefficient of 6.1 × 10 −6 K −1 . Others had a relatively high thermal expansion coefficient of 8 × 10 −6 K −1 or more.

〔ガラス中の結晶相の評価〕
上記作製したガラスフリット(S1〜8)および市販の耐熱用ガラスについて、それぞれ粉末X線結晶回折(XRD)を行い、結晶析出の有無を確認した。結果を表2の該当欄に示す。なお、表2には、結晶析出が確認された場合はその結晶相を、確認されなかった場合は「−」を示している。
表2に示すように、サンプル1とサンプル4−1、および市販の耐熱用ガラスでは、結晶相が認められなかった。それ以外のサンプルでは、何らかの結晶相の析出が認められた。
[Evaluation of crystalline phase in glass]
About the produced glass frit (S1-8) and commercially available glass for heat resistance, the powder X-ray crystal diffraction (XRD) was performed, respectively, and the presence or absence of crystal precipitation was confirmed. The results are shown in the corresponding column of Table 2. In Table 2, the crystal phase is shown when crystal precipitation is confirmed, and “-” is shown when crystal precipitation is not confirmed.
As shown in Table 2, no crystal phase was observed in Sample 1 and Sample 4-1, and commercially available heat-resistant glass. In other samples, some crystal phase precipitation was observed.

〔高温粘性の評価〕
上記作製したガラスフリット(S1〜8)および市販の耐熱用ガラスを、それぞれΦ7〜10mm×高さ5〜7mm程度の円柱状にプレス成形し、700℃で10分間仮焼きした。仮焼き後、作製した測定試料をアルミナ製の板で挟み、850℃での粘度logηを求めた。具体的には、硝子平行板粘度測定装置を用いて室温(25℃)から850℃までの高さ方向の変形量を検出した。そして、測定試料の変形速度からGent式に基づいて850℃での粘度logηを算出した。
Gent式:η=2πMgH/3V(−dH/dt)(2πH+V)
(ただし、η:粘度(Poise)、M:荷重(g)、H:試料の高さ(cm)、g:重力加速度(cm/s)、V:試料体積(cm)、dH/dt:試料変形速度(cm/s)である。)
表2に示すように、サンプル1〜8の粘度logηは、2.9〜8.9Pa・sの範囲だった。
[Evaluation of high temperature viscosity]
The produced glass frit (S1-8) and a commercially available heat-resistant glass were each press-formed into a cylindrical shape having a diameter of about 7 to 10 mm and a height of about 5 to 7 mm, and calcined at 700 ° C. for 10 minutes. After calcining, the prepared measurement sample was sandwiched between alumina plates, and the viscosity log η at 850 ° C. was determined. Specifically, the deformation amount in the height direction from room temperature (25 ° C.) to 850 ° C. was detected using a glass parallel plate viscometer. The viscosity log η at 850 ° C. was calculated from the deformation rate of the measurement sample based on the Gent equation.
Gent formula: η = 2πMgH 5 / 3V (−dH / dt) (2πH 3 + V)
(However, η: viscosity (Poise), M: load (g), H: height of sample (cm), g: acceleration of gravity (cm / s 2 ), V: sample volume (cm 3 ), dH / dt : Sample deformation speed (cm / s).)
As shown in Table 2, the viscosity log η of Samples 1 to 8 was in the range of 2.9 to 8.9 Pa · s.

