JP2008034179A - Jointing material, jointing member, jointing method, and solid electrolyte fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体電解質型燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」と記載する。）や水蒸気電解セル等の電極と他の構造部材を電気的に接合する場合に用いられる接合材、これを用いた接合部材および接合方法、ならびにこの接合部材を有するＳＯＦＣに関する。また、本発明は、ＳＯＦＣにおいて、各種昇温パターンでも使用できる接合材、特に、燃料側電極と他の構造部材との接合に使用する接合材、これを用いた接合部材および接合方法、ならびにこの接合部材を有するＳＯＦＣに関する。 The present invention relates to a bonding material used when an electrode such as a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as “SOFC”) or a steam electrolysis cell and other structural members are electrically bonded, and bonding using the same. The present invention relates to a member, a joining method, and an SOFC having the joining member. Further, the present invention provides a joining material that can be used in various temperature rising patterns in SOFC, particularly a joining material used for joining a fuel side electrode and another structural member, a joining member and a joining method using the joining material, and this The present invention relates to an SOFC having a joining member.
ＳＯＦＣの一般的な構成としては、図２に示すものが知られている。発電膜１は、イットリア安定化ジルコニア２とその両面に形成された電極３ａ、３ｂから構成される。発電膜１の片側には電極接続用波板４ａ、インターコネクタ５ａが形成され、他の片側には電極接続用波板４ｂ、インターコネクタ５ｂが形成されている。こうした構成のＳＯＦＣにおいて、インターコネクタ５ａと電気接続用波板４ａとの間、電気接続用波板４ａと電極３ａとの間、電極３ｂと電極接続用波板４ｂとの間、電気接続用波板４ｂとインターコネクタ５ｂとの間には、一般に導電性接合部材が用いられている。
As a general configuration of the SOFC, one shown in FIG. 2 is known. The
他のＳＯＦＣの要部の一般的な構成として、図３に示すものが知られている。発電膜１２は、イットリア安定化ジルコニアの固体電解質膜１４と、その両面に形成された燃料側電極１３と空気側電極１５とから構成され、ディンプル状の形状をしている。発電膜１２の燃料側電極１３の側には、燃料側電極１３と電気的に接続されたインターコネクタ１７が設けられ、発電膜１２の空気側電極１５の側には、空気側電極１５と電気的に接続されたインターコネクタ１７が設けられている。こうした構成のＳＯＦＣにおいては、インターコネクタ１７と燃料側電極１３との間、インターコネクタ１７と空気側電極１５との間に一般的に導電性接合部材１１、１６が用いられている。
As a general configuration of the main part of another SOFC, the one shown in FIG. 3 is known. The
前記図２および図３に示した構成のＳＯＦＣにおいて、前記導電性接合部材は一般に、電極と他の構成部材との間に配置されたペースト状の接合材を焼結することにより形成される。ＳＯＦＣでは、一般的に約１０００℃の作動温度にて発電が行われるため、導電性接合部材にもこの温度に耐える耐熱性が要求される。
ところで、一般的に低温で各部材間を電気的に接合する場合は、前記接合材として銀ペーストや白金ペーストが知られている。ここで、銀ペーストは銀の電気抵抗が低く、導電性接着剤として一般的に使用されている。しかし、銀の融点は約９６０℃であり、上記ＳＯＦＣのように１０００℃で発電するものには使用できない。また、白金ペーストの場合は１０００℃でも使用可能であるが、コスト高になるという問題点がある。
In the SOFC having the configuration shown in FIGS. 2 and 3, the conductive joining member is generally formed by sintering a paste-like joining material disposed between an electrode and another constituent member. In SOFC, since power generation is generally performed at an operating temperature of about 1000 ° C., the conductive joining member is also required to have heat resistance that can withstand this temperature.
By the way, generally, when electrically joining members at low temperatures, silver paste or platinum paste is known as the joining material. Here, the silver paste has a low electric resistance of silver and is generally used as a conductive adhesive. However, the melting point of silver is about 960 ° C., and it cannot be used for the power generation at 1000 ° C. like the SOFC. In the case of platinum paste, it can be used even at 1000 ° C., but there is a problem that the cost is increased.
そこで、酸化ニッケルと酸化鉄と酸化チタンを含む接合材が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
さらに、酸化ニッケルと酸化鉄とビヒクルとを含む導電性接合材であって、酸化ニッケルと酸化鉄の合計１００重量部のうち、７０〜９０重量部が酸化ニッケルであり、１０〜３０重量部が酸化鉄であり、該酸化ニッケルの３０〜７０重量％を金属ニッケルで置換した接合材が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
Thus, a bonding material containing nickel oxide, iron oxide, and titanium oxide has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
Furthermore, it is a conductive bonding material containing nickel oxide, iron oxide and vehicle, and 70 to 90 parts by weight is nickel oxide and 10 to 30 parts by weight is a total of 100 parts by weight of nickel oxide and iron oxide. There has been proposed a bonding material that is iron oxide, in which 30 to 70% by weight of the nickel oxide is replaced with metallic nickel (see, for example, Patent Document 2).
上述のＳＯＦＣは、定格運転時には自らの発熱により上記作動温度を維持し、定格運転を継続する（熱自立する）ことができる。しかし、ＳＯＦＣの起動の際には、外部から高温熱源で昇温する必要がある。昇温は、空気、窒素、水素又は酸素を数パーセント添加した窒素等の雰囲気における各種昇温パターンで行われる。 The above-mentioned SOFC can maintain the operating temperature by its own heat generation during rated operation, and can continue the rated operation (thermal independence). However, when starting up the SOFC, it is necessary to raise the temperature from the outside with a high-temperature heat source. The temperature rise is performed in various temperature rise patterns in an atmosphere such as nitrogen to which several percent of air, nitrogen, hydrogen, or oxygen is added.
