JP5483714B2 - Bonding agent - Google Patents
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Description
本発明は、2つの導電性接続部材を接合する接合剤に関するものである。 The present invention relates to a bonding agent for bonding two conductive connecting members.
固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)のセル(単電池)は、固体電解質と、固体電解質と一体的に配置された燃料極と、固体電解質と一体的に配置された空気極とを備えている。このSOFCのセルに対して、燃料極に燃料ガス(水素ガス等)を供給するとともに空気極に酸素を含むガス(空気等)を供給することにより、下記(1)、(2)式に示す化学反応が発生する。これにより、燃料極と空気極との間に電位差が発生する。この電位差は、固体電解質の酸素伝導度に基づく。
(1/2)・O2+2e−→O2− (於:空気極) …(1)
H2+O2−→H2O+2e− (於:燃料極) …(2)
A solid oxide fuel cell (SOFC) cell (single cell) includes a solid electrolyte, a fuel electrode arranged integrally with the solid electrolyte, and an air electrode arranged integrally with the solid electrolyte. And. By supplying fuel gas (hydrogen gas, etc.) to the fuel electrode and supplying oxygen-containing gas (air, etc.) to the air electrode, the following formulas (1) and (2) are shown. A chemical reaction occurs. Thereby, a potential difference is generated between the fuel electrode and the air electrode. This potential difference is based on the oxygen conductivity of the solid electrolyte.
(1/2) · O 2 +2 e− → O 2− (where: air electrode) (1)
H 2 + O 2− → H 2 O + 2 e− (in the fuel electrode) (2)
SOFCでは、通常、燃料極と空気極のそれぞれに集電用の導電性接続部材(以下、インターコネクタと呼ぶ。)が接合剤により接合・固定され、それぞれのインターコネクタを介して前記電位差に基づく電力が外部に取り出される。以下、特に、空気極とインターコネクタとの接合に着目する。 In the SOFC, normally, a conductive connecting member for collecting current (hereinafter referred to as an interconnector) is bonded and fixed to each of a fuel electrode and an air electrode by a bonding agent, and based on the potential difference via each interconnector. Electric power is extracted outside. In the following, attention is paid particularly to the joining of the air electrode and the interconnector.
従来、空気極とインターコネクタとを接合して空気極とインターコネクタとを電気的に接続する接合剤として、高価なPt材料が用いられてきた。コスト低減のため、Pt材料の代替材料として、メタル系では銀系材料、セラミック系では導電性セラミック材料が考えられる。例えば、特許文献1では、空気極とインターコネクタとを強固に接合する導電性セラミック材料として、La−Sr−Co−Fe系ペロブスカイト型複合酸化物が挙げられている。 Conventionally, an expensive Pt material has been used as a bonding agent that joins the air electrode and the interconnector to electrically connect the air electrode and the interconnector. In order to reduce the cost, a silver-based material can be considered as a substitute material for the Pt material, and a conductive ceramic material can be considered as a ceramic-based material. For example, in Patent Document 1, a La—Sr—Co—Fe-based perovskite complex oxide is cited as a conductive ceramic material that firmly bonds an air electrode and an interconnector.
ところで、本発明者は、空気極とインターコネクタとを接合して空気極とインターコネクタとを電気的に接続する導電性セラミック材料として、スピネル型結晶構造を有する遷移金属酸化物(例えば、MnCo2O4、CuMn2O4)に注目している。導電性のスピネル型酸化物は、上述したペロブスカイト型酸化物に比して導電性は若干劣るものの、焼結性に優れる特徴を有する。 Incidentally, the present inventor has proposed a transition metal oxide having a spinel crystal structure (for example, MnCo 2 ) as a conductive ceramic material that joins an air electrode and an interconnector to electrically connect the air electrode and the interconnector. Attention is focused on O 4 , CuMn 2 O 4 ). The conductive spinel type oxide has a characteristic that it is excellent in sinterability although it is slightly inferior to the above-described perovskite type oxide.
係るスピネル系材料が接合剤として用いられる場合、空気極の接合部とインターコネクタの接合部との間にその接合剤の前駆体であるペーストが介在した状態でペーストが焼成される。これにより、焼結体である接合剤によって空気極とインターコネクタとが接合され且つ電気的に接続される。ここで、空気極側のインターコネクタの材料として、通常、フェライト系SUS材料等が使用される。フェライト系SUS材料は、一般に、予備酸化処理によって表面に一様なクロミア(Cr2O3)の膜が形成された状態で使用される。 When such a spinel material is used as a bonding agent, the paste is baked in a state in which the paste as a precursor of the bonding agent is interposed between the bonding portion of the air electrode and the bonding portion of the interconnector. Thus, the air electrode and the interconnector are joined and electrically connected by the bonding agent that is a sintered body. Here, as the material for the interconnector on the air electrode side, a ferrite SUS material or the like is usually used. Ferrite-based SUS materials are generally used in a state where a uniform chromia (Cr 2 O 3 ) film is formed on the surface by pre-oxidation treatment.
クロミア(Cr2O3)は、温度が高いほどより形成され易い。従って、その後の組立処理において、過度に高温の熱処理(ガラス等からなる接合剤に与える熱処理等)が行われると、インターコネクタにおける接合剤との界面にクロミア(Cr2O3)が過度に形成され得る。クロミア(Cr2O3)の電気抵抗は比較的大きい。故に、前記界面にクロミア(Cr2O3)が過度に形成されると、SOFC全体としての電気抵抗が増大し、SOFC全体としての出力が低下し易くなる。以上より、接合剤の前駆体であるペーストの焼成時にてインターコネクタにおける接合剤との界面にクロミア(Cr2O3)が過度に形成されることを抑制するためには、このペーストの焼成が比較的低い温度でなされる必要がある。 Chromia (Cr 2 O 3 ) is more easily formed as the temperature is higher. Therefore, when an excessively high temperature heat treatment (heat treatment given to a bonding agent made of glass or the like) is performed in the subsequent assembly process, excessive chromia (Cr 2 O 3 ) is formed at the interface with the bonding agent in the interconnector. Can be done. The electrical resistance of chromia (Cr 2 O 3 ) is relatively large. Therefore, if chromia (Cr 2 O 3 ) is excessively formed at the interface, the electrical resistance of the SOFC as a whole increases and the output of the SOFC as a whole tends to decrease. From the above, in order to suppress the excessive formation of chromia (Cr 2 O 3 ) at the interface with the bonding agent in the interconnector during the baking of the paste that is the precursor of the bonding agent, the baking of this paste is performed. It needs to be done at a relatively low temperature.
このように比較的低い温度で接合剤の前駆体であるペーストの焼成がなされる場合において、焼結体である接合剤として、以下の2つが要求される。
1.十分に緻密化されて高い導電率が得られること(電気抵抗が小さいこと)。
2.高い接合強度が得られること。
In the case where the paste, which is a precursor of the bonding agent, is thus fired at a relatively low temperature, the following two are required as the bonding agent that is a sintered body.
1. It must be sufficiently densified to obtain high conductivity (low electrical resistance).
2. High bonding strength should be obtained.
本発明者は、スピネル系材料を有する接合剤であって、前駆体であるペーストの焼成が比較的低い温度でなされても上記2つの要求が十分に達成され得るものを見出した。 The present inventor has found that a bonding agent having a spinel material can sufficiently achieve the above two requirements even when the precursor paste is fired at a relatively low temperature.
