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JP5269621B2 - Oxygen ion conduction module and conductive bonding material - Google Patents

Oxygen ion conduction module and conductive bonding material Download PDF

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JP5269621B2 JP2009001678A JP2009001678A JP5269621B2 JP 5269621 B2 JP5269621 B2 JP 5269621B2 JP 2009001678 A JP2009001678 A JP 2009001678A JP 2009001678 A JP2009001678 A JP 2009001678A JP 5269621 B2 JP5269621 B2 JP 5269621B2
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oxygen ion permeable module in which various constitutive members are joined while holding high airtightness even in a high operation temperature region and a joining part has good conductivity, to provide a conductive joining material used for forming the joining part, and to provide a method for joining constitutive members to each other by using the joining material. <P>SOLUTION: This oxygen ion conduction module 10 includes an oxygen ion conductive ceramic material 12. The oxygen ion conductive ceramic material 12 is joined to at least one ceramic connection member 18A, B. The joining part 20 between the oxygen ion conductive ceramic material 12 and the connection member 18A, B is formed in such a state that two following components (a), (b) coexist: (a) glass in which a cristobalite crystal and/or leucite crystal are precipitated in a glass matrix; and (b) a conductive substance having at least one kind of metal element. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、酸素イオンを選択的に透過する酸素イオン伝導モジュール、および該モジュールにおける接合部を形成するための導電性接合材(シール材)に関する。   The present invention relates to an oxygen ion conductive module that selectively transmits oxygen ions, and a conductive bonding material (seal material) for forming a bonding portion in the module.

酸素イオン(典型的にはO2−;酸化物イオンとも呼ばれる。)伝導性を有する酸素イオン伝導体から成る緻密なセラミック材は、酸素イオン伝導モジュール(酸素イオン伝導装置)の基本構成部材として備えられ、一方の面に供給された酸素含有ガス(空気等)から酸素を他方の面に選択的に透過、分離することができる。 A dense ceramic material made of oxygen ion conductor having oxygen ions (typically O 2− ; also called oxide ions) is provided as a basic component of an oxygen ion conduction module (oxygen ion conduction device). Thus, oxygen can be selectively permeated and separated from the oxygen-containing gas (such as air) supplied to one surface to the other surface.

酸素イオン伝導モジュールの一典型例としては、酸素分離装置が挙げられる。かかる酸素分離装置は、酸素分離膜エレメントを備えており、該酸素分離膜エレメントは、酸素イオン伝導体を膜状に形成して成る酸素分離膜材が基材(典型的には多孔質基材)上に設けられることにより構成されている。かかる酸素分離装置は、例えば深冷分離法やPSA(Pressure Swing Adsorption)法に代わる有効な酸素精製手段として好適に使用することができる。かかる構成の酸素分離装置を構築する場合、酸素分離エレメントは、種々の部材と接合され、高温域(例えば800℃〜1000℃)下でも高い気密性を保持できる接合(シール)部を伴う形態で構築される必要がある。かかる気密性の高い接合部を形成するための接合(シール)材としては、例えばガラス材料や金属材料が検討されている。   A typical example of the oxygen ion conduction module is an oxygen separation device. Such an oxygen separation device includes an oxygen separation membrane element, and the oxygen separation membrane element is made of an oxygen separation membrane material formed by forming an oxygen ion conductor in a film shape (typically a porous substrate). ) Is provided. Such an oxygen separation device can be suitably used as an effective oxygen purification means replacing, for example, a cryogenic separation method or a PSA (Pressure Swing Adsorption) method. When constructing an oxygen separation device having such a configuration, the oxygen separation element is joined to various members and has a joint (seal) portion that can maintain high hermeticity even in a high temperature range (for example, 800 ° C. to 1000 ° C.). Need to be built. As a joining (seal) material for forming such a highly airtight joint, for example, a glass material or a metal material has been studied.

あるいはまた、酸素イオン伝導モジュールの一典型例として、固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下、単に「SOFC」ということもある。)が挙げられる。SOFCは、その基本構造(単セル)として、酸素イオン伝導体から成る緻密な固体電解質(例えば緻密膜層)の一方の面に多孔質構造の空気極(カソード)が形成され、他方の面に多孔質構造の燃料極(アノード)が形成されることにより構成されている。燃料極が形成された側の固体電解質の表面には燃料ガス(典型的にはH(水素))が供給され、空気極が形成された側の固体電解質の表面にはO(酸素)含有ガス(典型的には空気)が供給される。 Alternatively, as a typical example of the oxygen ion conduction module, there is a solid oxide fuel cell (hereinafter, also simply referred to as “SOFC”). As a basic structure (single cell), SOFC has a porous air electrode (cathode) formed on one side of a dense solid electrolyte (eg, a dense membrane layer) made of an oxygen ion conductor, and the other side. A porous fuel electrode (anode) is formed. Fuel gas (typically H 2 (hydrogen)) is supplied to the surface of the solid electrolyte on the side where the fuel electrode is formed, and O 2 (oxygen) is supplied to the surface of the solid electrolyte on the side where the air electrode is formed. A gas containing (typically air) is supplied.

SOFCは、典型的には、高い電圧を得るために複数個の単セルを重ね合わせて複層化したスタックとして運転される。かかるスタック構造のSOFCでは、単セル同士を接続するためにインターコネクタが用いられている。インターコネクタは、単セル間を物理的且つ電気的に接続すると同時に、酸化性のガス(空気等の酸素含有ガス)と還元性のガス(水素等の燃料ガス)とを分離するセパレータとしての役割も担っている。かかるインターコネクタと該インターコネクタに対向する固体電解質表面との間は、高温域下(通常800℃〜1200℃)での運転時にも高い気密性が確保されるように接合(シール)される必要がある。   The SOFC is typically operated as a stack in which a plurality of single cells are stacked to obtain a high voltage. In an SOFC having such a stack structure, an interconnector is used to connect single cells. The interconnector serves as a separator that separates the oxidizing gas (oxygen-containing gas such as air) and reducing gas (fuel gas such as hydrogen) at the same time as connecting the single cells physically and electrically. Also bears. The interconnector and the surface of the solid electrolyte facing the interconnector need to be joined (sealed) so as to ensure high airtightness even when operated in a high temperature range (usually 800 ° C. to 1200 ° C.). There is.

ところで、SOFC用の固体電解質としては、化学的安定性および機械的強度の高さにより、ジルコニア系材料(典型的にはイットリア安定化ジルコニア;YSZ)から成る固体電解質が広く用いられている。
また、上記のようなインターコネクタは、SOFCが上記のような高温域で動作することを考慮し、かかる高温下での酸化還元雰囲気における化学耐久性や導電性が高く、固体電解質材料と類似の熱膨張係数を有する等の性質を具備した材料から形成されることが好ましい。このようなインターコネクタ材料として、金属材料(例えば耐熱合金やAg(銀)系コンポジット等)またはセラミック材料が提案されている。かかるセラミック材料としては、特許文献1〜9に示されるように、種々のペロブスカイト型酸化物材料が提案されている。例えば、La1−pCrO(ここで、AはMg,Ca,Sr,Baからなる群から選ばれる少なくとも1種であり、0≦p<1である。)等のランタンクロマイト(LaCrO)系のペロブスカイト型酸化物、あるいはそのBサイトを他の元素(例えばSi,Ti,Co,NiあるいはZr)で一部置換(ドープ)したペロブスカイト型酸化物、さらにはMTiO(ここで、MはLi,Ca,Cu,Sr,Ba,La,Ce,Pb,Biからなる群から選ばれる少なくとも1種である。)等のチタネート系のペロブスカイト型酸化物等が例示される。
また、上記固体電解質とインターコネクタとの接合材料としては、かかる固体電解質材料およびインターコネクタ材料と類似の熱膨張係数を有し、SOFCの作動温度以上でも高い気密性を有して接合(シール)できる材料が好ましい。例えば、特許文献10〜16に示されるように、安定化ジルコニアとガラスの混合物、固体電解質材料とインターコネクタ材料との混合物、ガラスと金属の混合物が提案されている。
By the way, as a solid electrolyte for SOFC, a solid electrolyte made of a zirconia-based material (typically yttria-stabilized zirconia; YSZ) is widely used due to high chemical stability and mechanical strength.
In addition, the interconnector as described above has high chemical durability and conductivity in an oxidation-reduction atmosphere at such a high temperature, considering that the SOFC operates in the high temperature range as described above, and is similar to a solid electrolyte material. It is preferably formed from a material having properties such as having a thermal expansion coefficient. As such an interconnector material, a metal material (for example, a heat-resistant alloy or an Ag (silver) composite) or a ceramic material has been proposed. As such ceramic materials, various perovskite oxide materials have been proposed as shown in Patent Documents 1 to 9. For example, La 1-p A p CrO 3 ( where, A is at least one selected from the group consisting from Mg, Ca, Sr, Ba, a 0 ≦ p <1.) Such as lanthanum chromite (LaCrO 3 ) Perovskite type oxides of the system, or perovskite type oxides whose B sites are partially substituted (doped) with other elements (for example, Si, Ti, Co, Ni or Zr), and further MTiO 3 (where M is at least one selected from the group consisting of Li, Ca, Cu, Sr, Ba, La, Ce, Pb, and Bi.) And the like, and titanate-based perovskite oxides.
In addition, the joining material between the solid electrolyte and the interconnector has a thermal expansion coefficient similar to that of the solid electrolyte material and the interconnector material, and has a high hermeticity even at the SOFC operating temperature or higher (sealing). Materials that can be made are preferred. For example, as shown in Patent Documents 10 to 16, a mixture of stabilized zirconia and glass, a mixture of a solid electrolyte material and an interconnector material, and a mixture of glass and metal have been proposed.

特開平8−55629号公報JP-A-8-55629 特開平8−83620号公報JP-A-8-83620 特開平8−190922号公報JP-A-8-190922 特開平10−125340号公報JP-A-10-125340 特開平11−3720号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-3720 特開2003−288919号公報JP 2003-288919 A 特開2003−331874号公報JP 2003-331874 A 特開2006−310090号公報JP 2006-310090 A 特開2007−39279号公報JP 2007-39279 A 特開平5−330935号公報JP-A-5-330935 特開平8−134434号公報JP-A-8-134434 特開平9−129251号公報JP-A-9-129251 特開平11−154525号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-154525 特開2004−39573号公報JP 2004-39573 A 特表2008−527680号公報Special table 2008-527680 特表2008−529256号公報Special table 2008-529256

上記のように、SOFC等の酸素イオン伝導モジュールにおいて、該モジュールを構成する部材を相互に接合する接合材としては、そのモジュール構成部材の材質の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有し、該モジュールの作動温度以上でも高い気密性を保持して接合(シール)できる材料が好ましい。しかし、上述のような材料は、上記作動温度域下で溶出する等して耐熱性に乏しく、また導電性が極めて低いため、かかる材料から成る接合材を用いる量や付与する場所(面積)が限定される問題があった。 As described above, in the oxygen ion conduction module such as SOFC, the bonding material for bonding the members constituting the module to each other has a thermal expansion coefficient close to that of the material of the module component, A material that can be bonded (sealed) while maintaining high airtightness even at a temperature higher than the operating temperature of the module is preferable. However, the above-described materials have poor heat resistance due to elution under the above operating temperature range, etc., and have extremely low electrical conductivity. There was a limited problem.