前記特許文献１に記載の接合材は、焼結後の接合強度が十分ではなく、上記各種昇温パターンで昇温した際に割れや剥離を生じることがあった。また、この接合材より得られた導電性部材は、ＳＯＦＣ運転において導電性が十分ではなく、上記各種昇温パターンにおいて昇温した際に、より高い導電性を有することが望まれていた。
前記特許文献２に記載の接合材は、熱処理時の熱収縮が小さく、接合強度に優れているものの、金属ニッケルが高価であるため、コスト高の問題は解消しない。
また、発電膜等のＳＯＦＣの他の部材の焼結温度の低温化にともない、接合材の焼結温度の低温化が課題となっており、現状より低い温度での焼結性が求められている。
The bonding material described in
Although the bonding material described in
In addition, as the sintering temperature of other SOFC members such as power generation membranes has decreased, the sintering temperature of bonding materials has become a problem, and sinterability at lower temperatures than the current situation is required. Yes.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、高い導電性と優れた接合強度の耐久性を有する接合部材を形成するために用いられる接合材、これを用いた接合部材および接合方法、ならびにこの接合部材を有するＳＯＦＣを提供することを目的とする。
また本発明は、低い温度でも十分な焼結性を有する接合材、これを用いた接合部材および接合方法、ならびにこの接合部材を有するＳＯＦＣを提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of such circumstances, a bonding material used for forming a bonding member having high conductivity and durability with excellent bonding strength, a bonding member using the bonding material, and It is an object of the present invention to provide a joining method and an SOFC having the joining member.
It is another object of the present invention to provide a bonding material having sufficient sinterability even at a low temperature, a bonding member and a bonding method using the bonding material, and an SOFC having the bonding member.
上記課題を解決するために、本発明は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる接合材は、ＮｉＯおよびＦｅ２Ｏ３からなるベース材料を含む接合材であって、前記ベース材料１００重量部のうち、５０重量部以上９０重量部以下がＮｉＯであり、１０重量部以上５０重量部以下がＦｅ２Ｏ３であり、かつ前記ベース材料１００重量部のうち、５重量部以上３０重量部以下が粒径０．１μｍ以上１μｍ以下の微粒である。好ましくは、前記ベース材料１００重量部のうち、７０重量部以上９５重量部以下が粒径３μｍ以上１０μｍ以下の中粒である。
この接合材は、焼結して接合部材を形成した際に、高い導電性と優れた接合強度の耐久性を有する。またこの接合材は、低い温度でも十分な焼結性を有する。
In order to solve the above problems, the present invention employs the following means.
That is, the bonding material according to the present invention is a bonding material including a base material composed of NiO and Fe 2 O 3 , and 50 parts by weight or more and 90 parts by weight or less of 100 parts by weight of the base material is NiO. 10 parts by weight or more and 50 parts by weight or less is Fe 2 O 3 , and among 100 parts by weight of the base material, 5 parts by weight or more and 30 parts by weight or less are fine particles having a particle diameter of 0.1 μm or more and 1 μm or less. Preferably, 70 parts by weight or more and 95 parts by weight or less of 100 parts by weight of the base material are medium grains having a particle size of 3 μm or more and 10 μm or less.
This bonding material has high conductivity and excellent bonding strength durability when sintered to form a bonding member. Further, this bonding material has sufficient sinterability even at a low temperature.
上記本発明の接合材は、ビヒクルを含むことが望ましい。
ビヒクルは、接合材を焼結する際に蒸発し、焼結後の接合部材中には残留しない原料であるが、ビヒクルを用いることにより接合材のベース材料をペースト状にし、取り扱いを容易にすることができる。
The bonding material of the present invention preferably includes a vehicle.
The vehicle is a raw material that evaporates when the bonding material is sintered and does not remain in the sintered bonding member. By using the vehicle, the base material of the bonding material is made into a paste to facilitate handling. be able to.
本発明の接合部材は、複数の部材間に配置された上記本発明の接合材を、１１００℃以上１３００℃以下の焼き付け温度で、１時間以上２０時間以下の焼き付け時間で焼き付けて得られたものである。
この接合部材は、高い導電性と優れた接合強度の耐久性を有する。
The bonding member of the present invention is obtained by baking the bonding material of the present invention arranged between a plurality of members at a baking temperature of 1100 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower and a baking time of 1 hour or longer and 20 hours or shorter. It is.
This joining member has durability of high conductivity and excellent joining strength.
本発明の接合方法は、上記本発明の接合材を複数の部材間に配置する工程と、該接合材を１１００℃以上１３００℃以下の焼き付け温度、１時間以上２０時間以下の焼き付け時間で焼き付ける工程とを有する。
この接合方法によれば、低温の焼き付け温度でも高い導電性と優れた接合強度の耐久性を有する接合が可能となる。
The bonding method of the present invention includes a step of arranging the bonding material of the present invention between a plurality of members, and a step of baking the bonding material at a baking temperature of 1100 ° C. to 1300 ° C. for a baking time of 1 hour to 20 hours. And have.
According to this bonding method, it is possible to perform bonding having high conductivity and durability with excellent bonding strength even at a low baking temperature.
上記本発明の接合方法において、前記複数の部材間に配置した接合材の厚さを５０μｍ以上４５０μｍ以下とすることが好ましい。
接合材の厚さを上記範囲とすることで、高い乾燥接合強度および焼結後接合強度が得られる。
In the above-described bonding method of the present invention, it is preferable that the thickness of the bonding material disposed between the plurality of members is 50 μm or more and 450 μm or less.
By setting the thickness of the bonding material within the above range, high dry bonding strength and post-sintering bonding strength can be obtained.
