JPH11250924A - 導電性接合材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い導電性、強い接合力、接合部材と
の熱膨張率の近似、焼成時温度（１２００℃）での安
定性（ひび割れ等を生じない）、酸化雰囲気下でも導
電性を維持できる、という条件を低コストで得ることが
できる導電性接合材を提供する。 【解決手段】 ランタンマンガン酸化物の粉体またはプ
ラセオジミウムマンガン酸化物の粉体を用い、当該粉体
の１０〜３０％が１〜３μｍの粒径であり、当該粉体の
７０〜９０％が３〜１０μｍの粒径であると共に、ラン
タンマンガン酸化物の場合にはストロンチウムが５〜１
５ｍｏｌ％ドープされ、プラセオジミウムマンガン酸化
物の場合にはストロンチウムが１５〜２５ｍｏｌ％ドー
プされてなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、導電性接合材に関
し、特に、固体電解質燃料電池や水蒸気電解セルなどの
酸素極を他の部材に電気的に接合する場合などに適用す
ると有効なものである。

【０００２】

【従来の技術】酸素などの酸化ガスと水素などの燃料ガ
スとを電気化学的に反応させて電力を得る固体電解質燃
料電池は、図５に示すように、固体電解質１１を多孔質
の酸素極１２および燃料極１３で挟んでセルを構成し、
このセルを導電性波板１４，１５で挟むことにより酸化
ガス１０１および燃料ガス１０２の流路を形成し、さら
にインタコネクタ１６，１７で挟むことにより、各電極
１２，１３から上記波板１４，１５を介して流れる電気
をインタコネクタ１６，１７を介して外部に取り出せる
構造となっている。

【０００３】このような固体電解質燃料電池において
は、各電極１２，１３と各導電性波板１４，１５との当
接点および各導電性波板１４，１５と各インタコネクタ
１６，１７との当接点を導電性を有するように接合する
必要があるため、導電性接合材が用いられる。

【０００４】上記導電性接合材においては、高い導電
性、強い接合力、接合部材との熱膨張率の近似、
焼成時温度（１２００℃）での安定性（ひび割れ等を生
じない）、等の条件が要求され、特に、酸素極１２と導
電性波板１４との接合および当該波板１４とインタコネ
クタ１６との接合に適用されるものにおいては、さら
に、酸化雰囲気下でも導電性を維持できる、という条
件が要求されるため、白金ペーストが使用されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、白金ペ
ーストは、非常に高価であるため、コスト上昇の一因と
なっている。

【０００６】このような問題は、固体電解質燃料電池の
上記接合箇所に適用される導電性接合材に限らず、上記
燃料電池と同様な構造をなす水蒸気電解セルを始めとし
て、上述したような条件を要求される導電性接合材であ
れば、同様に生じることである。

【０００７】このようなことから、本発明は、高い導
電性、強い接合力、接合部材との熱膨張率の近似、
焼成時温度（１２００℃）での安定性（ひび割れ等を
生じない）、酸化雰囲気下でも導電性を維持できる、
という条件を低コストで得ることができる導電性接合材
を提供することを目的とした。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前述した課題を解決する
ための、第一番目の発明による導電性接合材は、ランタ
ンマンガン酸化物の粉体を用いてなることを特徴とす
る。

【０００９】第二番目の発明による導電性接合材は、プ
ラセオジミウムマンガン酸化物の粉体を用いてなること
を特徴とする。

【００１０】第一番目の発明による導電性接合材におい
て、ストロンチウムが５〜１５ｍｏｌ％ドープされてい
ることを特徴とする。

【００１１】第二番目の発明による導電性接合材におい
て、ストロンチウムが１５〜２５ｍｏｌ％ドープされて
いることを特徴とする。

【００１２】上述した導電性接合材において、前記粉体
の１０〜３０％が１〜３μｍの粒径であり、前記粉体の
７０〜９０％が３〜１０μｍの粒径であることを特徴と
する。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明による導電性接合材を固体
電解質燃料電池の酸素極側に適用する場合の実施の形態
を図１を用いて説明する。なお、図１は、その固体電解
質燃料電池の要部の概略構造を表す断面図である。ただ
し、前述した従来の技術で説明した部分と同様な部分に
ついては、前述した従来の技術の説明で用いた符号と同
様な符号を用いることにより、その説明を省略する。