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、高温の作動温度領域下でも種々の構成部材が高い気密性を長期にわたって保持して接合されるとともに、かかる接合部が良好な導電性を有する酸素イオン伝導モジュールを提供することである。また、そのような高い気密性と導電性を有する接合部を形成するために用いる導電性接合材を提供することを他の目的とする。さらに、そのような導電性接合材を用いて酸素イオン伝導モジュールの構成部材同士を接合する方法を提供することを他の目的とする。   The present invention has been made in view of such a point, and its main purpose is that various components are bonded while maintaining high airtightness over a long period of time even under a high operating temperature range. An oxygen ion conduction module having good conductivity is provided. It is another object of the present invention to provide a conductive bonding material used for forming a joint having such high airtightness and conductivity. Furthermore, it is another object to provide a method for joining constituent members of an oxygen ion conduction module using such a conductive joining material.

上記目的を実現するべく、本発明により提供される酸素イオン伝導モジュールは、酸素イオン伝導性を有するセラミック材を備えており、該酸素イオン伝導性セラミック材は、少なくとも一つのセラミック製接続部材に接合している。また、上記酸素イオン伝導モジュールにおいて、上記酸素イオン伝導性セラミック材と上記接続部材との接合部は、以下の二つの成分;
(a).クリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶がガラスマトリックス中に析出していることを特徴とするガラス;および
(b).前記接合部を電子伝導経路として機能させ得る導電性物質として、少なくとも一種の金属元素を有する金属酸化物等の金属化合物(無機化合物)
が混在して形成されている。
In order to achieve the above object, an oxygen ion conductive module provided by the present invention includes a ceramic material having oxygen ion conductivity, and the oxygen ion conductive ceramic material is bonded to at least one ceramic connecting member. doing. Moreover, in the oxygen ion conduction module, the joint between the oxygen ion conductive ceramic material and the connection member has the following two components:
(A). A glass characterized in that cristobalite crystals and / or leucite crystals are precipitated in a glass matrix; and (b). A metal compound (inorganic compound) such as a metal oxide having at least one metal element as a conductive substance capable of functioning the junction as an electron conduction path ;
Are formed together.

ここで、「酸素イオン伝導モジュール」とは、酸素イオン伝導性を有するセラミック材(酸素イオン伝導体)を基本構成部材として備えるモジュール(構成物、装置)であり、かかるセラミック材の一方の面に酸素含有ガス(空気等)を供給し、該セラミック材内を透過させる過程で上記酸素含有ガスから酸素を選択的に分離し、かかる酸素のみを上記セラミック材の他方の面に透過させるモジュール(構成物、装置)である。
本発明に係る酸素イオン伝導モジュールでは、酸素イオン伝導性セラミック材と接続部材との接合部が、(a)ガラスマトリックス中にクリストバライト結晶(SiO)および/またはリューサイト結晶(KAlSi)とが析出しているガラス(以下、「結晶含有ガラス」という。)と、(b)少なくとも一種の金属元素を有する導電性物質の二つの成分の混在により形成されている。かかる接合部が上記構成成分(a)を含む(例えばガラスマトリックス中に上記クリストバライトおよび/またはリューサイトの微細結晶が分散状態で析出される)ことにより、800℃以上の温度域、例えば800℃〜1000℃の温度領域で流動し難い。したがって、かかる酸素イオン伝導モジュールによると、該モジュールの使用温度が上記温度領域に到達しても、酸素イオン伝導性セラミック材と接続部材との接合部が溶出する虞はなく、機械的強度が向上した接合部を実現することができる。
Here, the “oxygen ion conduction module” is a module (component, device) provided with a ceramic material having oxygen ion conductivity (oxygen ion conductor) as a basic constituent member, on one surface of the ceramic material. A module (configuration in which oxygen is selectively separated from the oxygen-containing gas in the process of supplying oxygen-containing gas (air, etc.) and permeating through the ceramic material, and only oxygen is permeated to the other surface of the ceramic material. Device).
In the oxygen ion conductive module according to the present invention, the joint between the oxygen ion conductive ceramic material and the connecting member is (a) a cristobalite crystal (SiO 2 ) and / or a leucite crystal (KAlSi 2 O 6 ) in a glass matrix. Are deposited by mixing two components of glass (hereinafter referred to as “crystal-containing glass”) and (b) a conductive material having at least one metal element. Such a joint includes the above-mentioned component (a) (for example, the cristobalite and / or leucite fine crystals are precipitated in a dispersed state in the glass matrix), so that a temperature range of 800 ° C. or higher, for example, 800 ° C. to It is difficult to flow in a temperature range of 1000 ° C. Therefore, according to the oxygen ion conduction module, even when the operating temperature of the module reaches the above temperature range, there is no possibility that the joint portion between the oxygen ion conductive ceramic material and the connection member is eluted, and the mechanical strength is improved. Can be realized.

また、かかる接合部が上記構成成分(b)を含む(例えば、ガラスマトリックス中に導電性を有する状態で析出、分散される)ことにより、上記接合部は上記温度領域下で導電性を有する。したがって、かかる酸素イオン伝導モジュールによると、酸素イオン伝導性セラミック材と接続部材との接合部を、電子伝導経路として機能させることができる。すなわち、接合する箇所や接合面積を制限することなく上記酸素イオン伝導性セラミック材と接続部材とを接合し、かかる接合部において上記両部材同士の導通をとることができる。   In addition, since the joint portion contains the component (b) (for example, deposited and dispersed in the glass matrix in a conductive state), the joint portion has conductivity in the temperature range. Therefore, according to this oxygen ion conduction module, the junction between the oxygen ion conductive ceramic material and the connection member can function as an electron conduction path. That is, the oxygen ion conductive ceramic material and the connecting member can be joined without restricting the joining location and joining area, and the two members can be electrically connected to each other at the joining portion.

ここで開示される酸素イオン伝導モジュールの好ましい一態様では、上記接合部に混在するガラスは、酸化物換算の質量比で以下の組成:
SiO 60〜75質量%;
Al 10〜20質量%;
NaO 3〜10質量%;
O 5〜15質量%;
MgO 0〜 3質量%;
CaO 0〜 3質量%;
から実質的に構成されている。
かかる組成の結晶含有ガラスが混在する接合部は、接合対象の酸素イオン伝導性セラミック材および接続部材の熱膨張率(熱膨張係数)に近似した熱膨張率を有する。このため、ここで開示される上記構成の酸素イオン伝導モジュールを、高温域(例えば800℃〜1000℃)で繰り返し使用し、該使用温度域と非使用時の温度(常温)との間で昇温と降温とを繰り返しても、上記酸素イオン伝導性セラミック材と接続部材との接合部(シール部)からのガスのリークを防止し、長期にわたり高い気密性を保持することができる。したがって、かかる構成の酸素イオン伝導モジュールは、優れた耐熱性および耐久性を実現することができる。
In a preferred embodiment of the oxygen ion conduction module disclosed herein, the glass mixed in the joint portion has the following composition at a mass ratio in terms of oxide:
SiO 2 60 to 75 wt%;
Al 2 O 3 10-20% by mass;
Na 2 O 3-10% by mass;
K 2 O 5-15% by mass;
MgO 0 to 3% by mass;
CaO 0 to 3% by mass;
Is substantially composed of.
The joint where the crystal-containing glass having such a composition coexists has a thermal expansion coefficient that approximates the thermal expansion coefficient (thermal expansion coefficient) of the oxygen ion conductive ceramic material to be joined and the connection member. For this reason, the oxygen ion conduction module having the above-described configuration disclosed herein is repeatedly used in a high temperature range (for example, 800 ° C. to 1000 ° C.), and the temperature rises between the use temperature range and a temperature when not in use (room temperature). Even if the temperature and the temperature decrease are repeated, the leakage of gas from the joined portion (seal portion) between the oxygen ion conductive ceramic material and the connecting member can be prevented, and high airtightness can be maintained for a long time. Therefore, the oxygen ion conduction module having such a configuration can realize excellent heat resistance and durability.

ここで開示される酸素イオン伝導モジュールのより好ましい一態様では、上記接合部に混在する導電性物質は、Cu(銅)、Co(コバルト)、Fe(鉄)、Ni(ニッケル)、Cr(クロム)、Ir(イリジウム)、Sn(スズ)、およびNb(ニオブ)からなる群から選択される少なくとも一種の金属元素を含む化合物(例えば酸化物)である。
かかる構成の酸素イオン伝導モジュールでは、上記導電性物質として、上述のような金属元素を含む金属酸化物等の金属化合物(無機化合物)が導電性を有する状態で上記接合部に混在していることにより、かかる導電性物質は、上記高温域においても、混在する結晶含有ガラスとの反応性が低く、また該高温域でも良好な導電性を有する。したがって、かかる酸素イオン伝導モジュールによると、上記酸素イオン伝導性セラミック材と接続部材との接合部は上記高温域においても変質することなく優れた耐熱性および耐久性(長期にわたる気密性)を実現するとともに、該接合部において優れた電子伝導路として上記酸素イオン伝導性セラミック材と接続部材との間で良好な導通をとることができる。
In a more preferable aspect of the oxygen ion conduction module disclosed herein, the conductive material mixed in the joint is Cu (copper), Co (cobalt), Fe (iron), Ni (nickel), Cr (chromium). ), Ir (iridium), Sn (tin), and Nb (niobium), and a compound (for example, an oxide) containing at least one metal element selected from the group consisting of Nb (niobium).
In the oxygen ion conduction module having such a configuration, a metal compound (inorganic compound) such as a metal oxide containing a metal element as described above is mixed in the joint in the conductive state as the conductive substance. Thus, such a conductive substance has low reactivity with the mixed crystal-containing glass even in the high temperature range, and has good conductivity even in the high temperature range. Therefore, according to such an oxygen ion conductive module, the junction between the oxygen ion conductive ceramic material and the connecting member achieves excellent heat resistance and durability (long-term airtightness) without deterioration even in the high temperature range. At the same time, good conduction can be obtained between the oxygen ion conductive ceramic material and the connecting member as an excellent electron conduction path in the joint.

また、ここで開示されるいずれかの酸素イオン伝導モジュールは、固体酸化物形燃料電池(以下、単に「SOFC」ということもある。)として好適に機能する。
すなわち、SOFCとして機能する酸素イオン伝導モジュールでは、上記酸素イオン伝導性セラミック材は、ジルコニア系(例えばイットリア安定化ジルコニア(YSZ))固体電解質である。上記セラミック製接続部材は、ペロブスカイト型酸化物(例えばランタン(La)、またはクロム(Cr)の一部がアルカリ土類金属で置換された、または置換されていないランタンクロマイト系酸化物)から成るインターコネクタである。さらに、上記酸素イオン伝導性セラミック材と上記接続部材とを接合する導電性接合材は、上記インターコネクタとして作用することを特徴とする。
かかる機能を備えた酸素イオン伝導モジュールでは、上記SOFCの好適使用温度域である800℃〜1200℃(好ましくは800℃〜1000℃)の高温域において、固体電解質としての上記酸素イオン伝導性セラミック材とインターコネクタとしての接続部材との接合部は、上述したような耐熱性および耐久性に加えて優れた導電性を有し、上記インターコネクタ(の一部)として作用する。したがって、かかる酸素イオン伝導モジュールによると、接合する箇所や接合面積を制限することなく上記接合部を形成して、上記耐熱性、耐久性および導電性に優れた好適なSOFCを提供することができる。
In addition, any one of the oxygen ion conduction modules disclosed herein suitably functions as a solid oxide fuel cell (hereinafter sometimes simply referred to as “SOFC”).
That is, in the oxygen ion conductive module that functions as an SOFC, the oxygen ion conductive ceramic material is a zirconia-based (eg, yttria stabilized zirconia (YSZ)) solid electrolyte. The ceramic connecting member is made of an perovskite oxide (for example, lanthanum (La) or lanthanum chromite oxide in which a part of chromium (Cr) is substituted or not substituted with an alkaline earth metal). It is a connector. Furthermore, the conductive bonding material for bonding the oxygen ion conductive ceramic material and the connecting member functions as the interconnector.
In the oxygen ion conductive module having such a function, the oxygen ion conductive ceramic material as a solid electrolyte in a high temperature range of 800 ° C. to 1200 ° C. (preferably 800 ° C. to 1000 ° C.), which is a preferable use temperature range of the SOFC. In addition to the heat resistance and durability as described above, the joint between the connecting member and the connecting member as the interconnector has excellent conductivity and acts as a part of the interconnector. Therefore, according to such an oxygen ion conduction module, it is possible to provide a suitable SOFC excellent in heat resistance, durability, and conductivity by forming the joining portion without restricting the joining location and joining area. .