本発明のＳＯＦＣは、複数の部材と、該複数の部材間を接合する上記本発明の接合部材とを有する。前記接合部材は、好ましくは燃料を流通する空間に配される。また、好ましくは前記複数の部材の少なくとも一つは燃料側電極である。
このＳＯＦＣは、接合部分の導電性と接合強度に優れた耐久性のあるＳＯＦＣとなる。
The SOFC of the present invention has a plurality of members and the joining member of the present invention that joins the plurality of members. The joining member is preferably arranged in a space through which fuel flows. Preferably, at least one of the plurality of members is a fuel side electrode.
This SOFC is a durable SOFC excellent in the conductivity and bonding strength of the bonded portion.
本発明によれば、高い導電性と優れた接合強度の耐久性を有する接合部材を形成するために用いられる接合材、これを用いた接合部材および接合方法、ならびにこの接合部材を有するＳＯＦＣを提供することができる。さらに本発明によれば、低い温度でも十分な焼結性を有する接合材、これを用いた接合部材および接合方法、ならびにこの接合部材を有するＳＯＦＣを提供することができる。 According to the present invention, a bonding material used for forming a bonding member having high conductivity and durability of excellent bonding strength, a bonding member and a bonding method using the bonding material, and an SOFC having the bonding member are provided. can do. Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide a bonding material having sufficient sinterability even at a low temperature, a bonding member and a bonding method using the same, and an SOFC having the bonding member.
以下に、本発明の実施形態について、図１から図３を用いて説明する。
本発明の実施形態に係る接合材は、ＮｉＯとＦｅ２Ｏ３とからなるベース材料を含む。本発明の実施形態で用いるＮｉＯおよびＦｅ２Ｏ３は、特に限定されず通常使用されるものを用いることができる。本発明の実施形態に係る接合材は、ベース材料（ＮｉＯおよびＦｅ２Ｏ３）を１００重量部とすると、５０重量部以上９０重量部以下がＮｉＯであり、１０重量部以上５０重量部以下がＦｅ２Ｏ３である。ＮｉＯが９０重量部より多く、Ｆｅ２Ｏ３が１０重量部より少ないと、焼結力が弱い。また、ＮｉＯが５０重量部より少なく、Ｆｅ２Ｏ３が５０重量部より多いと、焼結が進みすぎる。より好ましくは、６５重量部以上９０重量部以下がＮｉＯであり、１０重量部以上３５重量部以下がＦｅ２Ｏ３である。約８０重量部をＮｉＯ、約２０重量部をＦｅ２Ｏ３とするのが最も好ましい。
金属ニッケルは高価であり、コスト高となるので、この接合材には含まれないことが好ましい。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 3.
The bonding material according to the embodiment of the present invention includes a base material made of NiO and Fe 2 O 3 . NiO and Fe 2 O 3 used in the embodiment of the present invention are not particularly limited, and those usually used can be used. In the bonding material according to the embodiment of the present invention, when the base material (NiO and Fe 2 O 3 ) is 100 parts by weight, 50 to 90 parts by weight is NiO, and 10 to 50 parts by weight. Fe 2 O 3 . When NiO is more than 90 parts by weight and Fe 2 O 3 is less than 10 parts by weight, the sintering force is weak. On the other hand, if NiO is less than 50 parts by weight and Fe 2 O 3 is more than 50 parts by weight, sintering proceeds too much. More preferably, 65 parts by weight or more and 90 parts by weight or less is NiO, and 10 parts by weight or more and 35 parts by weight or less are Fe 2 O 3 . Most preferably, about 80 parts by weight NiO and about 20 parts by weight Fe 2 O 3 .
Since nickel metal is expensive and expensive, it is preferable not to be included in this bonding material.
本発明の実施形態に係る接合材において、前記ベース材料１００重量部のうち、７０重量部以上９５重量部以下が粒径３μｍ以上１０μｍ以下の中粒であり、５重量部以上３０重量部以下が粒径０．１μｍ以上１μｍ以下の微粒である。
上記粒径範囲の中粒は、接合材を焼き付けて得られる接合部材において構造材となる役割を有し、また上記粒径範囲の微粒は、接合材の焼結性（低温での接着性）を向上する役割を有すると考えられる。
前記中粒が７０重量部より少なく、前記微粒が３０重量部より多いと、接合材を焼き付ける際の熱収縮が大きくなり、割れや剥離等の欠陥を生じやすくなるので好ましくない。また、前記中粒が９５重量部より多く、前記微粒が５重量部より少ないと、焼結性、すなわち低温での接着性の向上が見込めないので好ましくない。より好ましくは、７５重量部以上９０重量部以下が中粒であり、１０重量部以上２５重量部以下が微粒である。約８０重量部を中粒、約２０重量部を微粒とするのが最も好ましい。
前記ベース材料は、ＮｉＯおよびＦｅ２Ｏ３を上記の割合で混合してから焼結した後に粉砕し、上記所定の割合の中粒および微粒とすることにより得られる。
In the bonding material according to the embodiment of the present invention, of 100 parts by weight of the base material, 70 parts by weight or more and 95 parts by weight or less are medium grains having a particle size of 3 μm or more and 10 μm or less, and 5 parts by weight or more and 30 parts by weight or less. Fine particles having a particle size of 0.1 μm or more and 1 μm or less.
Medium grains in the above particle size range have a role as a structural material in the bonding member obtained by baking the bonding material, and fine particles in the above particle diameter range are sinterability of the bonding material (adhesion at low temperature). It is thought that it has a role to improve.
