JP7183104B2 - 封止用グリーンシート - Google Patents
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Description
SiO2 17~78mol%;
RO 3~47mol%;
Al2O3 2~15mol%;
Y2O3 0~10mol%;
B2O3 0~16mol%;
R’2O 0~16mol%;
(ここで、RはMg,Ca,Zn,Ba,Srからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含み、R’はLi,K,Naからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含む)から実質的に構成される。かかる組成のガラス粉末は、比較的に低温の焼成処理でも好適に融着固化するため、緻密なガス封止部を容易に形成することができる。
ここに開示される封止用グリーンシートは、SOFCのガス封止部の形成に用いられる。具体的には、SOFCにおける2つ以上の被封止部材(例えばガス管と燃料極)の間に、ここに開示される封止用グリーンシートを貼り付けて焼成処理を行うことによって、ガラスを主成分とした緻密なガス封止部を形成し、当該複数の被封止部材を封止接合することができる。
ここに開示される封止用グリーンシートは、必須成分として、ガラス粉末と、水系溶媒と、水系バインダと、可塑剤とを含んでいる。以下、各成分について説明する。
ガラス粉末は、封止用グリーンシートの主成分であり、焼成処理によって融着固化してガス封止部を形成する。かかるガラス粉末は、本発明の効果が発揮される範囲において従来公知のものを特に制限なく使用できる。例えば、ガラス粉末は、一般的な非晶質ガラスの他に、結晶を含んだ結晶化ガラスであってもよい。また、ガラス粉末の成分についても特に限定されない。例えば、SiO2-RO(Rは、例えばMg、Ca、Zn、Ba、Srを表す。以下同じ。)系ガラス、SiO2-R’2O(R’は、例えばLi、K、Naを表す。以下同じ。)系ガラス、SiO2-RO-Al2O3系ガラス、SiO2-RO-Bi2O3系ガラス、SiO2-RO-Y2O3系ガラス、SiO2-RO-B2O3系ガラス、SiO2-Al2O3系ガラス、SiO2-ZnO系ガラス、SiO2-ZrO2系ガラス、RO-R’2O系ガラス、RO系ガラス等が挙げられる。また、上述した成分以外に、鉛系ガラス、鉛リチウム系ガラス、ホウケイ酸系ガラス等を用いることもできる。なお、ガラス粉末は、上述のガラス成分の他に1つまたは2つ以上の成分を含んでもよい。また、上述のガラス成分の1種が単独で用いられていても良く、2種以上が混合されていても良い。
SiO2 17~78mol%
RO 3~47mol%
Al2O3 2~15mol%
Y2O3 0~10mol%
B2O3 0~16mol%
R’2O 0~14mol%
一方、上記ガラス粒子間の隙間をより好適に小さくするという観点から、ガラス粉末のD90粒径は、50μm以上が好ましく、55μm以上がより好ましく、60μm以上がさらに好ましく、70μm以上が特に好ましい。また、ガラス粒子の溶融不良によるガス封止部の強度低下を抑制するという観点から、ガラス粉末のD90粒径の上限は、100μm以下が好ましく、95μm以下がより好ましく、85μm以下がさらに好ましく、80μm以下が特に好ましい。
ここに開示される封止用グリーンシートは、溶媒として水系溶媒を含む水系グリーンシートである。かかる水系溶媒としては、イオン交換水(脱イオン水)、純水、超純水、蒸留水等を好ましく用いることができる。なお、水系溶媒は、本発明の効果を損なわない範囲において、水と均一に混合し得る非水系溶媒(低級アルコール、低級ケトン等)を必要に応じて含有してもよい。この場合、水系溶媒の95体積%以上が水であることが好ましく、99体積%以上が水であることがより好ましい。
バインダは、グリーンシート中の各成分を結着してシートの形状一体性を高める成分である。ここに開示される封止用グリーンシートでは、水系溶媒が用いられているため、当該水系溶媒に好適に分散される水系バインダが用いられる。かかる水系バインダは、親水基であるカルボキシ基を有する樹脂材料である。水系溶媒への分散性を考慮すると、カルボキシ基は、樹脂材料の側鎖および末端の少なくとも一方に付与されていると好ましい。