ここで開示される酸素イオン伝導モジュールのさらに好ましい一態様では、上記接合部の900℃の温度条件下での導電率が0.01S/cm〜1.5S/cmであることを特徴とする。
かかる導電率を有する接合部を備えることにより、900℃程度の高温域で使用しても良好な導電性を呈する酸素イオン伝導モジュールを提供することができる。
In a further preferred aspect of the oxygen ion conduction module disclosed herein, the electrical conductivity of the joint at a temperature of 900 ° C. is 0.01 S / cm to 1.5 S / cm.
By providing a joint having such conductivity, an oxygen ion conduction module that exhibits good conductivity even when used in a high temperature range of about 900 ° C. can be provided.

ここで開示される酸素イオン伝導モジュールのさらに好ましい一態様では、上記接合部の熱膨張係数が9×10−6/K〜14×10−6/Kであることを特徴とする。
かかる熱膨張係数(一般的な示差膨張方式(TMA)に基づく室温(25℃)〜ガラスの軟化点以下の温度(例えば450℃)の間の平均値)は、例えばYSZ等のジルコニア系材料から成る酸素イオン伝導性セラミック材およびペロブスカイト型酸化物(例えばランタンクロマイト系酸化物)から成る接続部材の熱膨張係数と近似する。これにより、接合部(シール部)の耐熱性、耐久性および導電性に優れる酸素イオン伝導モジュールを提供することができる。
In a further preferred embodiment of the oxygen ion-conducting device disclosed herein, wherein the thermal expansion coefficient of the bonding portion is 9 × 10 -6 / K~14 × 10 -6 / K.
Such a thermal expansion coefficient (average value between room temperature (25 ° C.) based on a general differential expansion method (TMA) and a temperature below the softening point of glass (for example, 450 ° C.)) is, for example, from zirconia-based materials such as YSZ. It approximates the thermal expansion coefficient of a connecting member made of an oxygen ion conductive ceramic material and a perovskite oxide (for example, lanthanum chromite oxide). Thereby, the oxygen ion conduction module which is excellent in the heat resistance of the junction part (seal part), durability, and electroconductivity can be provided.

本発明は、他の側面として、上記課題を解決する接合材を提供する。すなわち、かかる接合材は、酸素イオン伝導モジュールを構成する酸素イオン伝導性セラミック材と少なくとも一つのセラミック製接続部材とを接合するための導電性接合材である。ここで開示される導電性接合材は、SiO、Al、NaO、およびKOを必須構成成分とし、好ましくは付加的な構成成分としてMgO、CaOのうち少なくとも一つを含むガラスであってクリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶がガラスマトリックス中に析出しているガラスと、導電性物質とが混在して形成されている。特に好ましくは、
(a)酸化物換算の質量比で以下の組成:
SiO 60〜75質量%;
Al 10〜20質量%;
NaO 3〜10質量%;
O 5〜15質量%;
MgO 0〜 3質量%;
CaO 0〜 3質量%;
から実質的に構成されたガラスであって該ガラスのマトリックス中にクリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶が析出しているガラス;および
(b).少なくとも一種の金属元素を有する導電性物質
が混在して形成されている。
ここで、かかる導電性接合材の好適な一態様では、上記(a)成分および(b)成分を含む接合材原料を主成分として含むペースト状(スラリー状ともいう。)の接合材(シール材)として提供される。
かかる構成の接合材を使用することにより、上述のような良好な導電性を有した状態で上記酸素イオン伝導性セラミック材と接続部材とを接合することができるとともに、機械的強度、耐熱性および耐久性に優れた上記接合部を備えた酸素イオン伝導モジュールを提供することができる。
This invention provides the joining material which solves the said subject as another side surface. That is, the bonding material is a conductive bonding material for bonding the oxygen ion conductive ceramic material constituting the oxygen ion conductive module and at least one ceramic connecting member. The conductive bonding material disclosed herein includes SiO 2 , Al 2 O 3 , Na 2 O, and K 2 O as essential constituent components, preferably at least one of MgO and CaO as additional constituent components. A glass containing a cristobalite crystal and / or a leucite crystal precipitated in a glass matrix and a conductive substance are formed in a mixed manner. Particularly preferably,
(A) The following composition in mass ratio in terms of oxide:
SiO 2 60 to 75 wt%;
Al 2 O 3 10-20% by mass;
Na 2 O 3-10% by mass;
K 2 O 5-15% by mass;
MgO 0 to 3% by mass;
CaO 0 to 3% by mass;
A glass substantially composed of: cristobalite crystals and / or leucite crystals precipitated in a matrix of the glass; and (b). A conductive material containing at least one kind of metal element is mixed.
Here, in a preferred embodiment of the conductive bonding material, a paste-like (also referred to as slurry) bonding material (sealing material) containing as a main component a bonding material material containing the components (a) and (b). ).
By using the bonding material having such a configuration, the oxygen ion conductive ceramic material and the connecting member can be bonded in a state having good conductivity as described above, and mechanical strength, heat resistance and It is possible to provide an oxygen ion conduction module provided with the above-described joint having excellent durability.

ここで開示される導電性接合材の好ましい一態様では、上記導電性物質は、Cu、Co、Fe、Ni、Cr、Ir、Sn、およびNbからなる群から選択される少なくとも一種の金属を含む化合物である。
かかる構成の導電性接合材では、上記のような金属を含む物質(化合物)が導電性を有した状態で上記結晶含有ガラスに混在していることにより、上記高温域においても上記結晶含有ガラス(上記構成成分(a))と反応性が低く、良好な導電性を有した状態で上記酸素イオン伝導性セラミック材と接続部材とを接合することができる。このことにより、上記高温域において上記接合部を優れた電子伝導路として備える好適な酸素イオン伝導モジュールを提供することができる。特に銅(Cu)またはコバルト(Co)を金属成分として含む化合物であることが好ましい。
In a preferable aspect of the conductive bonding material disclosed herein, the conductive material includes at least one metal selected from the group consisting of Cu, Co, Fe, Ni, Cr, Ir, Sn, and Nb. A compound.
In the conductive bonding material having such a structure, the substance (compound) containing the metal as described above is mixed in the crystal-containing glass in a conductive state, so that the crystal-containing glass ( The oxygen ion conductive ceramic material and the connecting member can be bonded in a state of low reactivity with the component (a)) and good conductivity. This makes it possible to provide a suitable oxygen ion conduction module provided with the junction as an excellent electron conduction path in the high temperature range. In particular, a compound containing copper (Cu) or cobalt (Co) as a metal component is preferable.

また、ここで開示される導電性接合材の好ましい一態様では、該導電性物質の含有率が、金属元素の酸化物換算で、導電性接合材の総量を100質量%として10質量%〜90質量%である。
かかる組成の導電性接合材は、接合性能と導電性能の両立を図ることができる。このことにより、かかる態様では、接合性能に加えて導電性の向上した接合部を備えたより好適な酸素イオン伝導モジュールを提供することができる。
In a preferred embodiment of the conductive bonding material disclosed herein, the content of the conductive material is 10% by mass to 90% in terms of 100% by mass of the conductive bonding material in terms of metal element oxide. % By mass.
The conductive bonding material having such a composition can achieve both bonding performance and conductive performance. Thus, in this aspect, it is possible to provide a more preferable oxygen ion conduction module provided with a joint having improved conductivity in addition to the joining performance.

また、本発明は、酸素イオン伝導モジュールを構成する酸素イオン伝導性セラミック材と少なくとも一つのセラミック製接続部材とを接合する方法を提供する。
すなわち、本発明により提供される方法は、ここで開示されるいずれかの導電性接合材導電性接合材を用意し、該接合材を上記酸素イオン伝導性セラミック材と上記接続部材との接続部分に塗布すること、そして、該塗布された導電性接合材を、1000℃以上の温度域で焼成することによって、上記酸素イオン伝導性セラミック材と上記接続部材との上記接続部分において該導電性接合材から成るガス流通を遮断する接合部を形成すること、を包含する。
かかる構成の方法では、上記接続部分に塗布された上記導電性接合材を1000℃以上の高温域で焼成することによって、上述したような効果を奏する酸素イオン伝導モジュールを提供することができる。
したがって、本発明は他の側面として、ここで開示される導電性接合材を使用して酸素イオン伝導性セラミック材(例えばジルコニア系材料)と、少なくとも一つのセラミック(例えばランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物)製の接続部材とを、上記接合方法により接合することを特徴とする酸素イオン伝導モジュールの製造方法を提供する。ここで、上記導電性接合材の焼成温度は、酸素イオン伝導モジュールの使用温度域(例えば800℃〜1000℃)以上であることが好ましい。
The present invention also provides a method for joining an oxygen ion conductive ceramic material constituting an oxygen ion conductive module and at least one ceramic connecting member.
That is, the method provided by the present invention provides any one of the conductive bonding materials disclosed herein, and a bonding portion between the oxygen ion conductive ceramic material and the connection member. And the applied conductive bonding material is baked in a temperature range of 1000 ° C. or higher, whereby the conductive bonding is performed at the connection portion between the oxygen ion conductive ceramic material and the connection member. Forming a joint for blocking gas flow made of a material.
In the method having such a configuration, an oxygen ion conduction module having the above-described effects can be provided by firing the conductive bonding material applied to the connection portion in a high temperature range of 1000 ° C. or higher.
Accordingly, the present invention provides, as another aspect, an oxygen ion conductive ceramic material (for example, zirconia-based material) and at least one ceramic (for example, lanthanum chromite-based perovskite-type oxidation) using the conductive bonding material disclosed herein. The manufacturing method of the oxygen ion conduction module characterized by joining the connection member made from a thing) by the said joining method. Here, the firing temperature of the conductive bonding material is preferably equal to or higher than the operating temperature range (for example, 800 ° C. to 1000 ° C.) of the oxygen ion conduction module.

典型例として平板型SOFC(単セル)を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically flat type SOFC (single cell) as a typical example. 一実施例において作製した接合体(供試体)の構成を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the structure of the conjugate | zygote (sample) produced in one Example.

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項(例えば、導電性接合材を構成するガラス成分の調製方法)以外の事項であって本発明の実施に必要な事柄(原料粉末の混合方法やセラミックスの成形方法)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、本命最初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. In addition, matters other than matters specifically mentioned in the present specification (for example, a method for preparing a glass component constituting a conductive bonding material) and matters necessary for carrying out the present invention (a method for mixing raw material powders and ceramics) Can be understood as a design matter of those skilled in the art based on the prior art in this field. The present invention can be carried out on the basis of the contents first disclosed in the present invention and common technical knowledge in the field.