If the amount of the medium grains is less than 70 parts by weight and the amount of the fine particles is more than 30 parts by weight, thermal shrinkage during baking of the bonding material increases, and defects such as cracking and peeling are liable to occur. On the other hand, it is not preferable that the medium grain is more than 95 parts by weight and the fine grain is less than 5 parts by weight because improvement of sinterability, that is, adhesion at low temperatures cannot be expected. More preferably, 75 parts by weight or more and 90 parts by weight or less are medium grains, and 10 parts by weight or more and 25 parts by weight or less are fine grains. Most preferably, about 80 parts by weight are medium grains and about 20 parts by weight are fine grains.
The base material can be obtained by mixing NiO and Fe 2 O 3 in the above proportions, sintering and then pulverizing them into the above-mentioned predetermined proportion of medium grains and fine grains.
本発明の実施形態に係る接合材は、上記ベース材料をビヒクルを用いてペースト状にしたものである。ビヒクルは、粉体を分散できるものであれば特に限定されないが、好ましくは、ブチルカルビトール、テレピン油、ブタノール等が挙げられ、特に好ましくはブチルカルビトールである。ビヒクルの添加量は、ビヒクルの種類によって異なるが、ベース材料を１００重量部とすると、３０重量部以上５０重量部以下添加することが好ましい。 The bonding material according to the embodiment of the present invention is obtained by pasting the base material using a vehicle. The vehicle is not particularly limited as long as it can disperse the powder, but preferably includes butyl carbitol, turpentine oil, butanol and the like, and particularly preferably butyl carbitol. The addition amount of the vehicle varies depending on the type of the vehicle, but when the base material is 100 parts by weight, it is preferable to add 30 parts by weight or more and 50 parts by weight or less.
本発明の実施形態に係る接合材は、例えば、図２に示す構成のＳＯＦＣにおいて、燃料（水素）を流通する側の前記インターコネクタ５ａと電気接続用波板４ａとの間、燃料を流通する側の電気接続用波板４ａと電極３ａとの間、酸素（空気）を流通する側の電極３ｂと電極接続用波板４ｂとの間、酸素を流通する側の電気接続用波板４ｂとインターコネクタ５ｂとの間に用いることができる。但し、本実施形態に係る接合材は、焼結して接合部材とされた後に、還元することにより導電性となるので、還元雰囲気である燃料を流通する側の前記インターコネクタ５ａと電気接続用波板４ａとの間、燃料を流通する側の電気接続用波板４ａと電極３ａとの間において用いることが好ましい。
For example, in the SOFC having the configuration shown in FIG. 2, the bonding material according to the embodiment of the present invention distributes fuel between the interconnector 5a on the side through which fuel (hydrogen) flows and the
本発明の実施形態に係る接合材の使用例を図１に示す。発電膜２１は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）２２とその両面に形成された酸化ニッケルとＹＳＺの混合物である燃料側電極２３ａ、酸素側電極２３ｂから構成される。発電膜２１の片側には本発明の接合材２４を介して電極接続用波板２５が形成されている。なお、ＳＯＦＣ全体の構成は、図２に示すような構成とする。
An example of use of the bonding material according to the embodiment of the present invention is shown in FIG. The
本発明の実施形態に係る接合材の塗布方法は、公知の方法が用いられ、例えばスクリーンプリント法が挙げられる。例えば、インターコネクタと電極接続用波板をスクリーンプリント法で接合する場合には、ペースト状の接合材を、スクリーンにあいた穴から印刷するスクリーンプリントの方法により、インターコネクタの平板上に５０μｍ以上４５０μｍ以下、より好ましくは２００μｍ以上３００μｍ以下の厚さに均一に塗布し、接続用波板を載せて、空気中で熱処理を行う。接合材の塗布厚さを上記範囲とすることで、乾燥後接合強度および焼結後接合強度を高くすることができる。熱処理は、２００℃までにビヒクルが蒸発するが、その後さらにＳＯＦＣの作業温度を考慮して１０００℃以上、好ましくは１１００℃以上１３００℃以下の温度で熱処理して焼結させる。本実施形態によれば、１２５０℃以下、さらには１２００℃以下の熱処理温度でも、還元後に接続抵抗が低抵抗となり、剥離も生じにくい接続部材を形成することができる。従って、低温焼結により、コスト高となる高温対応用以外の接合対象が広がり、より耐久性があり、コストダウンを図ったＳＯＦＣの製造が可能となる。本実施形態によれば、例えばＮｉＯを８０重量部、Ｆｅ２Ｏ３を２０重量部とし、中粒を８０重量部、微粒を２０重量部とした場合、１１００℃の低熱処理温度でも、１時間〜５時間の熱処理時間で焼結が可能であり、焼結して得られた接合部材は還元後の接続抵抗が低抵抗となり、剥離も生じない。 As a method for applying the bonding material according to the embodiment of the present invention, a known method is used, for example, a screen printing method. For example, when the interconnector and the corrugated plate for electrode connection are joined by the screen printing method, a paste-like joining material is printed on the flat plate of the interconnector by a screen printing method by printing from a hole in the screen. Hereinafter, more preferably, the coating is uniformly applied to a thickness of 200 μm or more and 300 μm or less, a corrugated plate for connection is placed, and heat treatment is performed in air. By setting the coating thickness of the bonding material within the above range, the bonding strength after drying and the bonding strength after sintering can be increased. In the heat treatment, the vehicle evaporates by 200 ° C. After that, the heat treatment is further performed at a temperature of 1000 ° C. or higher, preferably 1100 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower in consideration of the working temperature of SOFC. According to this embodiment, even at a heat treatment temperature of 1250 ° C. or lower, further 1200 ° C. or lower, it is possible to form a connection member whose connection resistance becomes low after reduction and hardly peels off. Therefore, the low temperature sintering expands the range of joining objects other than those for high temperature, which is costly, and makes it possible to manufacture SOFCs that are more durable and reduce costs. According to this embodiment, for example, when NiO is 80 parts by weight, Fe 2 O 3 is 20 parts by weight, medium grains are 80 parts by weight, and fine grains are 20 parts by weight, even at a low heat treatment temperature of 1100 ° C. for 1 hour Sintering is possible in a heat treatment time of ˜5 hours, and the joined member obtained by sintering has a low connection resistance after reduction, and no peeling occurs.