【００１４】図１に示すように、酸素極１２と導電性波
板１４との当接点および当該波板１４とインタコネクタ
１６との当接点は、ランタンマンガン酸化物の粉体また
はプラセオジミウムマンガン酸化物の粉体を用いた導電
性接合材１により電気的に接合されている。

【００１５】このような導電性接合材１は、ランタンマ
ンガン酸化物の粉体またはプラセオジミウムマンガン酸
化物の粉体にブチルカルビトールやテレピン油やブタノ
ールなどのように分散性を向上させる有機溶媒（ビヒク
ル）を加え、ペースト状となるようにロールミル等で混
練することにより得ることができる。

【００１６】このようにして得られた導電性接合材１を
酸素極１２上およびインタコネクタ１６上にスクリーン
印刷法により所定箇所に均一に塗布、すなわち、スクリ
ーンの所定箇所に形成した孔から印刷（厚さ：１００〜
２００μｍ）した後、導電性波板１４を挟んで空気雰囲
気下で焼成することにより、導電性波板１４を酸素極１
２およびインタコネクタ１６に電気的に接合することが
できる。

【００１７】この導電性接合材１は、ランタンマンガン
酸化物またはプラセオジミウムマンガン酸化物を用いて
なるので、低コストでありながらも、高い導電性、
強い接合力、接合部材との熱膨張率の近似、焼成時
温度（１２００℃）での安定性（ひび割れ等を生じな
い）、酸化雰囲気下でも導電性を維持できる、という
条件を満たすことができる。

【００１８】ここで、前述した原料粉体の１０〜３０％
が１〜３μｍの粒径であり、７０〜９０％が３〜１０μ
ｍの粒径であると、導電性接合材１を緻密化することが
でき、導電性を向上させることができる。

【００１９】また、ランタンマンガン酸化物の場合にお
いてはストロンチウムを５〜１５ｍｏｌ％ドープし、プ
ラセオジミウムマンガン酸化物の場合においてはストロ
ンチウムを１５〜２５ｍｏｌ％ドープすると、導電性接
合材１の導電性がさらに向上するため、より好ましい結
果を得ることができる。

【００２０】なお、本実施の形態では、固体電解質燃料
電池の酸素極側の接合に適用する場合について説明した
が、これに限らず、当該燃料電池と同様な構造をなす水
蒸気電解セルを始めとして、上述したような条件を要求
される場合であれば、本実施の形態の場合と同様にして
適用することができる。

【００２１】

【実施例】本発明による導電性接合材の効果を確認する
ため、次のような確認試験を行った。

【００２２】［確認試験１：粒度と焼き付け性との関
係］固体電解質燃料電池での使用を考えた場合、燃料電
池の作動温度が約１０００℃であるため、導電性接着剤
は、１０００℃で安定している必要がある。また、燃料
電池の組み立て時の最高温度（焼結時）が約１２００℃
であるため、１２００℃程度で焼き付く必要がある。ラ
ンタンマンガン酸化物は、その粒度により焼き付け性が
異なるため、適切な粒度の粉体を使用する必要がある。

【００２３】そこで、ランタンマンガン酸化物（組成：
Ｌａ_0.9 Ｓｒ_0.1 ＭｎＯ₃ ）の各種粒径の粉体（平均粒
径：０．５，１．０，２．０，３．０，４．０，５．０
μｍの計６タイプ）をビヒクル（ブチルカルビトール）
とそれぞれ混練してペースト状とした後、インタコネク
タと導電性波板との当接点に塗布して焼結（温度：１２
００℃）した。