本発明の酸素イオン伝導モジュールは、該モジュールを構成する酸素イオン伝導性セラミック材とセラミック製接続部材との間の接合部が、(a)ガラスマトリックス中にクリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶が析出している上記結晶含有ガラスと(b)導電性物質との混材により形成されていることにより特徴づけられるものであり、その他の構成成分、例えば酸素イオン伝導性セラミック材やセラミック製接続部材の形状や組成は、種々の基準に照らして任意に決定することができる。例えば、かかる酸素イオン伝導モジュールの一典型例である酸素分離装置では、ペロブスカイト型酸化物である酸素イオン伝導性セラミック材が膜状に形成されて酸素分離膜材として作用し、該膜材と同様の組成、またはマグネシア、ジルコニア、窒化ケイ素、あるいは炭化ケイ素等を主体とする多孔質な接続部材が円筒状に形成されて、上記酸素分離膜材の基材として作用し得る。あるいはまた、酸素伝導モジュールにおける他の一典型例である燃料電池(典型的にはSOFC)では、固体電解質として所定形状に形成された酸素イオン伝導性セラミック材が、インターコネクタとしての接続部材と接合されることにより、スタックを構成し得る。   In the oxygen ion conduction module of the present invention, the joint between the oxygen ion conductive ceramic material and the ceramic connecting member constituting the module is (a) cristobalite crystal and / or leucite crystal is precipitated in the glass matrix. It is characterized by being formed by a mixed material of the above-mentioned crystal-containing glass and (b) a conductive substance, and other components such as an oxygen ion conductive ceramic material and a ceramic connecting member The shape and composition can be arbitrarily determined in light of various criteria. For example, in an oxygen separation device which is a typical example of such an oxygen ion conduction module, an oxygen ion conductive ceramic material which is a perovskite oxide is formed into a film shape and acts as an oxygen separation membrane material, and is similar to the membrane material. A porous connecting member mainly composed of magnesia, zirconia, silicon nitride, silicon carbide or the like is formed in a cylindrical shape and can act as a base material for the oxygen separation membrane material. Alternatively, in a fuel cell (typically SOFC) which is another typical example of the oxygen conduction module, an oxygen ion conductive ceramic material formed in a predetermined shape as a solid electrolyte is joined to a connecting member as an interconnector. By doing so, a stack can be configured.

ここで開示される導電性接合材は、上述のように、酸素イオン伝導モジュールを構成する酸素イオン伝導性セラミック材と少なくとも一つのセラミック製接続部材とを互いに接合するための導電性接合材であり、(a)ガラスマトリックス中にクリストバライト(SiO)結晶および/またはリューサイト(KAlSiあるいは4SiO・Al・KO)結晶が析出し得る組成のガラス組成物(結晶含有ガラス)と、(b)導電性物質とが混在して形成される。 The conductive bonding material disclosed herein is a conductive bonding material for bonding the oxygen ion conductive ceramic material constituting the oxygen ion conductive module and at least one ceramic connecting member to each other as described above. , (a) cristobalite in the glass matrix (SiO 2) crystals and / or leucite (KAlSi 2 O 6 or 4SiO 2 · Al 2 O 3 · K 2 O) glass composition having a composition crystals can precipitate (crystals containing Glass) and (b) a conductive material.

まず、上記構成成分(a)である結晶含有ガラスについて説明する。
酸素分離装置やSOFC等に代表される酸素イオン伝導モジュールを比較的高温域、例えば800〜1200℃、好ましくは800〜1000℃(例えば900〜1000℃)で使用する場合、かかる構成成分(a)として、当該高温域で溶融し難い組成のガラスが好ましい。この場合、ガラスの融点(軟化点)を上昇させる成分の添加または増加により、所望する高融点(高軟化点)を実現することができる。
このような構成成分(a)は、必須構成成分としてSiO、Al、KOを含む酸化物ガラスが好ましい。これら必須成分のほか、目的に応じて種々の成分(典型的には種々の酸化物成分)を付加的に含むことができる。
また、クリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶の析出量は、ガラス組成物中の上記必須構成成分の含有率(組成率)によって適宜調整することができる。
特に限定されないが、ガラス成分全体(クリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶部分を含む)の酸化物換算の質量比で、SiO:60〜75質量%、Al:10〜20質量%、NaO:3〜10質量%、KO:5〜15質量%、MgO:0〜3質量%、およびCaO:0〜3質量%(好ましくは0.1〜3質量%)であるものが好ましい。
First, the crystal-containing glass that is the component (a) will be described.
When an oxygen ion conduction module typified by an oxygen separator or SOFC is used in a relatively high temperature range, for example, 800 to 1200 ° C., preferably 800 to 1000 ° C. (for example, 900 to 1000 ° C.), the component (a) As such, a glass having a composition that hardly melts in the high temperature range is preferable. In this case, a desired high melting point (high softening point) can be realized by adding or increasing a component that increases the melting point (softening point) of the glass.
Such component (a) is preferably an oxide glass containing SiO 2 , Al 2 O 3 , and K 2 O as essential components. In addition to these essential components, various components (typically various oxide components) can be additionally contained depending on the purpose.
Moreover, the amount of cristobalite crystals and / or leucite crystals deposited can be appropriately adjusted depending on the content (composition ratio) of the essential constituents in the glass composition.
Is not particularly limited, the mass ratio of the oxide basis the total glass components (including cristobalite crystalline and / or leucite crystalline portion), SiO 2: 60 to 75 wt%, Al 2 O 3: 10~20 wt%, Na 2 O: 3 to 10% by mass, K 2 O: 5 to 15% by mass, MgO: 0 to 3% by mass, and CaO: 0 to 3% by mass (preferably 0.1 to 3% by mass) Is preferred.

SiOはクリストバライト結晶およびリューサイト結晶を構成する成分であり、接合部のガラス層(ガラスマトリックス)の骨格を構成する主成分である。SiO含有率が高すぎると融点(軟化点)が高くなりすぎてしまい好ましくない。一方、SiO含有率が低すぎると、クリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶析出量が少なくなるため好ましくない。また、耐水性や耐化学性が低下する。SiO含有率がガラス組成物全体の60〜75質量%であることが好ましく、65〜75%程度であることが特に好ましい。 SiO 2 is a component constituting a cristobalite crystal and a leucite crystal, and is a main component constituting the skeleton of the glass layer (glass matrix) of the joint. If the SiO 2 content is too high, the melting point (softening point) becomes too high, which is not preferable. On the other hand, if the SiO 2 content is too low, the amount of cristobalite crystals and / or leucite crystals deposited is not preferred. In addition, water resistance and chemical resistance are reduced. Preferably SiO 2 content of from 60 to 75% by weight of the total glass composition, and particularly preferably about 65% to 75%.

Alはリューサイト結晶を構成する成分であり、ガラスの流動性を制御して付着安定性に関与する成分である。Al含有率が低すぎると付着安定性が低下して均一な厚みのガラス層(ガラスマトリックス)の形成を損なう虞があるとともにリューサイト結晶析出量が少なくなるため好ましくない。一方、Al含有率が高すぎると、接合部の耐化学性を低下させる虞がある。Al含有率がガラス組成物全体の10〜20質量%であることが好ましい。 Al 2 O 3 is a component constituting a leucite crystal, and is a component involved in adhesion stability by controlling the fluidity of glass. If the Al 2 O 3 content is too low, the adhesion stability is lowered, which may impair the formation of a glass layer (glass matrix) having a uniform thickness, and the amount of leucite crystal precipitation decreases, which is not preferable. On the other hand, if the Al 2 O 3 content is too high, the chemical resistance of the joint may be lowered. It is preferable al 2 O 3 content is 10 to 20% by weight of the total glass composition.

Oはリューサイト結晶を構成する成分であり、他のアルカリ金属酸化物(典型的にはNaO)とともに熱膨張率(熱膨張係数)を高める成分である。KO含有率が低すぎるとリューサイト結晶析出量が少なくなるため好ましくない。また、KO含有率およびNaO含有率が低すぎると熱膨張率(熱膨張係数)が低くなりすぎる虞がある。一方、KO含有率およびNaO含有率が高すぎると熱膨張率(熱膨張係数)が過剰に高くなるため好ましくない。KO含有率がガラス組成物全体の5〜15質量%であることが好ましく、7〜10%程度であることが特に好ましい。また、他のアルカリ金属酸化物(典型的にはNaO)の含有率がガラス組成物全体の3〜10質量%であることが好ましい。KOとNaOの合計がガラス組成物全体の10〜20質量%であることが特に好ましい。 K 2 O is a component constituting the leucite crystal, and is a component that increases the coefficient of thermal expansion (thermal expansion coefficient) together with other alkali metal oxides (typically Na 2 O). If the K 2 O content is too low, the amount of leucite crystal precipitation is reduced, which is not preferable. Further, if the K 2 O content and the Na 2 O content are too low, the thermal expansion coefficient (thermal expansion coefficient) may be too low. On the other hand, if the K 2 O content and the Na 2 O content are too high, the thermal expansion coefficient (thermal expansion coefficient) becomes excessively high, which is not preferable. The K 2 O content is preferably 5 to 15% by mass of the entire glass composition, and particularly preferably about 7 to 10%. Further, it is preferable (typically Na 2 O) other alkali metal oxides is 3-10 wt% content of the total glass composition. It is particularly preferable that the total of K 2 O and Na 2 O is 10 to 20% by mass of the entire glass composition.

アルカリ土類金属酸化物であるMgOおよびCaOは、熱膨張係数の調整を行うことができる任意添加成分である。CaOはガラス層(ガラスフラックス)の硬度を上げて耐摩耗性を向上させ得る成分であり、MgOはガラス溶融時の粘度調整を行うことができる成分でもある。また、これらの成分を入れることによりガラスマトリックスが多成分系で構成されるため、耐化学性が向上し得る。これら酸化物のガラス組成物全体における含有率は、それぞれ、ゼロ(無添加)かあるいは3質量%以下が好ましい。例えば、MgOおよびCaOの合計量がガラス組成物全体の2質量%以下であることが好ましい。   MgO and CaO, which are alkaline earth metal oxides, are optional additives that can adjust the thermal expansion coefficient. CaO is a component that can increase the hardness of the glass layer (glass flux) and improve the wear resistance, and MgO is also a component that can adjust the viscosity during glass melting. Moreover, since a glass matrix is comprised by a multicomponent system by adding these components, chemical resistance can improve. The content of these oxides in the entire glass composition is preferably zero (no addition) or 3% by mass or less. For example, the total amount of MgO and CaO is preferably 2% by mass or less of the entire glass composition.

また、上述した酸化物成分以外の、本発明の実施において本質的ではない成分(例えばB、ZnO、LiO、Bi、SrO、SnO、SnO、CuO、CuO、TiO、ZrO、La)を種々の目的に応じて添加することができる。
好ましくは、酸素イオン伝導モジュールにおける酸素イオン伝導性セラミック材と接続部材との接合部を構成するガラスの熱膨張係数が、該酸素イオン伝導性セラミック材および接続部材の熱膨張係数に近似するように上述の各成分を調合して結晶含有ガラス(構成成分(a))を調製する。例えば酸素イオン伝導性セラミック材がYSZ等のジルコニア系材料であり、接続部材がランタンクロマイト系酸化物等のペロブスカイト型酸化物である場合には、これらの熱膨張係数に近似させて、形成される接合部の熱膨張係数(示差膨張方式(TMA)に基づく室温(25℃)〜ガラスの軟化点以下の温度(例えば450℃)の間の平均値)が9×10−6/K〜14×10−6/Kとなるように組成を調整して上記結晶含有ガラスを調製すればよい。
In addition to the above-described oxide components, components that are not essential in the practice of the present invention (for example, B 2 O 3 , ZnO, Li 2 O, Bi 2 O 3 , SrO, SnO, SnO 2 , CuO, Cu 2 O). , it can be added according to the TiO 2, ZrO 2, La 2 O 3) a variety of purposes.
Preferably, the thermal expansion coefficient of the glass constituting the joint between the oxygen ion conductive ceramic material and the connecting member in the oxygen ion conductive module approximates the thermal expansion coefficient of the oxygen ion conductive ceramic material and the connecting member. The above-mentioned components are mixed to prepare crystal-containing glass (component (a)). For example, when the oxygen ion conductive ceramic material is a zirconia material such as YSZ and the connecting member is a perovskite oxide such as a lanthanum chromite oxide, it is formed by approximating these thermal expansion coefficients. Thermal expansion coefficient (average value between room temperature (25 ° C.) based on differential expansion method (TMA) to glass softening point (for example, 450 ° C.)) of 9 × 10 −6 / K to 14 × The crystal-containing glass may be prepared by adjusting the composition so as to be 10 −6 / K.