即ち、本発明に係る接合剤は、第1導電性接続部材と、前記第1導電性接続部材とは別体の第2導電性接続部材と、を接合するとともに、前記第1、第2導電性接続部材を電気的に接続する接合剤であり、スピネル型結晶構造を有する遷移金属酸化物を含んで構成される。前記第1導電性接続部材としては、「固体電解質、前記固体電解質と一体的に配置されるとともに燃料ガスと接触して前記燃料ガスを反応させる燃料極、及び前記固体電解質と一体的に配置されるとともに酸素を含むガスと接触して前記酸素を含むガスを反応させる空気極を備えた固体酸化物形燃料電池のセル」における前記空気極や、前記セルの前記燃料極に固定され且つ前記燃料極と電気的に接続された化学式La1−xAxCr1−y+zByO3(ただし、A:Ca,Sr,Baから選択される少なくとも1種類の元素、B:Co,Ni,Alから選択される少なくとも1種類の元素、xの範囲:0.05〜0.2、yの範囲:0.02〜0.22、zの範囲:0.02〜0.05)で表わされるランタンクロマナイトからなる導電部、前記セルの前記燃料極に固定され且つ前記燃料極と電気的に接続された化学式(A1−x,Bx)1−z(Ti1−y,Dy)O3(ただし、A:アルカリ土類元素から選択される少なくとも1種類の元素、B:Sc,Y,及びランタノイド元素から選択される少なくとも1種類の元素、D:第4周期、第5周期、第6周期の遷移金属、及びAl,Si,Zn,Ga,Ge,Sn,Sb,Pb,Biから選択される少なくとも1種類の元素、xの範囲:0〜0.5、yの範囲:0〜0.5、zの範囲:−0.05〜0.05)で表わされるチタン酸化物からなる導電部などが挙げられる。 That is, the bonding agent according to the present invention joins the first conductive connecting member and the second conductive connecting member which is separate from the first conductive connecting member, and the first and second conductive members. This is a bonding agent for electrically connecting the conductive connecting member, and includes a transition metal oxide having a spinel crystal structure. As the first conductive connecting member, “a solid electrolyte, a fuel electrode that is integrally disposed with the solid electrolyte and that reacts with the fuel gas to react with the fuel gas, and a solid electrolyte that is integrally disposed with the solid electrolyte. And a fuel cell fixed to the fuel electrode of the cell and the fuel electrode of the solid oxide fuel cell having an air electrode that contacts the gas containing oxygen and reacts with the gas containing oxygen. electrode and electrically connected to the chemical formula La 1-x a x Cr 1 -y + z B y O 3 ( provided that, a: Ca, at least one element Sr, is selected from Ba, B: Co, Ni, Al At least one element selected from x, lanthanum represented by x range: 0.05 to 0.2, y range: 0.02 to 0.22, z range: 0.02 to 0.05) From chromanite Rushirubeden portion, secured to said fuel electrode and the fuel electrode and electrically connected to the chemical formula of the cell (A 1-x, B x ) 1-z (Ti 1-y, D y) O 3 ( provided that A: at least one element selected from alkaline earth elements, B: at least one element selected from Sc, Y, and lanthanoid elements, D: fourth period, fifth period, sixth period Transition metal and at least one element selected from Al, Si, Zn, Ga, Ge, Sn, Sb, Pb, Bi, x range: 0 to 0.5, y range: 0 to 0.5 , Z range: -0.05 to 0.05), and a conductive portion made of a titanium oxide.
本発明に係る接合剤の特徴は、共連続構造を有することにある。ここで、「共連続構造」とは、セラミック粒子が集合して隣り合う粒子の接点同士が焼結により点接触的に繋がった構造ではなく、2以上の(太い)腕部が延びる基部が3次元的(立体的)に多数配置され、異なる前記基部から延びる前記腕部同士が3次元的(立体的)に互いに接続し合うことで多数の前記基部が前記腕部を介して3次元的(立体的)に(ネットワーク状に)互いに連結された構造を指す。共連続構造内において基部及び腕部を除いた領域には3次元的(立体的)に(ネットワーク状に)連続する空隙(気孔)が形成されている。共連続構造は、三次元網目構造と言い換えることもできる。 The feature of the bonding agent according to the present invention is that it has a co-continuous structure. Here, the “co-continuous structure” is not a structure in which ceramic particles gather and contact points of adjacent particles are connected in a point contact manner by sintering, but a base portion in which two or more (thick) arm portions extend is 3. A large number of three-dimensionally (three-dimensional) are arranged, and the arms extending from the different bases are connected to each other three-dimensionally (three-dimensionally), whereby a large number of the bases are three-dimensionally (via the arms) ( It refers to structures that are connected to each other (in a three-dimensional manner). In the co-continuous structure, voids (pores) that are three-dimensionally (three-dimensionally) (network-like) continuous are formed in the region excluding the base and arms. The co-continuous structure can be rephrased as a three-dimensional network structure.
前記共連続構造において、多数の基部同士を互いに連結する腕部の太さは、0.3〜2.5μmであることが好ましい。また、前記遷移金属酸化物は、MnCo2O4、及びCuMn2O4のうちの1つを含むことが好ましい。 In the co-continuous structure, it is preferable that a thickness of an arm portion that connects a plurality of base portions to each other is 0.3 to 2.5 μm. The transition metal oxide preferably includes one of MnCo 2 O 4 and CuMn 2 O 4 .
このようなスピネル系材料からなる共連続構造を有する接合剤は、前記遷移金属酸化物を構成する各金属元素の粉末の混合物を含むペーストを前記第1、第2導電性接続部材の間に介在させた状態で焼成することで形成され得る。このように、出発原料としての前記各金属元素の粉末を焼成時に酸化させることでスピネル系材料からなる接合剤が形成される場合、焼成温度を比較的低温(例えば、700〜900℃)に設定しても、十分に緻密化されて十分に高い導電率を有し(電気抵抗が小さく)、且つ、接合強度が十分に大きい接合剤が得られる。 In the bonding agent having a co-continuous structure made of such a spinel material, a paste containing a mixture of powders of the respective metal elements constituting the transition metal oxide is interposed between the first and second conductive connecting members. It can be formed by firing in a heated state. As described above, when a bonding agent made of a spinel material is formed by oxidizing the powder of each metal element as a starting material during firing, the firing temperature is set to a relatively low temperature (for example, 700 to 900 ° C.). Even so, it is possible to obtain a bonding agent that is sufficiently densified, has a sufficiently high conductivity (low electrical resistance), and has a sufficiently high bonding strength.
上記本発明に係る接合剤においては、前記遷移金属酸化物に加えて貴金属が含まれていてもよい。貴金属としては、例えば、Pt,Agが挙げられる。接合剤に貴金属を含ませることにより、接合剤そのものの電気抵抗を小さくすることができる。 In the bonding agent according to the present invention, a noble metal may be contained in addition to the transition metal oxide. Examples of the noble metal include Pt and Ag. By including a noble metal in the bonding agent, the electric resistance of the bonding agent itself can be reduced.