なお、本発明の実施形態に係る接合材は、図３に示したディンプル形状の発電膜１２を有するＳＯＦＣにおいて、インターコネクタ１７と燃料側電極１３との間、インターコネクタ１７と空気側電極１５との間に用いることもできる。この場合の接合材の塗布および熱処理は、上記図２に示したＳＯＦＣの場合と同様に行うことができる。但し、本実施形態に係る接合材は、焼結して接合部材とされた後に、還元することにより導電性となるので、還元雰囲気であるインターコネクタ１７と燃料側電極１３との間において用いることが好ましい。
In the SOFC having the dimple-shaped
上記のように本実施形態の接合材を焼結して得られた接合部材は、還元後に接続抵抗が低抵抗となり、導電性となる。
上記のようにして製造された本実施形態のＳＯＦＣは、定格運転時には自らの発熱により上記作動温度を維持し、定格運転を継続する（熱自立する）ことができるが、ＳＯＦＣの起動の際には、外部から高温熱源で昇温する必要がある。昇温は、空気、窒素、水素又は酸素を数パーセント添加した窒素等の雰囲気における各種昇温パターンで、運転温度である約１０００℃に達するまで行われる。本実施形態による接合部材は、いずれの昇温パターンにおいても、割れや剥離等の欠陥を生じることがなく、優れた接合強度の耐久性を備えたものとなる。また、本実施形態による接合部材は、いずれの昇温パターンを経た場合でも、高い導電性を示す。
As described above, the joining member obtained by sintering the joining material of the present embodiment has a low connection resistance after reduction and becomes conductive.
The SOFC of this embodiment manufactured as described above can maintain the above operating temperature by its own heat generation during rated operation and can continue the rated operation (thermal self-sustained). Needs to be heated from the outside with a high-temperature heat source. The temperature rise is performed in various temperature rise patterns in an atmosphere such as nitrogen to which several percent of air, nitrogen, hydrogen, or oxygen is added until the operating temperature reaches about 1000 ° C. The joining member according to the present embodiment does not cause defects such as cracking and peeling in any temperature rising pattern, and has excellent joining strength durability. In addition, the joining member according to the present embodiment exhibits high conductivity even when any temperature rising pattern is passed.
（実施例）
以下、本発明を実施例に基づき説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
実験例１
ＮｉＯおよびＦｅ２Ｏ３を、表１に示す組成で混合した後に焼結したものを、粉砕、分級し、粒径３μｍ以上１０μｍ以下の中粒と、粒径０．１μｍ以上１μｍ以下の微粒とを得た。中粒８０重量部および微粒２０重量部からなるベース材料と、ビヒクル（混合溶媒）としてのブチルカルビトールとを、アルミナ製３本ロールミルを用いて混練し、ペースト状としたものを試作接合材とした。ＳＯＦＣ用のインターコネクタと電極接続用波板を模擬した平板と波板を用意し、平板に表１に示す組成の試作接合材をスクリーンプリント法で厚さ約３００μｍ塗布した後に波板と接着し、乾燥後、空気雰囲気中１１５０℃で１時間保持して焼き付けを行った。次に１００％Ｈ２雰囲気中１０００℃で３時間還元処理を行った。このようにして得たサンプルについて、接合強度および導電性を検証した。結果を表１に示す。接合強度の評価において、「○」は接合強度が良好なもの、「△」は接合強度がまずまずのもの、「×」は接合が劣るものである。また、導電性の評価において、「○」は０．４Ω以下であり、×は０．４Ωより大きい場合である。
(Example)
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated based on an Example, this invention is not limited to this.
Experimental example 1
NiO and Fe 2 O 3 mixed with the composition shown in Table 1 and then sintered are pulverized and classified, medium particles having a particle size of 3 μm to 10 μm, fine particles having a particle size of 0.1 μm to 1 μm, Got. A base material composed of 80 parts by weight of medium grains and 20 parts by weight of fine grains and butyl carbitol as a vehicle (mixed solvent) were kneaded using a three-roll mill made of alumina, and a paste was obtained as a prototype joining material. did. Prepare a flat plate and a corrugated plate simulating an SOFC interconnector and electrode connecting corrugated plate, and apply a trial bonding material having the composition shown in Table 1 to the flat plate with a thickness of about 300 μm by screen printing, and then bond it to the corrugated plate. After drying, baking was carried out by holding at 1150 ° C. for 1 hour in an air atmosphere. Next, reduction treatment was performed at 1000 ° C. for 3 hours in a 100% H 2 atmosphere. The sample obtained in this manner was verified for bonding strength and conductivity. The results are shown in Table 1. In the evaluation of the bonding strength, “◯” indicates that the bonding strength is good, “Δ” indicates that the bonding strength is reasonable, and “×” indicates that the bonding is inferior. In the evaluation of conductivity, “◯” is 0.4Ω or less, and “×” is greater than 0.4Ω.