次に、上記導電性接合材を構成する構成成分(b)について説明する。
かかる構成成分(b)である導電性物質は、上記酸素イオン伝導モジュールの使用温度域(800℃〜1200℃)下で上記結晶含有ガラスと反応しにくく、また、かかる温度域下で導電性を有するもの(すなわち、かかる温度域下で導電性を有する状態で存在し得るもの)が好ましい。このような導電性物質としては、例えば、Cu、Co、Fe、Ni、Cr、Ir、Sn、Nb等の金属元素(一種または二種以上)を含む金属化合物(一種または二種以上であってもよい。)が挙げられる。上記例示したもののうち、より好ましい金属成分(金属元素)はCuまたはCoである。
また、かかる導電性物質の含有率は、接合材に求められる接合能力(すなわち上記ガラス成分の含有率に依存する。)が具備される限りにおいて特に制限はないが、導電性物質を構成する金属元素の酸化物換算において、導電性接合材全体の質量を100質量%としたときの10質量%〜90質量%程度が好ましい。例えば、このような含有率で導電性物質を含む接合材によると、好適には、導電率が900℃の温度条件下で0.01S/cm〜1.5S/cmとなるような接合部を形成することができる。
Next, the component (b) constituting the conductive bonding material will be described.
The conductive material as the constituent component (b) does not easily react with the crystal-containing glass under the use temperature range (800 ° C. to 1200 ° C.) of the oxygen ion conduction module, and exhibits conductivity under the temperature range. What has (that is, what can exist in the state which has electroconductivity in this temperature range) is preferable. As such a conductive substance, for example, a metal compound (one type or two or more types) containing a metal element (one type or two or more types) such as Cu, Co, Fe, Ni, Cr, Ir, Sn, or Nb is used. May be included). Among those exemplified above, a more preferable metal component (metal element) is Cu or Co.
Further, the content of the conductive material is not particularly limited as long as it has the bonding ability required for the bonding material (that is, depending on the content of the glass component), but the metal constituting the conductive material. In terms of element oxide, about 10% by mass to 90% by mass when the total mass of the conductive bonding material is 100% by mass is preferable. For example, according to the bonding material containing the conductive material at such a content rate, preferably, the bonding portion having a conductivity of 0.01 S / cm to 1.5 S / cm under a temperature condition of 900 ° C. Can be formed.

上記のような組成の導電性接合材の製造方法に関して特に制限はなく、従来の結晶含有ガラス(すなわち、クリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶が析出し得る組成のガラス組成物)を製造するのと同様の方法が用いられる。典型的には、当該組成物を構成する各種酸化物成分を得るための化合物(例えば各成分を含有する酸化物、炭酸塩、硝酸塩、複合酸化物等を含む工業製品、試薬、または各種の鉱物原料)および必要に応じてそれ以外の添加物を所定の配合比で乾式または湿式のボールミル等の混合機に投入し、数〜数十時間混合する。
得られた混和物(粉末)は、乾燥後、耐火性の坩堝に入れ、適当な高温(典型的には1000℃〜1500℃)条件下で加熱・溶融させる。
There is no particular limitation on the method for producing the conductive bonding material having the above composition, and a conventional crystal-containing glass (that is, a glass composition having a composition capable of depositing cristobalite crystals and / or leucite crystals) is produced. A similar method is used. Typically, compounds for obtaining various oxide components constituting the composition (for example, industrial products, reagents, various minerals containing oxides, carbonates, nitrates, complex oxides, etc., containing each component) Raw materials) and other additives as required are charged into a mixer such as a dry or wet ball mill at a predetermined blending ratio and mixed for several to several tens of hours.
The obtained admixture (powder) is dried, placed in a refractory crucible, and heated and melted under suitable high temperature (typically 1000 ° C. to 1500 ° C.) conditions.

次いで得られたガラスを粉砕し、結晶化熱処理を行う。例えば、ガラス粉末を室温から約100℃まで約1〜5℃/分の昇温速度で加熱し、800〜1000℃の温度域で30分〜60分程度保持することにより、ガラスマトリックス中にクリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶を析出させることができる。
こうして得られたリューサイト含有ガラスは、種々の方法で所望する形態に成形することができる。例えば、ボールミルで粉砕したり、適宜篩いがけしたりすることによって、所望する平均粒径(例えば0.1μm〜10μm)の粉末状ガラス組成物(構成成分(a))を得ることができる。
Next, the obtained glass is crushed and subjected to crystallization heat treatment. For example, cristobalite is heated in the glass matrix by heating the glass powder from room temperature to about 100 ° C. at a heating rate of about 1 to 5 ° C./min and holding it in the temperature range of 800 to 1000 ° C. for about 30 to 60 minutes. Crystals and / or leucite crystals can be precipitated.
The leucite-containing glass thus obtained can be formed into a desired form by various methods. For example, a powdery glass composition (component (a)) having a desired average particle size (for example, 0.1 μm to 10 μm) can be obtained by pulverizing with a ball mill or appropriately sieving.

このようにして得られた粉末状ガラス組成物に対して、構成成分(b)である導電性物質を、所望する導電率に応じて決められた配合比で加え、次いで水を適量加えて上記と同様のボールミルを用いて混合する。その後、所定時間の乾燥処理を実施することにより、本発明に係る粉末状の導電性接合材を得ることができる。
このようにして得られた粉末状体の導電性接合材は、従来の接合材と同様に、典型的にはペースト状に調製されて、酸素イオン伝導性セラミック材と接続部材との接続部分に塗布することができる。例えば、得られた上記導電性接合材に適当なバインダーや溶媒を混合してペーストを調製することができる。なお、ペーストに用いられるバインダー、溶媒および他の成分(例えば分散剤)は、特に限定されるものではなく、ペースト製造において従来公知のものから適宜選択して用いることができる。
例えば、バインダーの好適例としてセルロースまたはその誘導体が挙げられる。具体的には、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、カルボキシエチルセルロース、カルボキシエチルメチルセルロース、セルロース、エチルセルロース、メチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、およびこれらの塩が挙げられる。バインダーは、ペースト全体の5〜20質量%の範囲で含まれることが好ましい。
To the powdery glass composition thus obtained, the conductive material as the component (b) is added at a blending ratio determined according to the desired conductivity, and then an appropriate amount of water is added to the above. Mix using the same ball mill. Thereafter, by carrying out a drying treatment for a predetermined time, the powdery conductive bonding material according to the present invention can be obtained.
The conductive bonding material of the powdery body thus obtained is typically prepared in the form of a paste, like the conventional bonding material, and is connected to the connection portion between the oxygen ion conductive ceramic material and the connection member. Can be applied. For example, a paste can be prepared by mixing an appropriate binder or solvent with the obtained conductive bonding material. In addition, the binder, solvent, and other components (for example, dispersant) used in the paste are not particularly limited, and can be appropriately selected from conventionally known ones in paste production.
For example, a suitable example of the binder includes cellulose or a derivative thereof. Specific examples include hydroxymethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, carboxymethyl cellulose, carboxyethyl cellulose, carboxyethyl methyl cellulose, cellulose, ethyl cellulose, methyl cellulose, ethyl hydroxyethyl cellulose, and salts thereof. It is preferable that a binder is contained in 5-20 mass% of the whole paste.

また、ペースト中に含まれ得る溶媒としては、例えば、エーテル系溶剤、エステル系溶剤、ケトン系溶剤、または他の有機溶剤が挙げられる。好適例としてエチレングリコールおよびジエチレングリコール誘導体、トルエン、キシレン、ターピネオール等の高沸点有機溶媒またはこれらの2種以上の組み合わせが挙げられる。ペーストにおける溶媒の含有率は、特に限定されないが、ペースト全体の1〜40質量%程度が好ましい。   Examples of the solvent that can be contained in the paste include ether solvents, ester solvents, ketone solvents, and other organic solvents. Preferable examples include ethylene glycol and diethylene glycol derivatives, high-boiling organic solvents such as toluene, xylene and terpineol, or combinations of two or more thereof. Although the content rate of the solvent in a paste is not specifically limited, About 1-40 mass% of the whole paste is preferable.

ここで開示される導電性接合材は、従来のこの種の接合材と同様に用いることができる。具体的には、接合対象である酸素イオン伝導性セラミック材と接続部材の被接合部分を相互に接触・接続し、当該接続した部分にペースト状に調製された導電性接合材を塗布する。そして、導電性接合材から成る塗布物を適当な温度(典型的には60〜100℃)で乾燥させ、次いで、1000℃以上の温度域、好ましくは酸素イオン伝導モジュールの使用温度域(例えば800〜1000℃、あるいはそれよりも高い温度域、典型的には800℃〜1200℃)よりも高い温度域であってガラスが流出しない温度域(例えば使用温度域が概ね1000℃までの場合、典型的には1000℃〜1200℃、使用温度域が概ね1200℃までの場合、典型的には1200℃〜1300℃)で焼成する。このことにより、酸素イオン伝導性セラミック材と接続部材との接続部分においてガス流通を遮断する(すなわちガスリークが無い)接合部(シール部)が形成される。かかる接合部は、上記温度域で良好な導電性を有するため、酸素イオン伝導性セラミック材と接続部材との間の電子伝導経路として機能できる。すなわち、かかる導電性接合材を用いることにより、接合する箇所や接合面積を制限することなく上記酸素イオン伝導性セラミック材と接続部材とを接合し、かかる接合部において両部材同士の導通をとることができる。   The conductive bonding material disclosed here can be used in the same manner as the conventional bonding material of this type. Specifically, the oxygen ion conductive ceramic material to be bonded and the bonded portion of the connecting member are contacted and connected to each other, and a conductive bonding material prepared in a paste form is applied to the connected portion. Then, the coated material made of the conductive bonding material is dried at an appropriate temperature (typically 60 to 100 ° C.), and then the temperature range of 1000 ° C. or higher, preferably the operating temperature range of the oxygen ion conduction module (for example, 800 ° C.). A temperature range higher than ˜1000 ° C. or higher, typically 800 ° C. to 1200 ° C., where glass does not flow out (for example, when the use temperature range is up to about 1000 ° C., typically Specifically, when the operating temperature range is approximately 1200 ° C to 1000 ° C to 1200 ° C, the firing is typically performed at 1200 ° C to 1300 ° C. This forms a joint (seal part) that blocks gas flow (that is, there is no gas leak) at the connection part between the oxygen ion conductive ceramic material and the connection member. Since this junction has good conductivity in the above temperature range, it can function as an electron conduction path between the oxygen ion conductive ceramic material and the connection member. That is, by using such a conductive bonding material, the oxygen ion conductive ceramic material and the connecting member are bonded without limiting the location and the bonding area to be bonded, and conduction between the two members is achieved at the bonded portion. Can do.