(構成)
図1は、本発明の実施形態に係る接合剤によりSOFCのセルの空気極とインターコネクタとが接合された構成(接合体)の一例を示す。図1に示す接合体では、SOFCのセル100は、燃料極110と、燃料極110の上に積層された電解質120と、電解質120の上に積層された反応防止層130と、反応防止層130の上に積層された空気極140と、からなる積層体である。このセル100を上方からみた形状は、例えば、1辺が1〜30cmの正方形、長辺が5〜30cmで短辺が3〜15cmの長方形、又は直径が1〜30cmの円形である。セル100の厚さは0.1〜3mmである。
(Constitution)
FIG. 1 shows an example of a configuration (joint) in which an air electrode of an SOFC cell and an interconnector are joined by a joining agent according to an embodiment of the present invention. In the joined body shown in FIG. 1, the SOFC cell 100 includes a fuel electrode 110, an electrolyte 120 stacked on the fuel electrode 110, a reaction preventing layer 130 stacked on the electrolyte 120, and a reaction preventing layer 130. It is the laminated body which consists of the air electrode 140 laminated | stacked on. The shape of the cell 100 viewed from above is, for example, a square with one side of 1 to 30 cm, a long side with 5 to 30 cm and a short side with 3 to 15 cm, or a circle with a diameter of 1 to 30 cm. The thickness of the cell 100 is 0.1 to 3 mm.
燃料極110(アノード電極)は、例えば、酸化ニッケルNiOとイットリア安定化ジルコニアYSZとから構成される多孔質の薄板状の焼成体である。燃料極110の厚さT1は0.1〜3mmである。セル100の各構成部材の厚さのうち燃料極110の厚さが最も大きく、燃料極110は、セル100の支持基板として機能している。 The fuel electrode 110 (anode electrode) is, for example, a porous thin plate-like fired body made of nickel oxide NiO and yttria-stabilized zirconia YSZ. The thickness T1 of the fuel electrode 110 is 0.1 to 3 mm. The thickness of the fuel electrode 110 is the largest among the thicknesses of the constituent members of the cell 100, and the fuel electrode 110 functions as a support substrate for the cell 100.
電解質120は、YSZから構成される緻密な薄板状の焼成体である。電解質120の厚さT2は3〜30μmである。 The electrolyte 120 is a dense thin plate-like fired body made of YSZ. The thickness T2 of the electrolyte 120 is 3 to 30 μm.
反応防止層130は、セリアからなる緻密な薄板状の焼成体である。セリアとしては、具体的には、GDC(ガドリニウムドープセリア)、SDC(サマリウムドープセリア)等が挙げられる。反応防止層130の厚さT3は3〜20μmである。なお、反応防止層130は、セル作製時、又はSOFCの作動中のセル100内において、電解質120内のYSZと空気極140内のストロンチウムとが反応して電解質120と空気極140との間の電気抵抗が増大する現象の発生を抑制するために、電解質120と空気極140との間に介装されている。 The reaction preventing layer 130 is a dense thin plate-like fired body made of ceria. Specific examples of ceria include GDC (gadolinium doped ceria) and SDC (samarium doped ceria). The thickness T3 of the reaction preventing layer 130 is 3 to 20 μm. The reaction preventing layer 130 is formed between the electrolyte 120 and the air electrode 140 by reacting YSZ in the electrolyte 120 with strontium in the air electrode 140 in the cell 100 during cell fabrication or in the operation of the SOFC. In order to suppress the occurrence of a phenomenon in which the electrical resistance increases, it is interposed between the electrolyte 120 and the air electrode 140.
空気極140(カソード電極)は、ベース層141と、最外層142との2層からなる。ベース層141は、ランタンストロンチウムコバルトフェライトLSCF(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3)からなる多孔質の薄板状の焼成体である。最外層142は、マンガンを含むペロブスカイト構造を有する多孔質の薄板状の焼成体である。最外層142は、例えば、ランタンストロンチウムマンガナイトLSM(La0.8Sr0.2MnO3)、ランタンマンガナイトLM(LaMnO3)等から構成される。空気極140において、ベース層141の厚さT41は5〜50μmであり、最外層142の厚さT42は5〜50μmである。 The air electrode 140 (cathode electrode) includes two layers of a base layer 141 and an outermost layer 142. The base layer 141 is a porous thin plate fired body made of lanthanum strontium cobalt ferrite LSCF (La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 ). The outermost layer 142 is a porous thin plate-like fired body having a perovskite structure containing manganese. The outermost layer 142 is made of, for example, lanthanum strontium manganite LSM (La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 ), lanthanum manganite LM (LaMnO 3 ), or the like. In the air electrode 140, the thickness T41 of the base layer 141 is 5 to 50 μm, and the thickness T42 of the outermost layer 142 is 5 to 50 μm.
なお、空気極140が2層となっているのは、LSMよりもLSCFの方が活性が高くて上記(1)式に示す化学反応の反応速度が速いという事実、並びに、LSCFよりもLSMの方がスピネル系材料を有する接合剤との接合強度が大きいという事実に基づく。即ち、空気極140内での上記(1)式に示す化学反応の反応速度を大きくし、且つ、空気極と接合剤との接合強度を大きくするために、空気極140が2層とされている。 The air electrode 140 has two layers because the LSCF has a higher activity than the LSM and the reaction rate of the chemical reaction shown in the above formula (1) is higher, and the LSM has a higher reaction rate than the LSCF. This is based on the fact that the bonding strength with the bonding agent having the spinel material is higher. That is, in order to increase the reaction rate of the chemical reaction shown in the above formula (1) in the air electrode 140 and to increase the bonding strength between the air electrode and the bonding agent, the air electrode 140 is divided into two layers. Yes.
なお、上記の例ではベース層141がLSCF層の1層から構成されているが、ベース層141が複数の層から構成されてもよい。例えば、ベース層141が、反応防止層130の上に積層されたLSCF層(空気極)と、そのLSCF層の上に積層された(即ち、LSCF層と最外層(LSM層)142との間に介装された)ランタンストロンチウムコバルトLSC(La0.8Sr0.2CoO3)層(集電層)との2層から構成されてもよい。更に、LSC層と最外層(LSM層)142との間にLSCF層(熱応力緩衝層)が介装されてもよい(即ち、ベース層141が3層から構成されてもよい)。また、空気極の材料として、LSCFに代えて、LSC、ランタンストロンチウムフェライトLSF(La0.8Sr0.2FeO3)、ランタンニッケルフェライトLNF(LaNi0.6Fe0.4O3)等が使用されてもよい。 In the above example, the base layer 141 is composed of one LSCF layer, but the base layer 141 may be composed of a plurality of layers. For example, the base layer 141 is stacked between the LSCF layer (air electrode) stacked on the reaction preventing layer 130 and the LSCF layer (that is, between the LSCF layer and the outermost layer (LSM layer) 142). The lanthanum strontium cobalt LSC (La 0.8 Sr 0.2 CoO 3 ) layer (current collection layer) interposed between the two layers may be used. Further, an LSCF layer (thermal stress buffer layer) may be interposed between the LSC layer and the outermost layer (LSM layer) 142 (that is, the base layer 141 may be composed of three layers). As the material of the air electrode, instead of LSCF, LSC, lanthanum strontium ferrite LSF (La 0.8 Sr 0.2 FeO 3 ), lanthanum nickel ferrite LNF (LaNi 0.6 Fe 0.4 O 3 ), etc. May be used.
