JP2008034179A - 接合材、接合部材、接合方法および固体電解質燃料電池 - Google Patents

接合材、接合部材、接合方法および固体電解質燃料電池 Download PDF

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Abstract

【課題】 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、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。
【解決手段】 接合材はNiOおよびFeからなるベース材料を含み、ベース材料中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Fe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。
【選択図】 なし

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。
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。
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。
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。
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。)。
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。
特開平8−287930号公報 特開2002−309203号公報
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。
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。
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Fe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Fe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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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Fe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Fe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Fe)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Feである。NiOが90重量部より多く、Fe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、Fe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Feである。約80重量部をNiO、約20重量部をFe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。
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Fe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。
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。
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。
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。
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、Fe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。
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。
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。
(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Fe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%H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。
Figure 2008034179
実験例2
80重量部のNiOおよび20重量部のFe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%H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。
Figure 2008034179
実験例3
80重量部のNiOおよび20重量部のFe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%H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。
Figure 2008034179
実験例4
80重量部のNiOおよび20重量部のFe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%H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。
Figure 2008034179
実験例5
80重量部のNiOおよび20重量部のFe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Fe、および10重量部のTiO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%H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TiO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TiOを含まないことが好ましいことが分かる。
Figure 2008034179
実験例6
80重量部のNiOおよび20重量部のFe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%H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。
Figure 2008034179
本発明の接合部材を用いたSOFCの要部の概略図である。 SOFCの一例を示す概略図である。 SOFCの他の例を示す概略図である。
符号の説明
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

Claims (9)

  1. NiOおよびFe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Fe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以下の微粒である接合材。
  2. 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以下の中粒である請求項1に記載の接合材。
  3. ビヒクルを含む請求項1または請求項2に記載の接合材。
  4. 複数の部材間に配置された請求項1から請求項3のいずれかに記載の接合材を、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て得られた接合部材。
  5. 請求項1から請求項3のいずれかに記載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を有する接合方法。
  6. 前記複数の部材間に配置した接合材の厚さを50μm以上450μm以下とする請求項5に記載の接合方法。
  7. 複数の部材と、
    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。
  8. 前記接合部材が燃料を流通する空間に配された請求項7に記載の固体電解質燃料電池。
  9. 前記複数の部材の少なくとも一つが燃料側電極である請求項8に記載の固体電解質燃料電池。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2009252376A (ja) * 2008-04-01 2009-10-29 Noritake Co Ltd 固体酸化物形燃料電池の製造方法および該製造に用いる焼成治具
JP2014072035A (ja) * 2012-09-28 2014-04-21 Kyocera Corp セルスタックおよび燃料電池モジュール並びに燃料電池装置
JP2015043292A (ja) * 2013-08-26 2015-03-05 日本特殊陶業株式会社 固体酸化物形燃料電池及びその製造方法
JP2016178022A (ja) * 2015-03-20 2016-10-06 日本特殊陶業株式会社 燃料電池スタック

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