以上のような導電性接合材が用いられて形成される接合部を備えた酸素イオン伝導モジュールについて、該モジュールがSOFCとして機能する場合を例として、詳細に説明する。
かかるSOFCは、ジルコニア系固体電解質(酸素イオン伝導性セラミック材)とランタンクロマイト系酸化物から成るインターコネクタ(接続部材)との間の接合部(シール部)が上記結晶含有ガラスと上記導電性物質との混在により形成されていることで特徴づけられる。かかる以外の構成部分、例えば燃料極(アノード)や、空気極(カソード)の形状や組成は、種々の基準に照らして任意に決定することができる。
An oxygen ion conduction module having a joint formed by using the conductive joint material as described above will be described in detail by taking as an example a case where the module functions as an SOFC.
In such SOFC, the joint (sealing part) between the zirconia solid electrolyte (oxygen ion conductive ceramic material) and the interconnector (connecting member) made of lanthanum chromite oxide is used for the crystal-containing glass and the conductive substance. It is characterized by being formed by mixing. The shape and composition of other components such as the fuel electrode (anode) and the air electrode (cathode) can be arbitrarily determined in light of various standards.

ここで開示されるSOFCを構築するための固体電解質としては、酸化(空気)雰囲気および還元(燃料ガス)雰囲気のいずれにおいても酸素イオン伝導性が高く、ガス透過性の無い緻密な層を形成できる材料から構成される。この好適な材料として、ジルコニア系固体電解質が用いられる。典型的にはイットリア(Y)で安定化したジルコニア(YSZ)が用いられる。その他、好適なジルコニア系固体電解質として、カルシア(CaO)で安定化したジルコニア(CSZ)、スカンジア(Sc)で安定化したジルコニア(SSZ)、等が挙げられる。 As a solid electrolyte for constructing the SOFC disclosed herein, a dense layer having high oxygen ion conductivity and no gas permeability can be formed in both an oxidizing (air) atmosphere and a reducing (fuel gas) atmosphere. Consists of materials. As this suitable material, a zirconia-based solid electrolyte is used. Typically, zirconia (YSZ) stabilized with yttria (Y 2 O 3 ) is used. Other suitable zirconia-based solid electrolytes include zirconia (CSZ) stabilized with calcia (CaO), zirconia (SSZ) stabilized with scandia (Sc 2 O 3 ), and the like.

ここで開示されるSOFCを構築するためのインターコネクタ(セパレータ)としては、酸素供給ガス(例えば空気)と燃料ガスとを物理的に遮断し且つ電子伝導性があるランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(ランタンクロマイト系酸化物)が用いられる。
かかるランタンクロマイト系酸化物は、一般式:La(1−x)Ma(x)Cr(1−y)Mb(y)で表され、式中のMaおよびMbは同一かまたは相互に異なる1種または2種以上のアルカリ土類金属であり、xおよびyはそれぞれ0≦x<1、0≦y<1である。すなわち、かかるランタンクロマイト系酸化物は、ランタン、またはクロムの一部がアルカリ土類金属で置換されたものであってもよい。好適例として、LaCrO、あるいはMaまたはMbがカルシウム(Ca)である酸化物(ランタンカルシアクロマイト)、例えばLa0.8Ca0.2CrOが挙げられる。なお、上記一般式において酸素原子数は3であるように表示されているが、実際には組成比において酸素原子の数は3以下(典型的には3未満)であり得る。
As an interconnector (separator) for constructing the SOFC disclosed herein, a lanthanum chromite-based perovskite oxide that physically shuts off an oxygen supply gas (for example, air) and a fuel gas and has electronic conductivity (Lantan chromite oxide) is used.
Such a lanthanum chromite oxide is represented by a general formula: La (1-x) Ma (x) Cr (1-y) Mb (y) O 3 , and Ma and Mb in the formula are the same or different from each other. 1 or 2 or more types of alkaline earth metals, and x and y are 0 ≦ x <1 and 0 ≦ y <1, respectively. That is, the lanthanum chromite oxide may be lanthanum or a lanthanum oxide in which a part of chromium is substituted with an alkaline earth metal. Preferable examples include LaCrO 3 or an oxide (lanthanum calcia chromite) in which Ma or Mb is calcium (Ca), such as La 0.8 Ca 0.2 CrO 3 . In the above general formula, the number of oxygen atoms is shown to be 3, but in actuality, the number of oxygen atoms in the composition ratio may be 3 or less (typically less than 3).

ここで開示されるSOFCに備わる燃料極および空気極は、従来のSOFCと同様でよく特に制限はない。例えば、燃料極としてはニッケル(Ni)とYSZのサーメット、ルテニウム(Ru)とYSZのサーメット等が好適に採用される。空気極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が好適に採用される。これら材質から成る多孔質体をそれぞれ燃料極および空気極として使用する。 The fuel electrode and air electrode provided in the SOFC disclosed here may be the same as those of the conventional SOFC, and are not particularly limited. For example, nickel (Ni) and YSZ cermets, ruthenium (Ru) and YSZ cermets, and the like are preferably used as the fuel electrode. As the air electrode, a lanthanum cobaltate (LaCoO 3 ) -based or lanthanum manganate (LaMnO 3 ) -based perovskite oxide is preferably employed. Porous bodies made of these materials are used as a fuel electrode and an air electrode, respectively.

SOFCの単セルおよびそのスタックの製造は、従来のSOFCの単セルとスタックの製造に準じればよく、本発明のSOFCを構築するために特別な処理を必要としない。従来用いられている種々の方法により、固体電解質、空気極、燃料極およびセパレータを形成することができる。
例えば、所定の材料(例えば平均粒径0.1〜10μm程度のYSZ粉末、メチルセルロース等のバインダー、水等の溶媒)から成る成形材料を用いて押出成形等によって成形されたYSZ成形体を大気条件下で適当な温度域(例えば1300〜1600℃)で焼成し、所定形状(例えば板状または管状)の固体電解質を作製する。
その固体電解質の一方の表面に、所定の材料(例えば平均粒径0.1μm〜10μm程度の上記ペロブスカイト型酸化物粉末、メチルセルロース等のバインダー、水等の溶媒)から成る空気極形成用スラリーを塗布し、大気条件下、適当な温度域(例えば1300〜1500℃)で焼成することにより、多孔質の膜状空気極を形成する。
次いで、固体電解質の他方の表面(空気極を形成していない表面)上に、適当な方法により、大気圧プラズマ溶射法、減圧プラズマ溶射法等を用いて燃料極を形成する。例えば、プラズマによって溶融した原料粉体を固体電解質表面に吹き付けることにより上記サーメット材料から成る多孔質の膜状燃料極を形成する。
The manufacturing of the SOFC single cell and the stack thereof may be in accordance with the manufacturing of the conventional SOFC single cell and stack, and no special processing is required to construct the SOFC of the present invention. A solid electrolyte, an air electrode, a fuel electrode, and a separator can be formed by various methods conventionally used.
For example, a YSZ molded body formed by extrusion molding or the like using a molding material made of a predetermined material (for example, a YSZ powder having an average particle diameter of about 0.1 to 10 μm, a binder such as methyl cellulose, a solvent such as water) is subjected to atmospheric conditions. It calcinates in a suitable temperature range (for example, 1300-1600 degreeC) below, and produces the solid electrolyte of a predetermined shape (for example, plate shape or tubular shape).
A slurry for forming an air electrode made of a predetermined material (for example, the perovskite oxide powder having an average particle size of about 0.1 μm to 10 μm, a binder such as methyl cellulose, a solvent such as water) is applied to one surface of the solid electrolyte. Then, a porous film-like air electrode is formed by firing in an appropriate temperature range (for example, 1300 to 1500 ° C.) under atmospheric conditions.
Next, a fuel electrode is formed on the other surface of the solid electrolyte (surface not forming the air electrode) by an appropriate method using an atmospheric pressure plasma spraying method, a low pressure plasma spraying method, or the like. For example, the porous membrane fuel electrode made of the cermet material is formed by spraying the raw material powder melted by the plasma onto the surface of the solid electrolyte.

さらに、上記固体電解質と同様の方法によって所定形状のインターコネクタを作製することができる。例えば、所定の材料(例えば平均粒径0.1μm〜10μm程度のランタンクロマイト酸化物粉末、メチルセルロース等のバインダー、水等の溶媒)から成る成形材料を用いて押出成形等によって成形された成形体を大気条件下で適当な温度域(例えば1300〜1600℃)で焼成し、所定形状(例えば板状または管状)のセパレータを作製する。   Further, an interconnector having a predetermined shape can be produced by the same method as that for the solid electrolyte. For example, a molded body formed by extrusion molding or the like using a molding material made of a predetermined material (for example, a lanthanum chromite oxide powder having an average particle diameter of about 0.1 μm to 10 μm, a binder such as methyl cellulose, a solvent such as water) Firing is performed in an appropriate temperature range (for example, 1300 to 1600 ° C.) under atmospheric conditions to produce a separator having a predetermined shape (for example, a plate or a tube).

そして、本発明に係る導電性接合材を使用して、上記作製したインターコネクタを固体電解質に接合することにより、本発明に係る酸素イオン伝導モジュールの一典型例であるSOFCの単セルおよびスタックを製造することができる。例えば、図1に模式的に示されるように、SOFCの典型例として、板状の固体電解質(すなわち酸素イオン伝導性セラミック材)12の一方の面に空気極14、他方の面に燃料極16が形成され、固体電解質12に接合部(接合材)20を介して接合されたインターコネクタ(すなわち接続部材)18A,18Bを備えた燃料電池(SOFC)10を提供することができる。なお、空気極14と空気極側セパレータ18Aとの間には酸素供給ガス(典型的には空気)流路2が形成され、燃料極16と燃料極側インターコネクタ18Bとの間には燃料ガス(水素供給ガス)流路4が形成される。
なお、ここで開示されるSOFCは、SOFCを構成する単セル(例えば予め固体電解質と接合された状態のインターコネクタを含む形態の単セル構成ユニット)、あるいはSOFCを構成する単セル(典型的にはインターコネクタを含まない構成の単セル)と該単セルを構成する固体電解質と接合した状態のインターコネクタとをそれぞれ複数積層した形態のSOFCスタックを包含し得る。
Then, by using the conductive bonding material according to the present invention, by joining the produced interconnector to a solid electrolyte, a single cell and a stack of SOFC, which is a typical example of the oxygen ion conduction module according to the present invention, are obtained. Can be manufactured. For example, as schematically shown in FIG. 1, as a typical example of SOFC, an air electrode 14 is provided on one surface of a plate-shaped solid electrolyte (that is, an oxygen ion conductive ceramic material) 12, and a fuel electrode 16 is provided on the other surface. Can be provided, and a fuel cell (SOFC) 10 including interconnectors (that is, connection members) 18A and 18B joined to the solid electrolyte 12 via a joint (joining material) 20 can be provided. An oxygen supply gas (typically air) flow path 2 is formed between the air electrode 14 and the air electrode side separator 18A, and a fuel gas is provided between the fuel electrode 16 and the fuel electrode side interconnector 18B. A (hydrogen supply gas) flow path 4 is formed.
Note that the SOFC disclosed here is a single cell constituting the SOFC (for example, a single cell constituting unit including an interconnector previously joined to a solid electrolyte) or a single cell constituting the SOFC (typically Can include a SOFC stack in which a plurality of interconnectors in a state of being joined to a solid electrolyte that constitutes the single cell are stacked.

以下、本発明に関する実施例を説明するが、本発明を以下の実施例に示すものに限定することを意図したものではない。以下の実施例は、本発明によって提供される接合材の性能評価を主な目的とするため、実際のSOFCに代えて固体電解質とセパレータに相当する部材とから成る供試体を作製した。   EXAMPLES Examples relating to the present invention will be described below, but the present invention is not intended to be limited to those shown in the following examples. In the following examples, since the main purpose is to evaluate the performance of the bonding material provided by the present invention, a specimen including a solid electrolyte and a member corresponding to a separator was produced instead of the actual SOFC.