〔SUS基板との接合性の評価〕
上記作製したガラスフリット(S1〜8)および市販の耐熱用ガラスを、それぞれΦ15mm×2.5mmの円盤状にプレス成形し、ペレットを作製した。このペレットを、フェライト系ステンレス鋼(SUS430、熱膨張係数:10×10−6−1〜13×10−6−1)製の基板上に載せ、大気中、850℃で30分間焼成することで、ペレットと基板とを接合した。その後、それぞれの積層体について浸透探傷検査を行い、クラックの有無を確認した。結果を表2の該当欄に示す。なお、表2において「○」はクラックが確認されなかったことを、「×」は接合部にクラックが認められたことを表している。
表2に示すように、サンプル1と8ではクラックが認められたが、それ以外のものではペレットと基板とが良好に接合されていた。なお、サンプル2では濡れ広がりが顕著で、接合部の維持が困難だった。また、サンプル6では、焼成後にガラスがやや広がった。
[Evaluation of bondability with SUS substrate]
The produced glass frit (S1 to 8) and a commercially available heat-resistant glass were each press-formed into a disk shape of Φ15 mm × 2.5 mm to produce pellets. This pellet is placed on a substrate made of ferritic stainless steel (SUS430, coefficient of thermal expansion: 10 × 10 −6 K −1 to 13 × 10 −6 K −1 ) and fired at 850 ° C. for 30 minutes in the air. Thus, the pellet and the substrate were joined. Then, the penetration inspection was performed about each laminated body, and the presence or absence of the crack was confirmed. The results are shown in the corresponding column of Table 2. In Table 2, “◯” indicates that no crack was confirmed, and “x” indicates that a crack was observed at the joint.
As shown in Table 2, cracks were observed in samples 1 and 8, but the pellets and the substrate were well bonded in the other samples. In sample 2, wetting and spreading were remarkable, and it was difficult to maintain the joint. In Sample 6, the glass spread slightly after firing.

〔金属への拡散性評価〕
上記接合性評価で作製した積層体について、上記基板(SUS430)上にガラス成分が拡散しているか否かを確認した。具体的には、走査顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)を用いて上記積層体を上部から観察し、エネルギー分散型X線(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy:EDX)分析によって得られた観察画像をガラスマトリックスの成分元素でマッピングし、基板表面のガラス成分の存在を確認した。結果を表2の該当欄に示す。なお、表2において「○」はガラス成分が観察されなかったことを、「×」はガラス成分が観察されたことを、「−」は未測定であることを表している。
表2に示すように、ガラスマトリックスにアルカリ金属およびMg成分を含む市販の耐熱用ガラスでは、基板上にガラス成分(アルカリ金属元素)の拡散が認められた。これに対して、サンプル1〜7では基板上にガラス成分の拡散は認められなかった。
[Diffusion evaluation to metal]
About the laminated body produced by the said bondability evaluation, it was confirmed whether the glass component was diffusing on the said board | substrate (SUS430). Specifically, the laminate is observed from above using a scanning electron microscope (SEM), and an observation image obtained by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) analysis is made of glass. The presence of glass components on the substrate surface was confirmed by mapping with component elements of the matrix. The results are shown in the corresponding column of Table 2. In Table 2, “◯” indicates that the glass component was not observed, “×” indicates that the glass component was observed, and “−” indicates that the glass component was not measured.
As shown in Table 2, in the commercially available heat-resistant glass containing an alkali metal and an Mg component in the glass matrix, diffusion of the glass component (alkali metal element) was observed on the substrate. On the other hand, in samples 1 to 7, no diffusion of glass components was observed on the substrate.

〔耐熱性の評価〕
上記作製したガラスフリット(S1〜8)および市販の耐熱用ガラスを、大気雰囲気中において800℃で100時間熱曝露させ、耐熱性を評価した。具体的には、先ず、熱曝露後の熱膨張係数を上記と同様に測定した。そして、熱曝露前の熱膨張係数からの変化量を求めた。結果を表2の該当欄に示す。なお、表2において「○」は熱膨張係数変化が±1.0×10−6−1以下であったことを、「×」は熱膨張係数の変化がそれより大きかったことを、「−」は未測定であることを表している。
表2に示すように、サンプル3,4−2,5,6,7−2では、熱曝露前後の熱膨張係数の変化が小さく、耐熱性が高かった。
[Evaluation of heat resistance]
The prepared glass frit (S1 to 8) and a commercially available heat-resistant glass were exposed to heat at 800 ° C. for 100 hours in an air atmosphere to evaluate heat resistance. Specifically, first, the thermal expansion coefficient after heat exposure was measured in the same manner as described above. And the variation | change_quantity from the thermal expansion coefficient before heat exposure was calculated | required. The results are shown in the corresponding column of Table 2. In Table 2, “◯” indicates that the change in thermal expansion coefficient was ± 1.0 × 10 −6 K −1 or less, and “×” indicates that the change in thermal expansion coefficient was greater than that. “-” Indicates that measurement has not been performed.
As shown in Table 2, Samples 3,4-2,5,6,7-2 had a small change in thermal expansion coefficient before and after thermal exposure and high heat resistance.