インターコネクタ200は、フェライト系SUS材料からなる導電性接続部材である。複数の同形のインターコネクタ200のそれぞれの接合部とセル100の空気極140の最外層142(即ち、LSM層等)の接合部とが、接合剤300により接合され且つ電気的に接続されている。 The interconnector 200 is a conductive connection member made of a ferrite SUS material. Each joint portion of the plurality of identical interconnectors 200 and the joint portion of the outermost layer 142 (ie, LSM layer) of the air electrode 140 of the cell 100 are joined and electrically connected by the joining agent 300. .
接合剤300は、スピネル型結晶構造を有する遷移金属酸化物から構成される焼成体であり、例えば、MnCo2O4、CuMn2O4等から構成される。接合剤300の層の厚さTAは20〜500μmである。接合剤300に、Pt,Ag等の貴金属が含まれていてもよい。接合剤300に貴金属を含ませることにより、接合剤そのものの電気抵抗を小さくすることができる。 The bonding agent 300 is a fired body composed of a transition metal oxide having a spinel crystal structure, and is composed of, for example, MnCo 2 O 4 , CuMn 2 O 4 or the like. The thickness TA of the bonding agent 300 is 20 to 500 μm. The bonding agent 300 may contain a noble metal such as Pt or Ag. By including a noble metal in the bonding agent 300, the electric resistance of the bonding agent itself can be reduced.
(製造方法)
次に、図1に示した接合体の製造方法の一例について説明する。先ず、セル100の製造方法の一例について説明する。
(Production method)
Next, an example of the manufacturing method of the joined body shown in FIG. 1 will be described. First, an example of the manufacturing method of the cell 100 will be described.
燃料極層110は、以下のように製造された。即ち、NiO粉末60重量部とYSZ粉末40重量部が混合され、この混合物にバインダーとしてポリビニルアルコール(PVA)が添加されてスラリーが作製された。このスラリーがスプレードライヤーで乾燥・造粒され、燃料極用の粉末が得られた。この粉末が金型プレス成形法により成形され、その後、電気炉で空気中にて1400℃で3時間焼成されて、燃料極110が製造された。 The fuel electrode layer 110 was manufactured as follows. That is, 60 parts by weight of NiO powder and 40 parts by weight of YSZ powder were mixed, and polyvinyl alcohol (PVA) was added as a binder to this mixture to prepare a slurry. This slurry was dried and granulated with a spray dryer to obtain a fuel electrode powder. This powder was molded by a die press molding method, and then fired in air in an electric furnace at 1400 ° C. for 3 hours to produce a fuel electrode 110.
電解質120は、以下のように燃料極110の上に形成された。即ち、YSZ粉末に水とバインダーが加えられ、この混合物がボールミルで24時間混合されてスラリーが作製された。このスラリーが、燃料極110上に塗布・乾燥され、電気炉で空気中にて1400℃で2時間共焼結されて、燃料極110上に電解質120が形成された。なお、燃料極110の上に後に電解質120となる膜を形成するに際し、テープ積層法、印刷法等が用いられてもよい。 The electrolyte 120 was formed on the fuel electrode 110 as follows. That is, water and a binder were added to the YSZ powder, and this mixture was mixed with a ball mill for 24 hours to prepare a slurry. This slurry was applied and dried on the fuel electrode 110 and co-sintered in air at 1400 ° C. for 2 hours in an electric furnace to form the electrolyte 120 on the fuel electrode 110. When forming a film that will later become the electrolyte 120 on the fuel electrode 110, a tape lamination method, a printing method, or the like may be used.
反応防止層130は、以下のように電解質120の上に形成された。即ち、GDC粉末に水とバインダーが加えられ、この混合物がボールミルで24時間混合されてスラリーが作製された。このスラリーが、電解質120上に塗布・乾燥され、電気炉で空気中にて1350℃で1時間焼成されて、電解質120上に反応防止層130が形成された。なお、電解質120の上に後に反応防止層130となる膜を形成するに際し、テープ積層法、印刷法等が用いられてもよい。また、反応防止層130が共焼結により形成されてもよい。 The reaction preventing layer 130 was formed on the electrolyte 120 as follows. That is, water and a binder were added to the GDC powder, and this mixture was mixed with a ball mill for 24 hours to prepare a slurry. This slurry was applied and dried on the electrolyte 120 and baked in air at 1350 ° C. for 1 hour in an electric furnace to form the reaction preventing layer 130 on the electrolyte 120. In forming a film that will later become the reaction preventing layer 130 on the electrolyte 120, a tape lamination method, a printing method, or the like may be used. Further, the reaction preventing layer 130 may be formed by co-sintering.
空気極140のベース層141は、以下のように反応防止層130の上に形成された。即ち、LSCF粉末に水とバインダーが加えられ、この混合物がボールミルで24時間混合されてスラリーが作製された。このスラリーが、反応防止層130上に塗布・乾燥され、電気炉で空気中にて1000℃で1時間焼成されて、反応防止層130上に空気極140が形成された。 The base layer 141 of the air electrode 140 was formed on the reaction preventing layer 130 as follows. That is, water and a binder were added to the LSCF powder, and this mixture was mixed with a ball mill for 24 hours to prepare a slurry. This slurry was applied and dried on the reaction preventing layer 130 and baked in an electric furnace at 1000 ° C. for 1 hour in the air to form an air electrode 140 on the reaction preventing layer 130.
最外層142は、以下のようにベース層141の上に形成された。即ち、LSM粉末に水とバインダーが加えられ、この混合物がボールミルで24時間混合されてスラリーが作製された。このスラリーが、ベース層141上に塗布・乾燥され、電気炉で空気中にて1000℃で1時間焼結されて、ベース層141上に最外層142が形成された。以上、セル100の製造方法の一例について説明した。 The outermost layer 142 was formed on the base layer 141 as follows. That is, water and a binder were added to the LSM powder, and this mixture was mixed with a ball mill for 24 hours to prepare a slurry. This slurry was applied and dried on the base layer 141 and sintered in the air at 1000 ° C. for 1 hour in an electric furnace, so that the outermost layer 142 was formed on the base layer 141. The example of the method for manufacturing the cell 100 has been described above.
インターコネクタ200は、フェライト系SUS材料を機械加工等により所定の形状に加工することにより作製された。同形のインターコネクタ200が複数準備された。 The interconnector 200 was produced by processing a ferrite SUS material into a predetermined shape by machining or the like. A plurality of interconnectors 200 having the same shape were prepared.
接合剤300による最外層142とインターコネクタ200との接合は以下のように達成された。スピネル系材料がMnCo2O4である場合を例にとって説明する。先ず、出発原料としてのマンガンMnの金属粉末とコバルトCoの金属粉末とが1:2のモル比率で秤量され混合された。金属粉末の粒径は0.5〜5μmであり、平均粒径は2μmであった。Pt,Ag等の貴金属の粉末が加えられてもよい。この混合物に、必要に応じてバインダーとしてエチルセルロース、溶剤としてテルピネオールが加えられ、この混合物が乳鉢で混合されて接合用のペーストが作製された。セル100の空気極140の最外層142(即ち、LSM層)の表面とインターコネクタ200の接合部とにこの接合用ペーストが塗布され、最外層142とインターコネクタ200とが貼り合わされた。その後、このペーストが100℃で1時間乾燥された後、空気中にて比較的低い850℃で1時間焼成されることで、焼結体である接合剤300が形成された。 The joining of the outermost layer 142 and the interconnector 200 with the joining agent 300 was achieved as follows. A case where the spinel material is MnCo 2 O 4 will be described as an example. First, manganese Mn metal powder and cobalt Co metal powder as starting materials were weighed and mixed at a molar ratio of 1: 2. The metal powder had a particle size of 0.5 to 5 μm and an average particle size of 2 μm. Powders of noble metals such as Pt and Ag may be added. If necessary, ethyl cellulose as a binder and terpineol as a solvent were added to this mixture, and this mixture was mixed in a mortar to prepare a bonding paste. The bonding paste was applied to the surface of the outermost layer 142 (that is, the LSM layer) of the air electrode 140 of the cell 100 and the joint portion of the interconnector 200, and the outermost layer 142 and the interconnector 200 were bonded together. Thereafter, the paste was dried at 100 ° C. for 1 hour and then fired in air at a relatively low temperature of 850 ° C. for 1 hour, whereby the bonding agent 300 as a sintered body was formed.