可塑剤は、封止用グリーンシートに、強度、柔軟性、保湿性を付与し、シート成形性や保管性を高める成分である。ここに開示される可塑剤は、3価以上のアルコールおよびポリエーテルの少なくとも一方を含む。これらの樹脂材料は、水系溶媒に分散させた場合でも、グリーンシートに好適な強度と柔軟性を付与することができるため、シート成形時の成形不良や破損を好適に防止できる。3価以上のアルコールの好適例として、ジグリセリン、トリグリセリン、テトラグリセリンなどのポリグリセリンや、グリセリン、トリメチロールメタン、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、アルビトール、ソルビトール、キシロース、アラビノース、グルコース、ガラクトース、ソルボース、フルクトース、パラチノース、マルトトリオース、マレジトース等が挙げられる。また、ポリエーテルの好適例として、ポリオキシエチレンポリグリセリルエーテル、ポリオキシプロピレンポリグリセリルエーテル等が挙げられる。これらのなかでも、グリセリンやポリオキシエチレンポリグリセリルエーテルは、特に好適な強度、柔軟性を付与できると共に、好適な保湿性を付与することもできるため、成形後のグリーンシートの保管性の観点からも好ましい。
上記したように、ガラス封止部の緻密性(焼成処理後の相対密度)は、脱脂処理後のグリーンシートに水系バインダが残留することによって大きく低下する。これに対して、ここに開示されるグリーンシートでは、400℃での加熱処理後の重量減少率が76%以上となる樹脂材料を水系バインダとして選定し、脱脂処理後の水系バインダの残留を防止している。しかし、焼成処理後のガラスの相対密度は、上述した水系バインダの残留以外に、ガラス粉末の成分、ガラス粉末の粒径、その他の任意成分(フィラーや焼結助剤等)の添加量等の種々の要因によって変化し得る。ここに開示される技術は、これらの他の要因を調整することを排除する意図はない。すなわち、加熱処理後の重量減少率が76%以上の樹脂材料を水系バインダとして選定して脱脂処理後の水系バインダの残留を防止した上で、他の要因の調整をして焼成処理後の緻密性をさらに向上させた場合も、ここに開示される封止用グリーンシートの好ましい一態様として包含される。
以下、封止用グリーンシートを作製する方法の一例を説明する。以下の説明は、ここに開示される封止用グリーンシートを限定することを意図するものではない。
ここに開示される封止用グリーンシートは、同種部材間または異種部材間の電気的・物理的な封止接合に好適に用いられる。かかる封止接合の接合対象としては、金属部材やセラミック部材などの無機部材が挙げられる。すなわち、ここに開示される封止用グリーンシートは、金属部材同士の封止接合、セラミック部材同士の封止接合、セラミック部材と金属部材との封止接合などに使用され得る。
上記金属部材の具体例としては、SOFCの単セルにガスを供給するためのガス管や、SOFCの単セル間に配置され、該単セル同士を電気的に接続するインターコネクタなどが挙げられる。金属部材の材質としては、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などが挙げられる。これらの金属部材の熱膨張係数は、10×10-6K-1~15×10-6K-1程度であり得る。
一方、セラミック部材の具体例としては、SOFCの燃料極や空気極、インターコネクタなどが挙げられる。セラミック部材の材質としては、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、安定化ジルコニアなどが挙げられる。セラミック部材は、いずれか1種のセラミックの単体であっても良いし、2種以上のセラミックが複合化された複合材料(例えば、ムライト、ステアタイト、アルミナジルコニアなど)であっても良い。これらのセラミック部材の熱膨張係数は、6×10-6K-1~8×10-6K-1程度であり得る。
かかるガス封止部の形成における脱脂処理では、大気雰囲気において、上記水系バインダおよび可塑剤の焼失温度よりも高温、かつ、ガラス粉末のガラス転移温度よりも低温の温度域で封止用グリーンシートを加熱する。これによって、水系バインダや可塑剤等の有機物が除去される。この脱脂処理における温度は、300℃以上が好ましく、350℃以上がより好ましい。一方、脱脂処理における加熱温度の上限は、550℃以下が好ましく、500℃以下がより好ましく、480℃以下がさらに好ましく、450℃以下が特に好ましい。なお、ここに開示される封止用グリーンシートの緻密性向上効果を適切に発揮させるという観点では、脱脂処理における加熱温度を400℃に設定することが好ましい。
次に、ここに開示される封止用グリーンシートを用いて作製された固体酸化物形燃料電池(SOFC)システムについて説明する。図1は、固体酸化物形燃料電池システムを模式的に示す断面図である。