Figure 0006305315
Figure 0006305315

表2の総合評価の欄には、上記評価項目の中で1つでも「×」があった場合に「×」を標記している。また、×の項目は無いが、その他の欄に示すような特記事項があった場合に「△」を標記している。全ての評価項目が良好であった場合には「○」を標記している。   In the column of comprehensive evaluation in Table 2, “x” is marked when there is “x” in any of the above evaluation items. In addition, although there is no item of “x”, “△” is marked when there is a special remark item as shown in the other column. When all the evaluation items are good, “◯” is marked.

以上の結果から、ガラスマトリックス中にBaO−Al系結晶、BaO−ZnO−SiO系結晶、およびBaO−Al−SiO系結晶のうちの少なくとも1つが析出している結晶化ガラスを含むガラス封止材料であって、上記ガラスマトリックス全体を100mol%としたときに、95mol%以上が酸化物換算のモル比で以下の組成:BaO30〜60mol%;ZnO1〜30mol%;SiO1〜30mol%(特にはSiO10〜30mol%);Al1〜20mol%;B10〜30mol%;から構成されているガラス封止材料を用いることで、アルカリ金属、Mg、PbおよびAs成分を含まずとも、金属部材(フェライト系ステンレス鋼)とクラックが無く、気密性の高い封止接合部を形成できることがわかった。 From the above results, a crystal in which at least one of a BaO—Al 2 O 3 crystal, a BaO—ZnO—SiO 2 crystal, and a BaO—Al 2 O 3 —SiO 2 crystal is precipitated in the glass matrix. A glass sealing material containing a vitrified glass, wherein when the entire glass matrix is 100 mol%, 95 mol% or more is a molar ratio in terms of oxides: BaO 30 to 60 mol%; ZnO 1 to 30 mol%; SiO 2 1 to 30 mol% (particularly SiO 2 10~30mol%); Al 2 O 3 1~20mol%; B 2 O 3 10~30mol%; by using a glass sealing material which is composed of an alkali metal Even without Mg, Pb and As components, there is no crack with metal member (ferritic stainless steel) and high airtightness It was found to be formed a sealing joint.

また、ガラス封止材料は、以下のような性状を有することが好ましいこともわかった。
(1)850℃における粘度logηが3.5Pa・s〜8.5Pa・sである。
(2)30℃から500℃までの熱膨張係数が8×10−6−1〜12×10−6−1である。
(3)大気雰囲気中において800℃で100時間の熱曝露を行った際の上記熱曝露前後の熱膨張係数の差が±1.0×10−6−1以下である。
It was also found that the glass sealing material preferably has the following properties.
(1) Viscosity log η at 850 ° C. is 3.5 Pa · s to 8.5 Pa · s.
(2) The thermal expansion coefficient from 30 ° C. to 500 ° C. is 8 × 10 −6 K −1 to 12 × 10 −6 K −1 .
(3) The difference in thermal expansion coefficient before and after the heat exposure when the heat exposure is performed at 800 ° C. for 100 hours in the air atmosphere is ± 1.0 × 10 −6 K −1 or less.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。   As mentioned above, although the specific example of this invention was demonstrated in detail, these are only illustrations and do not limit a claim. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.