即ち、出発原料としてスピネル系材料を構成する各金属元素の粉末が使用され、この粉末が焼成時に酸化させられることで、スピネル系材料を有する接合剤300が形成された。ペーストの焼成温度が比較的低くてもペーストが十分に焼き締まるのは、各金属元素の粉末の酸化反応(=発熱反応)に起因して発生する熱により粉末表面の温度が局所的に上昇してスピネル型結晶(複合酸化物の結晶)が合成・成長していくことに基づくと考えられる。この接合剤300により、最外層142とインターコネクタ200とが接合され且つ電気的に接続された。以上、図1に示したSOFCのセルの空気極とインターコネクタとの接合体の製造方法の一例について説明した。 That is, a powder of each metal element constituting the spinel material was used as a starting material, and this powder was oxidized during firing, whereby the bonding agent 300 having the spinel material was formed. Even if the firing temperature of the paste is relatively low, the paste is sufficiently baked because the temperature of the powder surface rises locally due to the heat generated due to the oxidation reaction (= exothermic reaction) of each metal element powder. This is considered to be based on the synthesis and growth of spinel crystals (complex oxide crystals). By this bonding agent 300, the outermost layer 142 and the interconnector 200 were bonded and electrically connected. The example of the manufacturing method of the joined body of the air electrode and the interconnector of the SOFC cell shown in FIG. 1 has been described above.
なお、特開2009−16351では、マンガンスピネル化合物からなる空気極を、マンガンスピネル化合物からなる接着剤によって金属インターコネクタと接合することが記載されている(特に、段落0029を参照)。しかしながら、具体的な実施例が一切記載されていない。一般に、マンガンスピネル化合物は、酸化マンガン粉末と酸化コバルト粉末などをスピネル比率で混合し、その混合物を焼結することで製造される。即ち、本実施形態に係る接合剤300の製造方法は、通常のマンガンスピネル化合物の製造方法とは全く異なる。 JP 2009-16351 describes that an air electrode made of a manganese spinel compound is joined to a metal interconnector with an adhesive made of a manganese spinel compound (see particularly paragraph 0029). However, no specific examples are described. In general, a manganese spinel compound is produced by mixing manganese oxide powder and cobalt oxide powder at a spinel ratio and sintering the mixture. That is, the manufacturing method of the bonding agent 300 according to the present embodiment is completely different from the normal manufacturing method of a manganese spinel compound.
(接合剤の特徴)
次に、上記実施形態に係る接合剤300、即ち、スピネル系材料(MnCo2O4)を構成する各金属元素の粉末(出発原料)が焼成時に酸化させられて形成された接合剤の特徴について図2、図3を参照しながら説明する。図2、図3はそれぞれ、接合剤300の表面を走査型電子顕微鏡(SEM)で5000倍、10000倍に拡大して観察した様子(SEM画像)を示す。
(Features of bonding agent)
Next, regarding the bonding agent 300 according to the above-described embodiment, that is, the bonding agent formed by oxidizing each metal element powder (starting material) constituting the spinel-based material (MnCo 2 O 4 ) during firing. This will be described with reference to FIGS. 2 and 3 each show a state (SEM image) of the surface of the bonding agent 300 observed with a scanning electron microscope (SEM) at a magnification of 5000 times and 10,000 times.
図2、図3から理解できるように、この接合剤300は、「共連続構造」を有しているといえる。そして、「共連続構造」において、多数の「基部」(2以上の腕部が延びる部分)を3次元的(立体的)に互いに連結する「腕部」の太さは、0.3〜2.5μmであった。ここで、「腕部の太さ」は、本例では、以下のように算出された。即ち、先ず、SEM画像より、共連続構造を呈する部位が10箇所任意に抽出された。抽出された部位の画像から測長された腕部の太さのデータが各部位につき3点収集された。得られた計30点のデータに基づき「腕部の太さ」が算出された。なお、「共連続構造」が形成されるのは、上述した「ペースト焼成中における酸化反応に起因する熱によるスピネル型結晶の成長作用」に関係があるものと考えられる。 As can be understood from FIGS. 2 and 3, it can be said that the bonding agent 300 has a “co-continuous structure”. In the “co-continuous structure”, the thickness of the “arm portion” that connects a large number of “base portions” (portions where two or more arm portions extend) to each other three-dimensionally (three-dimensionally) is 0.3-2. It was 5 μm. Here, the “thickness of the arm” was calculated as follows in this example. That is, first, 10 sites exhibiting a co-continuous structure were arbitrarily extracted from the SEM image. Three points of arm thickness data measured from the extracted image of the part were collected for each part. Based on the obtained 30 points of data, the “arm thickness” was calculated. The formation of the “co-continuous structure” is considered to be related to the above-mentioned “growth action of the spinel crystal due to heat caused by the oxidation reaction during paste firing”.
このように、上記実施形態では、出発原料として金属を使用するとともに熱処理時の反応熱を利用して上記特徴を有する接合剤が合成されている。これに代えて、出発原料として有機金属が使用されてもよい。例えば、マンガンを含む有機金属としては、ジ−i−プロポキシマンガン(II)(化学式:Mn(O-i-C3H7)2)が、コバルトを含む有機金属としては、ジ−i−プロポキシコバルト(II)(化学式:Co(O-i-C3H7)2)が、銅を含む有機金属としては、ビス(ジビバロイルメタナト)銅(化学式:Cu(C11H18O2)2)が使用され得る。 As described above, in the above embodiment, the bonding agent having the above characteristics is synthesized by using the metal as the starting material and utilizing the reaction heat during the heat treatment. Alternatively, an organic metal may be used as a starting material. For example, di-i-propoxy manganese (II) (chemical formula: Mn (Oi-C 3 H 7 ) 2 ) is used as an organic metal containing manganese, and di-i-propoxy is used as an organic metal containing cobalt. Cobalt (II) (chemical formula: Co (O-i-C 3 H 7 ) 2 ) is an organic metal containing copper, and bis (dibivaloylmethanato) copper (chemical formula: Cu (C 11 H 18 O 2 )) 2 ) can be used.
(作用・効果)
次に、上記実施形態に係る接合剤300の作用・効果について説明する。接合剤300の作用・効果を説明するため、比較例として、予め合成されたスピネル系材料の粉末を出発原料として形成された接合剤を導入する。比較例に係る接合剤は、以下のように形成された。
(Action / Effect)
Next, functions and effects of the bonding agent 300 according to the above embodiment will be described. In order to explain the action and effect of the bonding agent 300, as a comparative example, a bonding agent formed using a powder of a spinel material synthesized in advance as a starting material is introduced. The bonding agent according to the comparative example was formed as follows.