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。
本試験においては、水系グリーンシートの成形における成形不良や破損を好適に防止できる可塑剤を調べた。
(1)サンプル1
ガラス粉末100wt%に対して、アクリル系バインダ(東亜合成、AS-2000)を12wt%、水を250wt%添加して得られたスラリーをポットミルで24時間混錬した。次に、スプレードライ法を用いて、上記スラリーから粒径30μm程度の造粒粉を作製した(サンプル1)。なお、本試験では、以下の組成を有するSiO2-RO-Al2O3系ガラスをガラス粉末に使用した。
SiO2 :73mol%
CaO :4mol%
Al2O3 : 7mol%
Li2O : 2mol%
K2O :14mol%
可塑剤を4.8wt%添加したことを除いて、サンプル1と同じ条件で造粒粉を作製した。なお、サンプル2~9の各々で可塑剤に使用した成分を異ならせた。各サンプルで使用した可塑剤を表1に示す。なお、表1では、便宜上、ポリオキシエチレンポリグリセリルエーテルを「POEPGE」と表示する。
(1)成形性評価
各サンプルの造粒粉を加圧成形することによって、封止用グリーンシート(厚さ:1.0mm、幅:200mm、長さ:400mm)を作製した。なお、造粒粉の加圧成形では、ロール成形装置を使用してロール成形を行った。そして、成形直後のグリーンシートを目視にて観察し、各サンプルの成形性を評価した。具体的には、シート成形ができなかった場合や、50mm分成形した後でもシート端部からシートの幅方向に沿った20mm以上のひび割れが生じた場合を「×」と評価した。また、50mm分成形した後に上記ひび割れがないシートが成形された場合を「○」と評価し、50mm分成形する前にひび割れのないシートが成形された場合を「◎」と評価した。評価結果を表1に示す。
成形性評価において「○」以上の評価が得られたサンプルに対して、保管性評価を行った。この評価では、成形したグリーンシートのひび割れが生じていない部分から直径16mmの試験片を採集し、25℃の環境下で10日間保管した後に試験片の表面状態を観察した。さらに、保管後の試験片を種々の曲率半径(R)で巻き付け、試験片の端部から20mm以上のひび割れが生じた際の曲率半径(R)を調べることによって保管後の柔軟性を調べた。そして、巻きつけ前のシート表面にひび割れが生じている場合や曲率半径(R)が100の場合でもひび割れが生じたものを「×」と評価した。また、曲率半径(R)が100の場合にひび割れが生じなかったものを「○」と評価し、曲率半径(R)が90の場合でもひび割れが生じなかったものを「◎」と評価した。評価結果を表1に示す。
本試験では可塑剤の好適な添加量を調べた。
(1)サンプル10~15
表2に示すように、可塑剤(グリセリン)の添加量を異ならせた5種類の造粒粉を作製した(サンプル10~14)。さらに、平均分子量が1500のポリオキシエチレンポリグリセリルエーテルを可塑剤として4.8wt%添加した造粒粉を作製した(サンプル15)。なお、可塑剤を除く各成分は、上記第1の試験のサンプル1と同じ成分にした。
第1の試験と同様の手順に従って封止用グリーンシートを成形し、成形性評価と保管性評価を行った。評価結果を表2に示す。
本試験では、焼成後のガスリークを防止できる緻密なガス封止部を形成できる封止用グリーンシートについて調べた。
本試験では、先ず、9種類の水系バインダ(バインダA~H)を準備した。そして、各バインダを10g採集し、試験用サンプルとして電気炉に収容した。その後、400℃、大気雰囲気の条件で2時間加熱処理を行い、加熱後のバインダの重量を測定した。そして、加熱前後の重量変化に基づいて、大気雰囲気下における400℃の加熱処理後の重量減少率を求めた。結果を表3に示す。なお、各々の水系バインダ(バインダA~H)の詳細は以下のとおりである。
[バインダA~Hの詳細]
バインダA:ジャパンコーティングレジン株式会社製 アクリル系バインダ(ESZ-4366-02)
バインダB:ジャパンコーティングレジン株式会社製 アクリル系バインダ(SA-200)
バインダC:ジャパンコーティングレジン株式会社製 アクリル系バインダ(SA-203)
バインダD:東亞合成株式会社製 アクリル系バインダ(AS-1800)
バインダE:東亞合成株式会社製 アクリル系バインダ(AS-2000)
バインダF:三洋化成工業株式会社製 ポリエーテル系バインダ(メルポールF-220)