<YSZ固体電解質の作製>
3〜8mol%Y安定化ジルコニア粉末(平均粒径:約1μm)に一般的なバインダー(ここではポリビニルアルコール(PVA)を使用した。)、および溶媒(ここでは水)を添加して混練した。次いで、この混練物を用いてプレス成形を行い、縦30mm×横30mm×厚み3mm程度の板形状の成形体を得た。そして、この成形体を大気中において1400〜1600℃(ここでは最高焼成温度:約1400℃)で焼成した。焼成後、焼成物の表面を研磨し、所望の外形寸法(縦30mm×横30mm×厚み1mm)のYSZから成る薄板状固体電解質32(図2)を作製した。
<Preparation of YSZ solid electrolyte>
A general binder (here, polyvinyl alcohol (PVA) was used) and a solvent (here, water) were added to 3-8 mol% Y-stabilized zirconia powder (average particle size: about 1 μm) and kneaded. Subsequently, this kneaded product was press-molded to obtain a plate-shaped molded body having a length of about 30 mm × width of 30 mm × thickness of about 3 mm. And this molded object was baked at 1400-1600 degreeC (here maximum baking temperature: about 1400 degreeC) in air | atmosphere. After firing, the surface of the fired product was polished to produce a thin plate-like solid electrolyte 32 (FIG. 2) made of YSZ having a desired external dimension (length 30 mm × width 30 mm × thickness 1 mm).

<インターコネクタ相当部材の作製>
La0.8Ca0.2CrO粉末(平均粒径:約1μm)に一般的なバインダー(ここではポリビニルアルコール(PVA)を使用した。)、および溶媒(ここでは水)を添加して混練した。次いで、この混練物を用いてプレス成形を行い、縦30mm×横30mm×厚み3mm程度の板形状の成形体を得た。そして、この成形体を大気中において1400〜1600℃(ここでは最高焼成温度:約1400℃)で焼成した。焼成後、焼成物の表面を研磨し、所望の外形寸法(縦30mm×横30mm×厚み1mm)のランタンカルシアクロマイトから成る薄板状部材38(図2)を作製した。
<Production of interconnector equivalent member>
A general binder (here, polyvinyl alcohol (PVA) was used) and a solvent (here, water) were added to La 0.8 Ca 0.2 CrO 3 powder (average particle size: about 1 μm) and kneaded. did. Subsequently, this kneaded product was press-molded to obtain a plate-shaped molded body having a length of about 30 mm × width of 30 mm × thickness of about 3 mm. And this molded object was baked at 1400-1600 degreeC (here maximum baking temperature: about 1400 degreeC) in air | atmosphere. After firing, the surface of the fired product was polished to produce a thin plate member 38 (FIG. 2) made of lanthanum calcia chromite having a desired external dimension (length 30 mm × width 30 mm × thickness 1 mm).

<ペースト状導電性接合材の作製>
平均粒径が約1〜10μmであるSiO粉末、Al粉末、NaCO粉末、KCO粉末、MgCO粉末、CaCO粉末を、それぞれ以下の配合比、すなわち酸化物換算でSiO;60〜75質量%、Al;10〜20質量%、NaO;3〜10質量%、K;5〜15質量%、MgO;0〜3質量%;、CaO;0〜3質量%で混合し、構成成分(a)の結晶含有ガラスの原料粉末を調製した。
次いで、原料粉末を1000〜1500℃の温度域(ここでは1450℃)で溶融してガラスを形成した。その後、ガラスを粉砕し、800〜1000℃の温度域(ここでは850℃)で30分〜60分間の結晶化熱処理を行った。これにより、ガラスマトリックス中に分散するようにクリストバライト結晶および/またはリューサイトの結晶が析出した。その後、得られた結晶含有ガラスを粉砕し、分級を行って、平均粒径約2μmの粉末状の結晶含有ガラスを得た。
<Preparation of paste-like conductive bonding material>
SiO 2 powder, Al 2 O 3 powder, Na 2 CO 3 powder, K 2 CO 3 powder, MgCO 3 powder, and CaCO 3 powder having an average particle diameter of about 1 to 10 μm are respectively mixed with the following blending ratios, that is, oxides. 60-75 wt%, Al 2 O 3;; SiO 2 in terms of 10 to 20 wt%, Na 2 O; 3~10 wt%, K 2 O 3; 5~15 wt%, MgO; 0 to 3 wt% ; CaO; mixed at 0 to 3% by mass to prepare a raw material powder of the crystal-containing glass of the component (a).
Next, the raw material powder was melted in a temperature range of 1000 to 1500 ° C. (here, 1450 ° C.) to form glass. Thereafter, the glass was pulverized and subjected to a crystallization heat treatment in a temperature range of 800 to 1000 ° C. (here, 850 ° C.) for 30 to 60 minutes. As a result, cristobalite crystals and / or leucite crystals were precipitated so as to be dispersed in the glass matrix. Thereafter, the obtained crystal-containing glass was pulverized and classified to obtain a powdery crystal-containing glass having an average particle diameter of about 2 μm.

次に、金属酸化物として酸化銅(和光純薬工業株式会社製)および酸化コバルト(和光純薬工業株式会社製)を用意し、以下の表1に示されるような含有率で該金属酸化物を配合し、合計10種類のサンプル(サンプル1〜10)を作製した。また、市販の耐熱ガラス(コーニング社製耐熱ガラス(登録商標:PYREX)以下、「パイレックスガラス」という。)を用意し、かかるパイレックスガラスに上記酸化銅および酸化コバルトを表1に示される含有率でそれぞれ配合し、2種類のサンプル(サンプル12および13)を作製した。さらに、比較のために上記金属化合物を含まない上記結晶含有ガラスから成るサンプル(サンプル11)を用意した。なお、表1における「含有率」とは、接合材に含まれる導電性物質の含有率であって、導電性接合材を構成する原料粉末の総量に対する金属酸化物換算での含有率(すなわち金属酸化物としての含有率)を示す(すなわち、かかる総量に対する酸化銅(または酸化コバルト)の質量比[%]である。)
Next, copper oxide (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and cobalt oxide (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) are prepared as metal oxides, and the metal oxides are contained at the contents shown in Table 1 below. And a total of 10 types of samples (Samples 1 to 10) were prepared. Further, a commercially available heat-resistant glass (Corning heat-resistant glass (registered trademark:. PYREX) hereinafter referred to as "Pyrex glass") was prepared, the copper oxide and cobalt oxide in such a Pyrex glass content shown in Table 1 Each was blended to prepare two types of samples (Samples 12 and 13). For comparison, a sample (sample 11) made of the crystal-containing glass not containing the metal compound was prepared. The “content ratio” in Table 1 is the content ratio of the conductive substance contained in the bonding material, and the content ratio in terms of metal oxide relative to the total amount of raw material powder constituting the conductive bonding material (that is, metal Content ratio as an oxide) (that is, mass ratio [%] of copper oxide (or cobalt oxide ) to the total amount) .

次いで、上記サンプル1〜13において、各サンプル40質量部に対して、一般的なバインダー(ここではエチルセルロースを使用した。)3質量部と、溶剤(ここではターピネオールを使用した。)47質量部とを混合し、表1のサンプル1〜13に対応する計13種類のペースト状接合材を作製した。   Next, in Samples 1 to 13, 3 parts by mass of a general binder (here, ethyl cellulose was used) and 47 parts by mass of a solvent (here, terpineol was used) with respect to 40 parts by mass of each sample. A total of 13 types of paste-like bonding materials corresponding to samples 1 to 13 in Table 1 were produced.

<接合処理>
上記13種類のペーストをそれぞれ接合材として用いて接合処理を行った。具体的には、図2に示すように、上記作製した薄板状固体電解質32と同形の薄板状セパレータ相当部材38の対向する二つの側方部に上記ペースト状接合材40を塗布して張り合わせた。そして80℃で乾燥後、大気中で1000〜1100℃の温度域(ここでは1050℃)で1時間焼成した。
結果、何れのサンプルのペーストを用いた場合も当該接合材の流出を生じることなく焼成が完了し、張り合わされた両部材32,38間の対向する一対の側方部に接合部40が形成された供試体(接合体)30を得た(図2)。
ここで、上記サンプル1〜11については、室温冷却後に接合部40の溶出は認められなかった。
ここで、サンプル1〜10のペーストを使用して得られる接合部の熱膨張係数(ただし、示差膨張方式(TMA)に基づく室温(25℃)〜450℃の間の平均値))は、いずれも9×10−6/K〜14×10−6/Kの範囲内であった。なお、ここで使用したYSZ固体電解質の同条件での熱膨張係数は10.2×10−6/Kであった。また、ここで使用した上記ランタンカルシアクロマイトから成る薄板状インターコネクタ相当部材の同条件での熱膨張係数は9.7×10−6/Kであった。
<Joint treatment>
The above 13 types of pastes were used as bonding materials for bonding treatment. Specifically, as shown in FIG. 2, the paste-like bonding material 40 is applied and bonded to two opposite side portions of the thin plate-like separator-equivalent member 38 having the same shape as the produced thin plate-like solid electrolyte 32. . And after drying at 80 degreeC, it baked at 1000-1100 degreeC temperature range (here 1050 degreeC) in air | atmosphere for 1 hour.
As a result, when any sample paste is used, the firing is completed without causing the joining material to flow out, and the joining portion 40 is formed at a pair of side portions facing each other between the two members 32 and 38 bonded together. A specimen (joined body) 30 was obtained (FIG. 2).
Here, in the samples 1 to 11, the elution of the joint portion 40 was not observed after cooling at room temperature.
Here, the thermal expansion coefficient (however, an average value between room temperature (25 ° C.) and 450 ° C. based on the differential expansion method (TMA)) obtained using the pastes of samples 1 to 10 is any Was also in the range of 9 × 10 −6 / K to 14 × 10 −6 / K. The YSZ solid electrolyte used here had a thermal expansion coefficient of 10.2 × 10 −6 / K under the same conditions. The thermal expansion coefficient of the thin plate interconnector equivalent member made of the lanthanum calcia chromite used here was 9.7 × 10 −6 / K.

<ガスリーク試験>
次に、上記構築した計13種類(サンプル1〜13)の供試体(接合体)30について、接合部40からのガスリークの有無を確認するリーク試験を行った。具体的には、供試体(接合体)30の接合部40が形成されていない開口部にエポキシ樹脂でガス配管(図示せず)を封着した。そして当該ガス配管から供試体30の両部材32,38間の中空部35に空気を0.2MPa加圧した条件で供給し、その状態で供試体30を水中に沈め、水中でバブル発生の有無を目視で調べた。
この結果、ガラス成分としての結晶含有ガラスと導電性物質から構成されるサンプル1〜10、および結晶含有ガラスのみから成るサンプル11については、ガス(空気)のリークは全く観察されなかった。他方、ガラス成分としてパイレックスガラスを含有するサンプル12および13については、接合部40表面からのバブル発生、すなわち、ガス(空気)のリークが認められた。
<Gas leak test>
Next, a leak test for confirming the presence or absence of a gas leak from the joint 40 was performed on a total of 13 types (samples 1 to 13) of the specimens (joints) 30 constructed as described above. Specifically, a gas pipe (not shown) was sealed with an epoxy resin in an opening where the joint 40 of the specimen (joint) 30 was not formed. Then, air is supplied from the gas pipe to the hollow portion 35 between the members 32 and 38 of the specimen 30 under a pressure of 0.2 MPa, and the specimen 30 is submerged in the water in that state, and whether or not bubbles are generated in the water. Was examined visually.
As a result, no leakage of gas (air) was observed for Samples 1 to 10 composed of crystal-containing glass as a glass component and a conductive material, and Sample 11 composed only of crystal-containing glass. On the other hand, in Samples 12 and 13 containing Pyrex glass as a glass component, bubble generation from the surface of the joint 40, that is, gas (air) leakage was observed.