先ず、所定の手順にて合成されたスピネル系材料(MnCo2O4)がポットミルで粉砕され、スピネル系材料(複合酸化物)の粉末が得られた。この粉末の粒径は0.2〜2μmであり、平均粒径は0.5μmであった。この粉末に、必要に応じてバインダーとしてエチルセルロース、溶剤としてテルピネオールが添加されて接合用のペーストが作製される。そして、このペーストを用いて最外層142とインターコネクタ200とが貼り合わされ、このペーストが100℃で1時間乾燥される。その後、空気中にて高温の1000℃で1時間焼成されることで、焼結体である比較例に係る接合剤が形成された。 First, a spinel material (MnCo 2 O 4 ) synthesized by a predetermined procedure was pulverized by a pot mill to obtain a spinel material (composite oxide) powder. The particle size of this powder was 0.2-2 μm, and the average particle size was 0.5 μm. If necessary, ethyl cellulose as a binder and terpineol as a solvent are added to the powder to produce a bonding paste. And the outermost layer 142 and the interconnector 200 are bonded together using this paste, and this paste is dried at 100 degreeC for 1 hour. Then, the bonding agent which concerns on the comparative example which is a sintered compact was formed by baking at 1000 degreeC of high temperature in air for 1 hour.
なお、比較例の場合、上記実施形態のようにペーストの焼成温度を低くするとペーストが十分に焼き締まらない。これは、比較例の場合、既に酸化された酸化物のペーストが使用されているので、上記実施形態と異なり、ペーストの焼成中にて酸化反応に起因する熱によるスピネル型結晶の成長作用が望めないことに基づく。 In the case of the comparative example, if the baking temperature of the paste is lowered as in the above embodiment, the paste is not sufficiently baked. This is because, in the case of the comparative example, an oxide paste that has already been oxidized is used, and unlike the above embodiment, the growth effect of the spinel crystal due to the heat caused by the oxidation reaction can be expected during the baking of the paste. Based on not.
図4、図5はそれぞれ、比較例に係る接合剤の表面を走査電子顕微鏡(SEM)で5000倍、10000倍に拡大して観察した様子を示す。図4、図5から理解できるように、この比較例に係る接合剤では、「共連続構造」は見られず、これに代えて、出発原料の粉末が単純に集合・焼結した構造が見られた。 FIG. 4 and FIG. 5 each show a state where the surface of the bonding agent according to the comparative example is observed with a scanning electron microscope (SEM) at a magnification of 5000 times and 10,000 times. As can be understood from FIGS. 4 and 5, in the bonding agent according to this comparative example, a “co-continuous structure” is not seen, but instead, a structure in which the powder of the starting material is simply assembled and sintered is seen. It was.
<接合強度の評価>
本発明者は、比較例に係る接合体に対して本実施形態に係る接合体が、最外層142と接合剤との間での接合強度が大きいことを見出した。以下、このことを確認した試験Aについて説明する。
<Evaluation of bonding strength>
The inventor has found that the bonded body according to the present embodiment has a higher bonding strength between the outermost layer 142 and the bonding agent than the bonded body according to the comparative example. Hereinafter, test A in which this has been confirmed will be described.
(試験A)
試験Aでは、本実施形態に係る接合体及び比較例に係る接合体のそれぞれに対して、接合剤の材質、接合剤の出発原料である粉末の平均粒径、及び接合剤形成時の焼成温度(熱処理温度)の組み合わせが異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表1に示すように、18種類の水準(組み合わせ)が準備された。そして、各水準に対して5つのサンプルが作製された。表1において、出発原料がスピネル系材料を構成する各金属元素の粉末(金属粉末)であるもの(水準1〜8,12〜15)が本実施形態に対応し、出発原料が予め合成されたスピネル系材料の粉末(セラミック粉末)であるもの(水準9〜11,16〜18)が比較例に対応する。
(Test A)
In Test A, for each of the bonded body according to the present embodiment and the bonded body according to the comparative example, the material of the bonding agent, the average particle diameter of the powder as the starting material of the bonding agent, and the firing temperature at the time of forming the bonding agent A plurality of samples having different combinations of (heat treatment temperature) were produced. Specifically, as shown in Table 1, 18 kinds of levels (combinations) were prepared. And five samples were produced for each level. In Table 1, the starting materials are powders (metal powders) of the respective metal elements constituting the spinel material (levels 1 to 8, 12 to 15) corresponding to this embodiment, and the starting materials were synthesized in advance. Spinel-based material powders (ceramic powders) (levels 9 to 11 and 16 to 18) correspond to the comparative examples.
図6に示すように、これらのサンプルでは、インターコネクタ200及び接合剤が共に、上方からみた形状がセル100を上方からみた形状と同じ板状とされた。即ち、上方からみた形状が同じ空気極140(具体的には最外層142)とインターコネクタ200とが接合面の全域に亘って接合剤により接合されている。 As shown in FIG. 6, in these samples, the interconnector 200 and the bonding agent both have a plate shape that is the same as the shape of the cell 100 viewed from above. That is, the air electrode 140 (specifically, the outermost layer 142) and the interconnector 200 having the same shape as viewed from above are joined to each other by the joining agent over the entire joining surface.
これらのサンプルにおいて、燃料極110(NiO−YSZ)の厚さT1は500μm、電解質120(3YSZ)の厚さT2は5μm、反応防止層130(GDC)の厚さT3は5μm、空気極140のベース層141(LSCF)の厚さT41は30μm、最外層142(LSM)の厚さT42は20μm、接合剤300の厚さTAは200μm、インターコネクタ200の厚さTBは450μmで一定とされた。また、これらのサンプルを上方からみた形状は、直径が30cmの円形とされた。 In these samples, the thickness T1 of the fuel electrode 110 (NiO-YSZ) is 500 μm, the thickness T2 of the electrolyte 120 (3YSZ) is 5 μm, the thickness T3 of the reaction preventing layer 130 (GDC) is 5 μm, and the air electrode 140 The thickness T41 of the base layer 141 (LSCF) is 30 μm, the thickness T42 of the outermost layer 142 (LSM) is 20 μm, the thickness TA of the bonding agent 300 is 200 μm, and the thickness TB of the interconnector 200 is 450 μm. . The shape of these samples viewed from above was a circle with a diameter of 30 cm.
図7に示すように、各サンプルの上下面に対して、引張試験用の治具がエポキシ樹脂によりそれぞれ貼り付けられた。エポキシ樹脂としては、接着力が大きいスリーボンド社の熱硬化型エポキシ系接着剤(商品名:TB2222P)が用いられた。このように接着力が大きいエポキシ樹脂が用いられたのは、接合剤300による接合部位の接合強度よりも高い接合強度を得るためである。エポキシ樹脂を硬化するための条件(接着条件)は、100℃で60分とされた。 As shown in FIG. 7, jigs for tensile tests were attached to the upper and lower surfaces of each sample with an epoxy resin. As the epoxy resin, a thermosetting epoxy adhesive (trade name: TB2222P) manufactured by ThreeBond Co., Ltd., which has a large adhesive force, was used. The reason why the epoxy resin having a large adhesive force is used is to obtain a bonding strength higher than the bonding strength of the bonding portion by the bonding agent 300. The conditions for curing the epoxy resin (adhesion conditions) were set at 100 ° C. for 60 minutes.