【００２４】その結果、粒径が０．５μｍの場合には、
焼結が進行し過ぎてひび割れてしまったものの、粒径が
１．０μｍ以上の場合には、ひび割れ等を生じることな
くインタコネクタと導電性波板とが良好に接合した。

【００２５】よって、粒径が１．０μｍ以上であれば、
良好な焼き付け性を得られることが確認できた。

【００２６】［確認試験２：微粒と粗粒との混合比と導
電率との関係］プラセオジミウムマンガン酸化物の所定
の粒度の微粒（粒径：１〜３μｍ，平均粒径：２μｍ）
と粗粒（粒径：３〜１０μｍ，平均粒径６μｍ）とを所
定の比率で混合し、成形した後に焼結して得られたサン
プルの導電率をそれぞれ求めた。その結果を図２に示
す。

【００２７】図２からわかるように、微粒の割合が１０
〜３０％であり、粗粒の割合が７０〜９０％であると、
導電率が２００Ｓ／ｃｍ以上となり、高導電性を示し
た。

【００２８】よって、微粒の割合が１０〜３０％であ
り、粗粒の割合が７０〜９０％であれば、導電性接合材
の導電率を向上させることができる。

【００２９】［確認試験３：ストロンチウムのドープ量
と熱膨張係数および導電率との関係］ ＜サンプル製作＞ ランタンマンガン酸化物 ランタンマンガン酸化物にストロンチウムを所定量
（０，５，１０，２０，３０，４０％の計６タイプ）ド
ープして混合した後、角棒型（サイズ：５×５×３０ｍ
ｍ）にプレス成形して焼結（１４００℃×４時間）する
ことによりサンプルをそれぞれ製造した。

【００３０】プラセオジミウムマンガン酸化物 上述したランタンマンガン酸化物に代えてプラセオジミ
ウムマンガン酸化物を用い、上述と同様にすることによ
りサンプルをそれぞれ製作した。

【００３１】＜試験方法＞ 熱膨張係数 得られたサンプルを２０ｍｍの長さにそれぞれ切断し、
示差式熱膨張計により、室温から１２００℃まで昇温
（速度：１０℃／ｍｉｎ）し、１０００℃までの平均熱
膨張係数をそれぞれ求めた。

【００３２】導電率 得られたサンプルの１０００℃の導電率を直流四端子法
によりそれぞれ求めた。

【００３３】＜試験結果＞ ランタンマンガン酸化物 結果を図３に示す。図３からわかるように、ストロンチ
ウムのドープ量が多くなると、導電率が大きくなると共
に熱膨張係数も大きくなる。ここで、固体電解質燃料電
池の酸化極側の導電性接着剤として適用することを考え
ると、ベースとなるＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニ
ア）と問題なく接合できる熱膨張係数にする必要があ
る。

【００３４】よって、ランタンマンガン酸化物を用いる
場合には、ストロンチウムを５〜１５ｍｏｌ％ドープす
ると、剥離やひび割れ等の問題を生じることなく導電性
をさらに向上できるといえる。

【００３５】プラセオジミウムマンガン酸化物 結果を図４に示す。図４からわかるように、ストロンチ
ウムのドープ量が多くなると、ランタンマンガン酸化物
の場合と同様に、導電率が大きくなると共に熱膨張係数
も大きくなる。ここで、固体電解質燃料電池の酸化極側
の導電性接着剤として適用することを考えると、ランタ
ンマンガン酸化物の場合と同様に、ベースとなるＹＳＺ
（イットリア安定化ジルコニア）と問題なく接合できる
熱膨張係数にする必要がある。

【００３６】よって、プラセオジミウムマンガン酸化物
を用いる場合には、ストロンチウムを１５〜２５ｍｏｌ
％ドープすると、剥離やひび割れ等の問題を生じること
なく導電性をさらに向上できるといえる。