実験例２
８０重量部のＮｉＯおよび２０重量部のＦｅ２Ｏ３を混合した後に焼結したものを、粉砕、分級し、粒径３μｍ以上１０μｍ以下の中粒と、粒径０．１μｍ以上１μｍ以下の微粒とを得た。表２に示す割合で中粒および微粒を混合してベース材料とし、このベース材料と、ビヒクル（混合溶媒）としてのブチルカルビトールとを、アルミナ製３本ロールミルを用いて混練し、ペースト状としたものを試作接合材とした。ＳＯＦＣ用のインターコネクタと接続用波板を模擬した平板と波板を用意し、平板に表２に示す混合比の試作接合材をスクリーンプリント法で厚さ約３００μｍ塗布した後に波板と接着し、乾燥後、空気雰囲気中１１５０℃で１時間保持して焼き付けを行った。次に１００％Ｈ２雰囲気中１０００℃で３時間還元処理を行った。このようにして得たサンプルについて、接合強度および導電性を検証した。結果を表２に示す。接合強度の評価において、「○」は接合強度が良好なもの、「△」は接合強度がまずまずのもの、「×」は接合が劣るものである。また、導電性の評価において、「○」は０．４Ω以下であり、×は０．４Ωより大きい場合である。
Experimental example 2
What was sintered after mixing 80 parts by weight of NiO and 20 parts by weight of Fe 2 O 3 was pulverized and classified, and medium particles having a particle size of 3 μm or more and 10 μm or less, and fine particles having a particle size of 0.1 μm or more and 1 μm or less And got. A base material is prepared by mixing medium and fine particles in the ratio shown in Table 2, and this base material and butyl carbitol as a vehicle (mixed solvent) are kneaded using a three-roll mill made of alumina, This was used as a prototype joining material. Prepare a flat plate and a corrugated plate simulating the SOFC interconnector and connecting corrugated plate, and apply a trial bonding material with a mixing ratio shown in Table 2 on the flat plate to a thickness of about 300 μm by screen printing, then bond it to the corrugated plate. After drying, baking was carried out by holding at 1150 ° C. for 1 hour in an air atmosphere. Next, reduction treatment was performed at 1000 ° C. for 3 hours in a 100% H 2 atmosphere. The sample obtained in this manner was verified for bonding strength and conductivity. The results are shown in Table 2. In the evaluation of the bonding strength, “◯” indicates that the bonding strength is good, “Δ” indicates that the bonding strength is reasonable, and “×” indicates that the bonding is inferior. In the evaluation of conductivity, “◯” is 0.4Ω or less, and “×” is greater than 0.4Ω.
実験例３
８０重量部のＮｉＯおよび２０重量部のＦｅ２Ｏ３を混合した後に焼結したものを、粉砕、分級し、粒径３μｍ以上１０μｍ以下の中粒と、粒径０．１μｍ以上１μｍ以下の微粒とを得た。中粒８０重量部および微粒２０重量部からなるベース材料と、ビヒクル（混合溶媒）としてのブチルカルビトールとを、アルミナ製３本ロールミルを用いて混練し、ペースト状としたものを試作接合材とした。ＳＯＦＣ用のインターコネクタと接続用波板を模擬した平板と波板を用意し、平板にこの試作接合材をスクリーンプリント法で厚さ約３００μｍ塗布した後に波板と接着し、乾燥後、空気雰囲気中、表３に示した焼き付け温度で１時間保持して焼き付けを行った。次に１００％Ｈ２雰囲気中１０００℃で３時間還元処理を行った。このようにして得たサンプルについて、接合強度および導電性を検証した。結果を表３に示す。接合強度の評価において、「○」は接合強度が良好なもの、「△」は接合強度がまずまずのもの、「×」は接合が劣るものである。また、導電性の評価において、「○」は０．４Ω以下であり、×は０．４Ωより大きい場合である。
Experimental example 3
What was sintered after mixing 80 parts by weight of NiO and 20 parts by weight of Fe 2 O 3 was pulverized and classified, and medium particles having a particle size of 3 μm or more and 10 μm or less, and fine particles having a particle size of 0.1 μm or more and 1 μm or less And got. A base material composed of 80 parts by weight of medium grains and 20 parts by weight of fine grains and butyl carbitol as a vehicle (mixed solvent) were kneaded using a three-roll mill made of alumina, and a paste was obtained as a prototype joining material. did. Prepare a flat plate and a corrugated plate simulating SOFC interconnector and connecting corrugated plate, apply this prototype bonding material to the flat plate with a thickness of about 300μm by screen printing method, adhere to the corrugated plate, dry, and then air atmosphere During the baking, the baking temperature shown in Table 3 was held for 1 hour. Next, reduction treatment was performed at 1000 ° C. for 3 hours in a 100% H 2 atmosphere. The sample obtained in this manner was verified for bonding strength and conductivity. The results are shown in Table 3. In the evaluation of the bonding strength, “◯” indicates that the bonding strength is good, “Δ” indicates that the bonding strength is reasonable, and “×” indicates that the bonding is inferior. In the evaluation of conductivity, “◯” is 0.4Ω or less, and “×” is greater than 0.4Ω.