上下の治具を上下方向に引き離す力が加えられることで、各サンプルに対して上下方向に引っ張り力が加えられた。そして、接合剤による接合部位が破壊する際の引っ張り力の大きさ(以下、「引張強度」と呼ぶ。)が計測された。ここで、各サンプルにおいて、破壊される接合部位(最弱部位)は、本実施形態(水準1〜8,12〜15)では、最外層142と接合剤との間の接合部位(界面)であり、比較例(水準9〜11,16〜18)では、接合剤内部であった。この結果を表2に示す。 A tensile force was applied to each sample in the vertical direction by applying a force to separate the upper and lower jigs in the vertical direction. And the magnitude | size (henceforth "tensile strength") at the time of the joining site | part by a joining agent destroying was measured. Here, in each sample, the joint part (weakest part) to be destroyed is the joint part (interface) between the outermost layer 142 and the bonding agent in the present embodiment (levels 1 to 8, 12 to 15). Yes, in the comparative examples (levels 9 to 11 and 16 to 18), it was inside the bonding agent. The results are shown in Table 2.
表2から理解できるように、本実施形態に係る接合剤300の方が比較例に係る接合剤よりも引張強度が大きい傾向がある。即ち、本実施形態に係る接合剤300の方が比較例に係る接合剤よりも、最外層142と接合剤との間での接合強度が大きいということができる。 As can be understood from Table 2, the bonding agent 300 according to the present embodiment tends to have a higher tensile strength than the bonding agent according to the comparative example. In other words, it can be said that the bonding agent 300 according to the present embodiment has higher bonding strength between the outermost layer 142 and the bonding agent than the bonding agent according to the comparative example.
<電気抵抗の評価>
本発明者は、比較例に係る接合体に対して本実施形態に係る接合体が、電気抵抗が小さい(導電率が高い)ことを見出した。以下、このことを確認した試験Bについて説明する。
<Evaluation of electrical resistance>
The present inventor has found that the joined body according to the present embodiment has a lower electrical resistance (higher conductivity) than the joined body according to the comparative example. Hereinafter, test B in which this has been confirmed will be described.
(試験B)
試験Bでも、本実施形態に係る接合体及び比較例に係る接合体のそれぞれに対して、試験Aと同様の組み合わせを有する図1に対応する複数のサンプルがそれぞれ作製された。具体的には、試験Aと同様、上述の表1に示す18種類の水準(組み合わせ)が準備された。そして、各水準に対して3つのサンプルが作製された。試験Aと同様、出発原料がスピネル系材料を構成する各金属元素の粉末(金属粉末)であるもの(水準1〜8,12〜15)が本実施形態に対応し、出発原料が予め合成されたスピネル系材料の粉末(セラミック粉末)であるもの(水準9〜11,16〜18)が比較例に対応する。これらのサンプルにおいて、インターコネクタ及び接合剤を除く部分の形状・寸法は、試験Aにおけるサンプルと同じである。
(Test B)
Also in the test B, a plurality of samples corresponding to FIG. 1 having the same combination as the test A were produced for each of the joined body according to the present embodiment and the joined body according to the comparative example. Specifically, as in Test A, 18 types (combinations) shown in Table 1 above were prepared. And three samples were produced for each level. As in Test A, the starting materials are powders (metal powders) of each metal element constituting the spinel material (levels 1 to 8, 12 to 15) correspond to this embodiment, and the starting materials are synthesized in advance. Further, powders (levels 9 to 11 and 16 to 18) that are spinel-based material powders (ceramic powders) correspond to the comparative examples. In these samples, the shape and dimensions of the portion excluding the interconnector and the bonding agent are the same as those in the sample in Test A.
また、この試験Bでは、各サンプルについて、燃料極110の表面に燃料極側のインターコネクタ(Ni製)が接合された。この接合は、Niからなる接合用のペーストを焼成することで達成された。 Further, in this test B, for each sample, the fuel electrode-side interconnector (made of Ni) was joined to the surface of the fuel electrode 110. This joining was achieved by firing a joining paste made of Ni.
各サンプルに対して、燃料極110側に窒素ガス、空気極140側に空気を供給しながら、800℃まで昇温し、800℃に達した時点で燃料極110に水素ガスを供給しながら還元処理が3時間行われた。この還元処理後、空気極140側のインターコネクタ200と燃料極110側のインターコネクタと介して外部に取り出される出力(出力密度)が計測された。出力密度として、温度が800℃で定格電圧0.8Vでの値が使用された。出力密度が大きいことは電気抵抗が小さいことを意味する。この結果を表3に示す。 While supplying nitrogen gas to the fuel electrode 110 side and air to the air electrode 140 side for each sample, the temperature was raised to 800 ° C., and when the temperature reached 800 ° C., hydrogen gas was supplied to the fuel electrode 110 and reduced. Processing was carried out for 3 hours. After this reduction treatment, the output (output density) taken out through the interconnector 200 on the air electrode 140 side and the interconnector on the fuel electrode 110 side was measured. As the output density, a value at a temperature of 800 ° C. and a rated voltage of 0.8 V was used. High power density means low electrical resistance. The results are shown in Table 3.
表3から理解できるように、本実施形態に係る接合体の方が比較例に係る接合体よりも出力密度が大きい傾向がある。即ち、実施形態に係る接合剤300の方が比較例に係る接合剤よりも、電気抵抗が小さいということができる。 As can be understood from Table 3, the joined body according to the present embodiment tends to have a higher output density than the joined body according to the comparative example. That is, it can be said that the electrical resistance of the bonding agent 300 according to the embodiment is smaller than that of the bonding agent according to the comparative example.
以上、スピネル系材料(MnCo2O4)を構成する各金属元素(Mn,Co)の粉末を出発原料として形成された本実施形態に係る接合剤では、予め合成されたスピネル系材料(MnCo2O4)の粉末を出発原料として形成された比較例に係る接合剤に比して、導電率が大きく(電気抵抗が小さく)、且つ、接合強度が大きい。即ち、本実施形態に係る接合剤300によれば、焼成温度を比較的低温(例えば、700〜900℃)に設定しても、ペーストが十分に焼き締まることにより、電気抵抗が十分に小さく、且つ、接合強度が十分に大きい接合剤が得られる。 As described above, in the bonding agent according to the present embodiment the powders of the respective metal elements (Mn, Co) constituting the spinel type material (MnCo 2 O 4) is formed as a starting material, pre-synthesized spinel type material (MnCo 2 Compared with the bonding agent according to the comparative example formed using O 4 ) powder as a starting material, the electric conductivity is large (the electric resistance is small) and the bonding strength is large. That is, according to the bonding agent 300 according to the present embodiment, even if the firing temperature is set to a relatively low temperature (for example, 700 to 900 ° C.), the paste is sufficiently baked, whereby the electrical resistance is sufficiently small. In addition, a bonding agent having sufficiently high bonding strength can be obtained.