10A、10B SOFC(単セル)
12 燃料極(アノード)
14 固体電解質層
16 空気極(カソード)
20、20A インターコネクタ
30 固体酸化物形燃料電池システム(SOFCシステム)
10A, 10B SOFC (single cell)
12 Fuel electrode (anode)
14 Solid electrolyte layer 16 Air electrode (cathode)
20, 20A Interconnector 30 Solid oxide fuel cell system (SOFC system)

Claims (7)

ガラスマトリックス中に、(1)BaO−Al系結晶、(2)BaO−ZnO−SiO系結晶、および(3)BaO−Al−SiO系結晶のうちの少なくとも1つ(但し、前記(1)BaO−Al 系結晶は必須とする)が析出している結晶化ガラスを含むガラス封止材料であって、
前記ガラスマトリックスは、アルカリ金属、MgおよびPb成分を含まず、且つ、当該ガラスマトリックス全体を100mol%としたときに、95mol%以上が酸化物換算のモル比で以下の組成:
BaO 30〜60mol%;
ZnO 1〜30mol%;
SiO 1〜30mol%;
Al 1〜20mol%;
10〜30mol%;
から構成されている、ガラス封止材料。
In the glass matrix, at least one of (1) BaO—Al 2 O 3 based crystal, (2) BaO—ZnO—SiO 2 based crystal, and (3) BaO—Al 2 O 3 —SiO 2 based crystal. (However, the (1) BaO—Al 2 O 3 -based crystal is essential) is a glass sealing material containing crystallized glass on which is deposited,
The glass matrix does not contain alkali metal, Mg and Pb components, and when the entire glass matrix is 100 mol%, 95 mol% or more is the following composition in molar ratio in terms of oxide:
BaO 30-60 mol%;
ZnO 1-30 mol%;
SiO 2 1~30mol%;
Al 2 O 3 1~20mol%;
B 2 O 3 10~30mol%;
The glass sealing material comprised from these.
30℃から500℃までの熱膨張係数が8×10−6−1〜12×10−6−1である、請求項1に記載のガラス封止材料。 Thermal expansion coefficient of from 30 ° C. to 500 ° C. is 8 × 10 -6 K -1 ~12 × 10 -6 K -1, the glass sealing material of claim 1. 850℃における粘度logηが3.5Pa・s〜8.5Pa・sである、請求項1または2に記載のガラス封止材料。 The glass sealing material according to claim 1, wherein a viscosity log η at 850 ° C. is 3.5 Pa · s to 8.5 Pa · s. 大気雰囲気中で800℃・100時間の熱曝露を行った際の前記熱曝露前後の熱膨張係数の差が±1.0×10−6−1以下である、請求項1〜3のいずれかに記載のガラス封止材料。 Any of Claims 1-3 whose difference of the thermal expansion coefficient before and behind the said heat exposure at the time of performing heat exposure for 800 hours and 800 degreeC in air | atmosphere atmosphere is less than +/- 1.0 * 10 <-6> K < -1 >. The glass sealing material of crab. 前記ガラスマトリックスが、さらに酸化物換算のモル比でCaOおよびSrOのうちの少なくとも1種を5mol%未満の割合で含む、請求項1〜4のいずれかに記載のガラス封止材料。   The glass sealing material in any one of Claims 1-4 in which the said glass matrix contains at least 1 sort (s) of CaO and SrO in the ratio below 5 mol% further by the molar ratio of oxide conversion. 前記AlAl 2 O 3 が10mol%以上である、請求項1〜5のいずれかに記載のガラス封止材料。The glass sealing material in any one of Claims 1-5 whose is 10 mol% or more. 酸化物イオン伝導性を有するセラミックからなる部材を備えた固体酸化物形燃料電池と、
金属部材と、
前記固体酸化物形燃料電池と前記金属部材とを封止接合する封止接合部と、
を備える固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記封止接合部が請求項1〜のいずれかに記載のガラス封止材料を焼成してなる、固体酸化物形燃料電池システム。
A solid oxide fuel cell including a member made of ceramic having oxide ion conductivity;
A metal member;
A sealing joint for sealingly joining the solid oxide fuel cell and the metal member;
A solid oxide fuel cell system comprising:
The sealing joint formed by firing a glass sealing material according to any one of claims 1 to 6 solid oxide fuel cell system.
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