実験例４
８０重量部のＮｉＯおよび２０重量部のＦｅ２Ｏ３を混合した後に焼結したものを、粉砕、分級し、粒径３μｍ以上１０μｍ以下の中粒と、粒径０．１μｍ以上１μｍ以下の微粒とを得た。中粒８０重量部および微粒２０重量部からなるベース材料と、ビヒクル（混合溶媒）としてのブチルカルビトールとを、アルミナ製３本ロールミルを用いて混練し、ペースト状としたものを試作接合材とした。ＳＯＦＣ用のインターコネクタと接続用波板を模擬した平板と波板を用意し、平板にこの試作接合材をスクリーンプリント法で厚さ約３００μｍ塗布した後に波板と接着し、乾燥後、空気雰囲気中１１００℃で表４に示した焼き付け時間で保持して焼き付けを行った。次に１００％Ｈ２雰囲気中１０００℃で３時間還元処理を行った。このようにして得たサンプルについて、接合強度および導電性を検証した。結果を表４に示す。接合強度の評価において、「○」は接合強度が良好なもの、「△」は接合強度がまずまずのもの、「×」は接合が劣るものである。また、導電性の評価において、「○」は０．４Ω以下であり、×は０．４Ωより大きい場合である。
尚、焼き付け時間が２０時間より長くなると、製造コスト高となるため、２０時間以下が好ましい。
Experimental Example 4
What was sintered after mixing 80 parts by weight of NiO and 20 parts by weight of Fe 2 O 3 was pulverized and classified, and medium particles having a particle size of 3 μm or more and 10 μm or less, and fine particles having a particle size of 0.1 μm or more and 1 μm or less And got. A base material composed of 80 parts by weight of medium grains and 20 parts by weight of fine grains and butyl carbitol as a vehicle (mixed solvent) were kneaded using a three-roll mill made of alumina, and a paste was obtained as a prototype joining material. did. Prepare a flat plate and a corrugated plate simulating SOFC interconnector and connecting corrugated plate, apply this prototype bonding material to the flat plate with a thickness of about 300μm by screen printing method, adhere to the corrugated plate, dry, and then air atmosphere Baking was performed while maintaining the baking time shown in Table 4 at 1100 ° C. Next, reduction treatment was performed at 1000 ° C. for 3 hours in a 100% H 2 atmosphere. The sample obtained in this manner was verified for bonding strength and conductivity. The results are shown in Table 4. In the evaluation of the bonding strength, “◯” indicates that the bonding strength is good, “Δ” indicates that the bonding strength is reasonable, and “×” indicates that the bonding is inferior. In the evaluation of conductivity, “◯” is 0.4Ω or less, and “×” is greater than 0.4Ω.
Note that if the baking time is longer than 20 hours, the manufacturing cost increases, and therefore, 20 hours or less is preferable.
実験例５
８０重量部のＮｉＯおよび２０重量部のＦｅ２Ｏ３を混合した後に焼結したものを、粉砕、分級し、粒径３μｍ以上１０μｍ以下の中粒と、粒径０．１μｍ以上１μｍ以下の微粒とを得た。中粒８０重量部および微粒２０重量部からなるベース材料と、ビヒクル（混合溶媒）としてのブチルカルビトールとを、アルミナ製３本ロールミルを用いて混練し、ペースト状としたものを試作接合材とした。また、比較用の接合材として、上記ベース材料の組成を８０重量部ＮｉＯ、１０重量部のＦｅ２Ｏ３、および１０重量部のＴｉＯ２に代えたものも用意した。ＳＯＦＣ用のインターコネクタと接続用波板を模擬した平板と波板を用意し、平板にこの試作接合材をスクリーンプリント法で厚さ約３００μｍ塗布した後に波板と接着し、乾燥後、空気雰囲気中１１００℃で１時間保持して焼き付けを行った。次に、表５に示す雰囲気中で１０００℃まで昇温した後、１００％Ｈ２雰囲気中１０００℃で３時間還元処理を行った。このようにして得たサンプルについて、接合強度および導電性を検証した。結果を表５に示す。接合強度の評価において、「○」は接合強度が良好なもの、「△」は接合強度がまずまずのもの、「×」は接合が劣るものである。また、導電性は接続抵抗値で示す。
ベース材料にＴｉＯ２が含まれると、昇温雰囲気によっては接合強度や接続抵抗に難が有るため、本発明ではＴｉＯ２を含まないことが好ましいことが分かる。
Experimental Example 5
What was sintered after mixing 80 parts by weight of NiO and 20 parts by weight of Fe 2 O 3 was pulverized and classified, and medium particles having a particle size of 3 μm or more and 10 μm or less, and fine particles having a particle size of 0.1 μm or more and 1 μm or less And got. A base material composed of 80 parts by weight of medium grains and 20 parts by weight of fine grains and butyl carbitol as a vehicle (mixed solvent) were kneaded using a three-roll mill made of alumina, and a paste was obtained as a prototype joining material. did. Further, as a bonding material for comparison, a material in which the composition of the base material was replaced with 80 parts by weight of NiO, 10 parts by weight of Fe 2 O 3 , and 10 parts by weight of TiO 2 was also prepared. Prepare a flat plate and a corrugated plate simulating SOFC interconnector and connecting corrugated plate, apply this prototype bonding material to the flat plate with a thickness of about 300μm by screen printing method, adhere to the corrugated plate, dry, and then air atmosphere Baking was carried out while maintaining at 1100 ° C. for 1 hour. Then, after raising the temperature to 1000 ° C. in an atmosphere shown in Table 5 were subjected to 3 hours reduction treatment at 1000 ° C. in a 100% H 2 atmosphere. The sample obtained in this manner was verified for bonding strength and conductivity. The results are shown in Table 5. In the evaluation of the bonding strength, “◯” indicates that the bonding strength is good, “Δ” indicates that the bonding strength is reasonable, and “×” indicates that the bonding is inferior. Conductivity is indicated by a connection resistance value.
When TiO 2 is contained in the base material, it is found that it is preferable not to contain TiO 2 in the present invention because there are difficulties in bonding strength and connection resistance depending on the temperature rising atmosphere.