バインダG:三洋化成工業株式会社製 ポリエーテル系バインダ(PEG1000)
バインダH:三洋化成工業株式会社製 ポリエーテル系バインダ(PEG10000)
(1)サンプル16
サンプル16では、加熱処理後の重量減少率が52%であるバインダAを水系バインダとして使用した。そして、ガラス粉末100wt%に対して、バインダAを17wt%、可塑剤(グリセリン)を4.8wt%、水を250wt%添加し得られたスラリーをポットミルで24時間混錬した。そして、スプレードライ法を用いて粒径30μm程度の造粒粉を作製した。なお、ガラス粉末の組成は以下のとおりである。
SiO2 :73mol%
CaO : 4mol%
Al2O3 : 7mol%
Li2O : 2mol%
K2O :14mol%
水系バインダの種類、添加量、可塑剤の種類を異ならせた点を除いてサンプル16と同じ条件で、造粒粉の作製、シートの成形、脱脂処理、焼成処理を順次行い、脱脂後の重量減少割合(%)と焼成後の相対密度(%)を求めた。各サンプルの詳細を表4に示す。
(1)成形性評価
上述した第1の試験と同様の評価基準で成形性評価を行った。評価結果を表4に示す。
ここでは、各サンプルの封止用グリーンシートを用いてガス封止部を形成し、当該ガス封止部のガス封止性を評価した。具体的には、まず、各サンプルの封止用グリーンシートから直径16mmの円板状の試験片を採集した。そして、ドーナツ状の測定用治具を準備し、当該治具の中央の開口部を塞ぐように円板状の試験片を貼り付けた後、脱脂処理と焼成処理を実施してガス封止部を形成した。なお、脱脂処理は、上記「脱脂後の重量減少割合」の測定で行った脱脂処理と同じ条件に設定し、焼成処理は、「焼成後の相対密度(%)」の測定で行った焼成処理と同じ条件に設定した。
10 単セル
12 燃料極(アノード)
13、15 燃料極の端部
14 固体電解質層
16 空気極(カソード)
20 ガス管
100 SOFCシステム
Claims (8)
- 固体酸化物形燃料電池のガス封止部の形成に用いられる封止用グリーンシートであって、
ガラス粉末と、水系溶媒と、カルボキシ基を有する樹脂材料を含む水系バインダと、可塑剤と、を含有し、
前記水系バインダの樹脂材料として、400℃の大気雰囲気における加熱処理後の重量減少率が76%以上である樹脂材料が用いられており、
前記可塑剤は、3価以上のアルコールおよびポリエーテルの少なくとも一方であり、かつ、平均分子量が1500以下の樹脂材料を含み、前記ガラス粉末の重量を100wt%としたときの添加量が1wt%以上4.8wt%以下である、封止用グリーンシート。 - 前記水系バインダは、アクリル樹脂またはポリエーテル樹脂であり、側鎖および末端の少なくとも一方にカルボキシ基を有している、請求項1に記載の封止用グリーンシート。
- 前記水系バインダは、ガラス転移温度が10℃以上80℃以下の樹脂材料である、請求項1または2に記載の封止用グリーンシート。
- 前記ガラス粉末の重量を100wt%としたときの前記水系バインダの重量が7wt%以上27wt%以下である、請求項1~3のいずれか一項に記載の封止用グリーンシート。
- 前記ガラス粉末は、体積基準の粒度分布において、粒径の小さい方から累積50個数%に相当するD50粒径が3μm以上20μm以下であり、かつ、粒径の小さい方から累積90個数%に相当するD90粒径が50μm以上100μmである、請求項1~4のいずれか一項に記載の封止用グリーンシート。
- 前記ガラス粉末は、酸化物換算の質量比で以下の組成:
SiO2 17~78mol%;
RO 3~47mol%;
Al2O3 2~15mol%;
Y2O3 0~10mol%;
B2O3 0~16mol%;
R’2O 0~16mol%;
(ここで、RはMg,Ca,Zn,Ba,Srからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含み、R’はLi,K,Naからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含む)から実質的に構成される、請求項1~5のいずれか一項に記載の封止用グリーンシート。 - 前記ガラス粉末のガラス転移温度が550℃以上である、請求項1~6のいずれか一項に記載の封止用グリーンシート。
- JIS K7161に準拠した引張強度が0.22MPa以上0.53MPa以下である、請求項1~7のいずれか一項に記載の封止用グリーンシート。
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