【００３７】

【発明の効果】第一番目の発明による導電性接合材は、
ランタンマンガン酸化物の粉体を用いてなるので、低コ
ストでありながらも、高い導電性、強い接合力、
接合部材との熱膨張率の近似、焼成時温度（１２００
℃）での安定性（ひび割れ等を生じない）、酸化雰囲
気下でも導電性を維持できる、という条件を満たすこと
ができる。このため、例えば、固体電解質燃料電池の酸
素極側の接合に適用することができ、固体電解質燃料電
池のコストを大幅に低減することができる。

【００３８】第二番目の発明による導電性接合材は、プ
ラセオジミウムマンガン酸化物の粉体を用いてなるの
で、低コストでありながらも、高い導電性、強い接
合力、接合部材との熱膨張率の近似、焼成時温度
（１２００℃）での安定性（ひび割れ等を生じない）、
酸化雰囲気下でも導電性を維持できる、という条件を
満たすことができる。このため、例えば、固体電解質燃
料電池の酸素極側の接合に適用することができ、固体電
解質燃料電池のコストを大幅に低減することができる。

【００３９】また、第一番目の発明による導電性接合材
において、ストロンチウムを５〜１５ｍｏｌ％ドープす
ると、例えば、固体電解質燃料電池の酸素極側の接合に
適用した場合、ベースとなるＹＳＺと問題なく接合でき
る熱膨張係数にしながらも、導電性を向上させることが
できるので、剥離やひび割れ等の問題を生じることなく
導電性をさらに向上させることができる。

【００４０】また、第二番目の発明による導電性接合材
において、ストロンチウムを１５〜２５ｍｏｌ％ドープ
すると、例えば、固体電解質燃料電池の酸素極側の接合
に適用した場合、ベースとなるＹＳＺと問題なく接合で
きる熱膨張係数にしながらも、導電性を向上させること
ができるので、剥離やひび割れ等の問題を生じることな
く導電性をさらに向上させることができる。

【００４１】また、上述した導電性接合材において、前
記粉体の１０〜３０％が１〜３μｍの粒径であり、前記
粉体の７０〜９０％が３〜１０μｍの粒径であると、緻
密化することができるので、導電性を向上させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による導電性接合材を固体電解質燃料電
池の酸素極側に適用した場合の実施の形態の要部の概略
構造を表す断面図である。

【図２】プラセオジミウムマンガン酸化物における粒径
の混合比率と導電率との関係を表すグラフである。

【図３】ランタンマンガン酸化物におけるストロンチウ
ムのドープ量と熱膨張係数および導電率との関係を表す
グラフである。

【図４】プラセオジミウムマンガン酸化物におけるスト
ロンチウムのドープ量と熱膨張係数および導電率との関
係を表すグラフである。

【図５】固体電解質燃料電池の要部の構造を表す分解斜
視図である。

【符号の説明】

１ 導電性接合材 １１ 固体電解質 １２ 酸素極 １３ 燃料極 １４，１５ 導電性波板 １６，１７ インタコネクタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松平 恒昭 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１ 号 三菱重工業株式会社神戸造船所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ランタンマンガン酸化物の粉体を用いて
   なることを特徴とする導電性接合材。
2. 【請求項２】 プラセオジミウムマンガン酸化物の粉体
   を用いてなることを特徴とする導電性接合材。
3. 【請求項３】 ストロンチウムが５〜１５ｍｏｌ％ドー
   プされていることを特徴とする請求項１に記載の導電性
   接合材。
4. 【請求項４】 ストロンチウムが１５〜２５ｍｏｌ％ド
   ープされていることを特徴とする請求項２に記載の導電
   性接合材。
5. 【請求項５】 前記粉体の１０〜３０％が１〜３μｍの
   粒径であり、前記粉体の７０〜９０％が３〜１０μｍの
   粒径であることを特徴とする請求項１から４のいずれか
   に記載の導電性接合材。