実験例６
８０重量部のＮｉＯおよび２０重量部のＦｅ２Ｏ３を混合した後に焼結したものを、粉砕、分級し、粒径３μｍ以上１０μｍ以下の中粒と、粒径０．１μｍ以上１μｍ以下の微粒とを得た。中粒８０重量部および微粒２０重量部からなるベース材料と、ビヒクル（混合溶媒）としてのブチルカルビトールとを、アルミナ製３本ロールミルを用いて混練し、ペースト状としたものを試作接合材とした。ＳＯＦＣ用のインターコネクタと接続用波板を模擬した平板と波板を用意し、平板にこの試作接合材をスクリーンプリント法で表６に示す厚さで塗布した後に波板と接着し、乾燥後、空気雰囲気中１１００℃で１時間保持して焼き付けを行った。次に１００％Ｈ２雰囲気中１０００℃で３時間還元処理を行った。このようにして得たサンプルについて、乾燥後接合強度および焼結後接合強度を検証した。結果を表６に示す。乾燥後接合強度の評価において、「○」は接合強度が良好なもの、「△」は接合強度がまずまずのもの、「×」は接合が劣るものである。また、焼結後接合強度の評価において、「○」は接合強度が良好なもの、「△」は接合強度がまずまずのもの、「×」は接合が劣るものである。
Experimental Example 6
What was sintered after mixing 80 parts by weight of NiO and 20 parts by weight of Fe 2 O 3 was pulverized and classified, and medium particles having a particle size of 3 μm or more and 10 μm or less, and fine particles having a particle size of 0.1 μm or more and 1 μm or less And got. A base material composed of 80 parts by weight of medium grains and 20 parts by weight of fine grains and butyl carbitol as a vehicle (mixed solvent) were kneaded using a three-roll mill made of alumina, and a paste was obtained as a prototype joining material. did. Prepare a flat plate and corrugated sheet simulating SOFC interconnector and connecting corrugated sheet, and apply this prototype bonding material to the flat plate with the thickness shown in Table 6 after bonding to the corrugated sheet. Baking was carried out by holding at 1100 ° C. for 1 hour in an air atmosphere. Next, reduction treatment was performed at 1000 ° C. for 3 hours in a 100% H 2 atmosphere. About the sample obtained in this way, the joint strength after drying and the joint strength after sintering were verified. The results are shown in Table 6. In the evaluation of the bond strength after drying, “◯” indicates that the bond strength is good, “Δ” indicates that the bond strength is reasonable, and “×” indicates that the bond is poor. In the evaluation of the bonding strength after sintering, “◯” indicates that the bonding strength is good, “Δ” indicates that the bonding strength is reasonable, and “×” indicates that the bonding is inferior.
１ 発電膜
２ 固体電解質膜
３ａ 電極
３ｂ 電極
４ａ 電気接続用波板
４ｂ 電気接続用波板
５ａ インターコネクタ
５ｂ インターコネクタ
１１ 導電性接合部材
１２ 発電膜
１３ 燃料側電極
１４ 固体電解質膜
１５ 空気側電極
１６ 導電性接合部材
１７ インターコネクタ
２１ 発電膜
２２ イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）
２３ａ 燃料側電極
２３ｂ 酸素側電極
２４ 導電性接合部材
２５ 電極接続用波板
DESCRIPTION OF
23a
Claims (9)
前記ベース材料１００重量部のうち、５重量部以上３０重量部以下が粒径０．１μｍ以上１μｍ以下の微粒である接合材。 A joining material including a base material made of NiO and Fe 2 O 3 , wherein 50 parts by weight or more and 90 parts by weight or less are NiO, and 10 parts by weight or more and 50 parts by weight or less are Fe parts out of 100 parts by weight of the base material. 2 O 3 and a bonding material in which 5 parts by weight or more and 30 parts by weight or less of 100 parts by weight of the base material are fine particles having a particle diameter of 0.1 μm or more and 1 μm or less.
該接合材を１１００℃以上１３００℃以下の焼き付け温度、１時間以上２０時間以下の焼き付け時間で焼き付ける工程を有する接合方法。 Arranging the bonding material according to any one of claims 1 to 3 between a plurality of members;
A bonding method including a step of baking the bonding material at a baking temperature of 1100 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower and a baking time of 1 hour or longer and 20 hours or shorter.
該複数の部材間を接合する請求項４に記載の接合部材と
を有する固体電解質燃料電池。 A plurality of members;
A solid electrolyte fuel cell comprising: the joining member according to claim 4 joining the plurality of members.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2006204600A JP2008034179A (en) | 2006-07-27 | 2006-07-27 | Jointing material, jointing member, jointing method, and solid electrolyte fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2006204600A JP2008034179A (en) | 2006-07-27 | 2006-07-27 | Jointing material, jointing member, jointing method, and solid electrolyte fuel cell |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2008034179A true JP2008034179A (en) | 2008-02-14 |
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Family Applications (1)
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| JP2006204600A Withdrawn JP2008034179A (en) | 2006-07-27 | 2006-07-27 | Jointing material, jointing member, jointing method, and solid electrolyte fuel cell |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2008034179A (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009252376A (en) * | 2008-04-01 | 2009-10-29 | Noritake Co Ltd | Method of manufacturing solid-oxide fuel cell and calcining tool for manufacture thereof |
| JP2014072035A (en) * | 2012-09-28 | 2014-04-21 | Kyocera Corp | Cell stack, fuel battery module, and fuel battery device |
| JP2015043292A (en) * | 2013-08-26 | 2015-03-05 | 日本特殊陶業株式会社 | Solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof |
| JP2016178022A (en) * | 2015-03-20 | 2016-10-06 | 日本特殊陶業株式会社 | Fuel cell stack |
-
2006
- 2006-07-27 JP JP2006204600A patent/JP2008034179A/en not_active Withdrawn
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2014072035A (en) * | 2012-09-28 | 2014-04-21 | Kyocera Corp | Cell stack, fuel battery module, and fuel battery device |
| JP2015043292A (en) * | 2013-08-26 | 2015-03-05 | 日本特殊陶業株式会社 | Solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof |
| JP2016178022A (en) * | 2015-03-20 | 2016-10-06 | 日本特殊陶業株式会社 | Fuel cell stack |
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