<導電率測定>
次に、粉末状の上記サンプル1〜13をそれぞれ直径3mm×高さ20mmの円柱状にプレス成形し、これらを900℃〜1100℃で焼成して各サンプル1〜13に対応する焼成体を13種類作製した。まず、上記サンプル1の表面に電極となる白金ペーストを塗布した後、該電極部分に電流端子および電圧端子を接続するための白金線を取り付けて850〜1100℃で10〜60分間焼き付け、任意の温度に調整可能な装置内で、直流四端子法で導電率[S/cm]を求めた。サンプル2〜13における導電率についても、上記と同様にして求めた。一定の温度条件(900℃)下における導電率の測定結果を表1に示す。
この結果、導電性物質が含まれるサンプル1〜10およびサンプル12、13は、いずれも導電性が認められた。また、サンプル1〜10については、酸化銅または酸化コバルトの含有率が大きくなるにつれて導電率も上昇することが確認された。この結果より、導電性物質の含有率が低い導電性接合材を用いる場合には、導電率の大きさに応じて接合部40の厚みを任意に変更し、セルの発電抵抗に悪影響を及ぼさない程度に導電率を調整することにより、好適に使用することができる。
<Conductivity measurement>
Next, the powdery samples 1 to 13 were each press-molded into a cylindrical shape having a diameter of 3 mm and a height of 20 mm, and these were fired at 900 ° C. to 1100 ° C. to obtain 13 fired bodies corresponding to the samples 1 to 13. Kinds were made. First, after applying a platinum paste serving as an electrode on the surface of the sample 1, a platinum wire for connecting a current terminal and a voltage terminal was attached to the electrode portion, and baked at 850 to 1100 ° C. for 10 to 60 minutes. Conductivity [S / cm] was determined by a DC four-terminal method in an apparatus adjustable to temperature. The conductivity in Samples 2 to 13 was also determined in the same manner as described above. Table 1 shows the measurement results of conductivity under a constant temperature condition (900 ° C.).
As a result, conductivity was recognized in all of Samples 1 to 10 and Samples 12 and 13 containing the conductive substance. Moreover, about the samples 1-10, it was confirmed that electrical conductivity also rises as the content rate of a copper oxide or a cobalt oxide becomes large. From this result, when using a conductive bonding material having a low content of conductive material, the thickness of the bonding portion 40 is arbitrarily changed according to the magnitude of the conductivity, and the power generation resistance of the cell is not adversely affected. It can be suitably used by adjusting the conductivity to the extent.

Figure 0005269621
Figure 0005269621

上述のように、本実施例によると、ジルコニア系固体電解質とランタンクロマイト系酸化物から成るインターコネクタとを、ガスリークを生じさせることのない十分な気密性を確保しつつ接合する(すなわち接合部を形成する)とともに、該接合部に導電性を与えることができる。このため、機械的強度および気密性に優れ、また上記接合部がインターコネクタの一部として作用し得る良好な導電性を有する好適なSOFC(単セル、スタック)を提供することができる。   As described above, according to the present embodiment, the zirconia solid electrolyte and the interconnector made of the lanthanum chromite oxide are joined while ensuring sufficient airtightness without causing gas leakage (that is, the joining portion is formed). In addition, conductivity can be imparted to the joint. For this reason, it is possible to provide a suitable SOFC (single cell, stack) having excellent mechanical strength and airtightness, and having good conductivity in which the joint portion can act as a part of the interconnector.

2 酸素供給ガス流路
4 燃料ガス流路
10 SOFC
12 固体電解質
14 空気極
16 燃料極
18A,18B セパレータ
20 接合材(接合部)
30 接合体(供試体)
32 固体電解質
35 中空部
38 セパレータ相当部材
40 接合材(接合部)
2 Oxygen supply gas channel 4 Fuel gas channel 10 SOFC
12 Solid Electrolyte 14 Air Electrode 16 Fuel Electrode 18A, 18B Separator 20 Bonding Material (Junction)
30 Joint (Specimen)
32 Solid electrolyte 35 Hollow part 38 Separator equivalent member 40 Joining material (joining part)

Claims (8)

酸素イオン伝導性を有するセラミック材を備える酸素イオン伝導モジュールであって、
前記酸素イオン伝導性セラミック材は、少なくとも一つのセラミック製接続部材に接合しており、
前記酸素イオン伝導性セラミック材と前記接続部材との接合部は、以下の二つの成分:
(a).クリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶がガラスマトリックス中に析出していることを特徴とするガラス;および
(b).前記接合部を電子伝導経路として機能させ得る導電性物質としてCu、Co、Fe、Ni、Cr、Ir、Sn、およびNbからなる群から選択される少なくとも一種の金属元素を有する導電性金属酸化物;
が混在して形成されており
前記導電性金属酸化物の含有率は、前記金属元素の酸化物換算で、前記ガラスおよび導電性金属酸化物の総量を100質量%として10質量%〜90質量%である、酸素イオン伝導モジュール。
An oxygen ion conduction module comprising a ceramic material having oxygen ion conductivity,
The oxygen ion conductive ceramic material is bonded to at least one ceramic connecting member,
The joint between the oxygen ion conductive ceramic material and the connecting member has the following two components:
(A). A glass characterized in that cristobalite crystals and / or leucite crystals are precipitated in a glass matrix; and (b). Conductive metal oxide having at least one metal element selected from the group consisting of Cu, Co, Fe, Ni, Cr, Ir, Sn, and Nb as a conductive substance capable of causing the junction to function as an electron conduction path ;
There are formed in a mixed manner,
The content rate of the said conductive metal oxide is an oxygen ion conduction module which is 10 mass%-90 mass% by the oxide conversion of the said metal element by making the total amount of the said glass and conductive metal oxide into 100 mass% .
前記接合部に混在するガラスは、
酸化物換算の質量比で以下の組成:
SiO 60〜75質量%;
Al 10〜20質量%;
NaO 3〜10質量%;
O 5〜15質量%;
MgO 0〜 3質量%;
CaO 0〜 3質量%;
から実質的に構成されている、請求項1に記載の酸素イオン伝導モジュール。
The glass mixed in the joint is
The following composition in mass ratio in terms of oxide:
SiO 2 60 to 75 wt%;
Al 2 O 3 10-20% by mass;
Na 2 O 3-10% by mass;
K 2 O 5-15% by mass;
MgO 0 to 3% by mass;
CaO 0 to 3% by mass;
The oxygen ion conduction module according to claim 1, substantially consisting of:
前記接合部の900℃の温度条件下での導電率が0.01S/cm〜1.5S/cmである、請求項1又は2に記載の酸素イオン伝導モジュール。 The oxygen ion conduction module according to claim 1 or 2 , wherein the electrical conductivity of the joint at a temperature of 900 ° C is 0.01 S / cm to 1.5 S / cm. 前記接合部の熱膨張係数が9×10−6/K〜14×10−6/Kである、請求項1〜のいずれかに記載の酸素イオン伝導モジュール。 Thermal expansion coefficient of the joining portion is 9 × 10 -6 / K~14 × 10 -6 / K, the oxygen ion-conducting device according to any one of claims 1-3. 酸素イオン伝導モジュールを構成する酸素イオン伝導性セラミック材と少なくとも一つのセラミック製接続部材とを接合するための導電性接合材であって、以下の二つの成分:
(a).酸化物換算の質量比で以下の組成:
SiO 60〜75質量%;
Al 10〜20質量%;
NaO 3〜10質量%;
O 5〜15質量%;
MgO 0〜 3質量%;
CaO 0〜 3質量%;
から実質的に構成されたガラスであって該ガラスのマトリックス中にクリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶が析出しているガラス;および
(b).前記酸素イオン伝導性セラミック材と前記セラミック製接続部材との接合部を電子伝導経路として機能させ得る導電性物質としてCu、Co、Fe、Ni、Cr、Ir、Sn、およびNbからなる群から選択される少なくとも一種の金属元素を有する導電性金属酸化物
が混在して形成されており
前記導電性物質の含有率は、前記金属元素の酸化物換算で、導電性接合材の総量を100質量%として10質量%〜90質量%である、導電性接合材。
A conductive bonding material for bonding an oxygen ion conductive ceramic material constituting an oxygen ion conductive module and at least one ceramic connecting member, the following two components:
(A). The following composition in mass ratio in terms of oxide:
SiO 2 60 to 75 wt%;
Al 2 O 3 10-20% by mass;
Na 2 O 3-10% by mass;
K 2 O 5-15% by mass;
MgO 0 to 3% by mass;
CaO 0 to 3% by mass;
A glass substantially composed of: cristobalite crystals and / or leucite crystals precipitated in a matrix of the glass; and (b). A conductive substance that can function a junction between the oxygen ion conductive ceramic material and the ceramic connecting member as an electron conduction path is selected from the group consisting of Cu, Co, Fe, Ni, Cr, Ir, Sn, and Nb. conductive metal oxides containing at least one metal element is formed by a mixture is,
The content rate of the said electroconductive substance is an electroconductive joining material which is 10 mass%-90 mass% by the oxide conversion of the said metal element by making the total amount of an electroconductive joining material into 100 mass% .
前記導電性物質は、CuまたはCoを金属元素として含む導電性金属酸化物である、請求項に記載の導電性接合材。 The conductive bonding material according to claim 5 , wherein the conductive substance is a conductive metal oxide containing Cu or Co as a metal element. 酸素イオン伝導モジュールを構成する酸素イオン伝導性セラミック材と少なくとも一つのセラミック製接続部材とを接合する方法であって、
請求項5又は6に記載の導電性接合材を用意し、該接合材を前記酸素イオン伝導性セラミック材と前記接続部材との接続部分に塗布すること、
前記塗布された導電性接合材を、1000℃以上の温度域で焼成することによって、前記酸素イオン伝導性セラミック材と前記接続部材との前記接続部分において該導電性接合材から成るガス流通を遮断する接合部を形成すること、
を包含する、方法。
A method of joining an oxygen ion conductive ceramic material constituting an oxygen ion conductive module and at least one ceramic connecting member,
Preparing the conductive bonding material according to claim 5 or 6 , and applying the bonding material to a connection portion between the oxygen ion conductive ceramic material and the connection member;
By firing the applied conductive bonding material in a temperature range of 1000 ° C. or higher, the gas flow composed of the conductive bonding material is blocked at the connection portion between the oxygen ion conductive ceramic material and the connection member. Forming a joining part,
Including the method.
請求項1〜のいずれかに記載の酸素イオン伝導モジュールであって、
前記酸素イオン伝導性セラミック材は、ジルコニア系固体電解質であり、
前記セラミック製接続部材は、ペロブスカイト型酸化物から成るインターコネクタであり、
前記酸素イオン伝導性セラミック材と前記接続部材とを接合する導電性接合材は、前記インターコネクタとして作用することを特徴とする、固体酸化物形燃料電池として機能する酸素イオン伝導モジュール。
The oxygen ion conduction module according to any one of claims 1 to 4 ,
The oxygen ion conductive ceramic material is a zirconia solid electrolyte,
The ceramic connecting member is an interconnector made of a perovskite oxide,
An oxygen ion conduction module functioning as a solid oxide fuel cell, wherein the conductive bonding material for bonding the oxygen ion conductive ceramic material and the connection member acts as the interconnector.
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