以上、空気極140(前記「第1導電性接続部材」に対応)とインターコネクタ200(前記「第2導電性接続部材」に対応)とが「スピネル型結晶構造を有する遷移金属酸化物(MnCo2O4、CuMn2O4等)」を含んだ接合剤により接合される場合において、接合剤がスピネル系材料(MnCo2O4)を構成する各金属元素(Mn,Co)の粉末を出発原料として形成された本実施形態では、接合剤が予め合成されたスピネル系材料(MnCo2O4)の粉末を出発原料として形成された比較例に比して、導電率が大きく(電気抵抗が小さく)、且つ、接合強度が大きいことを説明した。 As described above, the air electrode 140 (corresponding to the “first conductive connecting member”) and the interconnector 200 (corresponding to the “second conductive connecting member”) are “transition metal oxides (MnCo having a spinel crystal structure)”. 2 O 4 , CuMn 2 O 4, etc.) ”, the bonding agent starts with powder of each metal element (Mn, Co) constituting the spinel material (MnCo 2 O 4 ) In this embodiment formed as a raw material, the electrical conductivity is larger (electric resistance is lower than that in a comparative example formed using a powder of a spinel material (MnCo 2 O 4 ) in which a bonding agent is synthesized in advance as a starting material. It was explained that the joint strength was small.
同様に、図8に示すように、燃料極110に固定され且つ燃料極110と電気的に接続されたランタンクロマナイトLCを含んで構成される導電部150(前記「第1導電性接続部材」に対応)とインターコネクタ200(前記「第2導電性接続部材」に対応)とが「スピネル型結晶構造を有する遷移金属酸化物(MnCo2O4、CuMn2O4等)」を含んだ接合剤により接合される場合についても、接合剤がスピネル系材料(MnCo2O4)を構成する各金属元素(Mn,Co)の粉末を出発原料として形成される場合、接合剤が予め合成されたスピネル系材料(MnCo2O4)の粉末を出発原料として形成される場合に比して、導電率が大きく(電気抵抗が小さく)、且つ、接合強度が大きいことの結果が得られることが判明している。 Similarly, as shown in FIG. 8, a conductive portion 150 including the lanthanum romanite LC fixed to the fuel electrode 110 and electrically connected to the fuel electrode 110 (the “first conductive connecting member”). And the interconnector 200 (corresponding to the “second conductive connecting member”) include a “transition metal oxide having a spinel crystal structure (MnCo 2 O 4 , CuMn 2 O 4, etc.)”. Also in the case of bonding with a bonding agent, when the bonding agent is formed using a powder of each metal element (Mn, Co) constituting the spinel material (MnCo 2 O 4 ) as a starting material, the bonding agent was synthesized in advance. the powder of spinel type material (MnCo 2 O 4) as compared with when formed as a starting material, the conductivity is high (low electric resistance), and, this results in that the bonding strength is large is obtained There has been found.
ランタンクロマナイトLCの化学式は、下記(3)式にて表される。下記(3)式において、Aは、Ca,Sr,Baから選択される少なくとも1種類の元素である。Bは、Co,Ni,V,Mg,Alから選択される少なくとも1種類の元素である。xの範囲は、0〜0.4であり、更に好ましくは、0.05〜0.2である。yの範囲は、0〜0.3であり、更に好ましくは、0.02〜0.22である。zの範囲は、0〜0.1であり、更に好ましくは、0.02〜0.05である。δは0を含む微小値である。 The chemical formula of lanthanum romanite LC is represented by the following formula (3). In the following formula (3), A is at least one element selected from Ca, Sr, and Ba. B is at least one element selected from Co, Ni, V, Mg, and Al. The range of x is 0 to 0.4, and more preferably 0.05 to 0.2. The range of y is 0 to 0.3, and more preferably 0.02 to 0.22. The range of z is 0 to 0.1, and more preferably 0.02 to 0.05. δ is a minute value including zero.
La1−xAxCr1−y+zByO3−δ …(3) La 1-x A x Cr 1-y + z B y O 3-δ (3)
ここで、図8では、導電部150が、LCからなるベース層151とLSMからなる最外層152との2層となっている。このように、最外層(LSM層)が設けられているのは、最外層(LSM層)が設けられない場合に比して、導電部150と接合剤300との接合強度が大きくなるという事実に基づく。 Here, in FIG. 8, the conductive portion 150 has two layers of a base layer 151 made of LC and an outermost layer 152 made of LSM. Thus, the fact that the outermost layer (LSM layer) is provided is the fact that the bonding strength between the conductive portion 150 and the bonding agent 300 is greater than when the outermost layer (LSM layer) is not provided. based on.
また、図9に示すように、導電部150において、LCからなるベース層151に代えて、チタン酸化物からなるベース層151が採用されてもよい。 As shown in FIG. 9, in the conductive portion 150, a base layer 151 made of titanium oxide may be employed instead of the base layer 151 made of LC.
チタン酸化物の化学式は、下記(4)式にて表される。下記(4)式において、Aは、アルカリ土類元素から選択される少なくとも1種類の元素である。Bは、Sc,Y,及びランタノイド元素から選択される少なくとも1種類の元素である。Dは、第4周期、第5周期、第6周期の遷移金属、及びAl,Si,Zn,Ga,Ge,Sn,Sb,Pb,Biから選択される少なくとも1種類の元素である、xの範囲は、0〜0.5であり、yの範囲は、0〜0.5であり、zの範囲は、−0.05〜0.05である。δは0を含む微小値である。チタン酸化物としては、例えば、AとしてストロンチウムSrが使用された「ストロンチウムチタネートSrTiO3」が採用され得る。 The chemical formula of titanium oxide is represented by the following formula (4). In the following formula (4), A is at least one element selected from alkaline earth elements. B is at least one element selected from Sc, Y, and lanthanoid elements. D is a transition metal of the fourth period, the fifth period, the sixth period, and at least one element selected from Al, Si, Zn, Ga, Ge, Sn, Sb, Pb, Bi, The range is 0 to 0.5, the range of y is 0 to 0.5, and the range of z is -0.05 to 0.05. δ is a minute value including zero. As the titanium oxide, for example, “strontium titanate SrTiO 3 ” in which strontium Sr is used as A may be employed.
(A1−x,Bx)1−z(Ti1−y,Dy)O3−δ …(4) (A 1-x , B x ) 1-z (Ti 1-y , D y ) O 3-δ (4)
なお、図8、図9に示すように、燃料極側の端子電極としてLCやチタン酸化物(特に、ストロンチウムチタネートSrTiO3)が用いられるのは、端子電極の一端(内側)が還元雰囲気に曝され且つ他端(外側)が酸化雰囲気に曝されることに基づく。酸化・還元の両雰囲気で安定な導電性セラミックスとしては、現状では、LCとSrTiO3とが優れている。 As shown in FIGS. 8 and 9, LC and titanium oxide (particularly, strontium titanate SrTiO 3 ) are used as the terminal electrode on the fuel electrode side because one end (inside) of the terminal electrode is exposed to a reducing atmosphere. And the other end (outside) is exposed to an oxidizing atmosphere. At present, LC and SrTiO 3 are excellent as conductive ceramics that are stable in both oxidizing and reducing atmospheres.
以上より、一般に、第1導電性接続部材と第2導電性接続部材とが「スピネル型結晶構造を有する遷移金属酸化物(MnCo2O4、CuMn2O4等)」を含んだ接合剤により接合される場合においては、接合剤がスピネル系材料(MnCo2O4)を構成する各金属元素(Mn,Co)の粉末を出発原料として形成される場合、接合剤が予め合成されたスピネル系材料(MnCo2O4)の粉末を出発原料として形成される場合に比して、導電率が大きく(電気抵抗が小さく)、且つ、接合強度が大きい、ということができる。 As described above, generally, the first conductive connecting member and the second conductive connecting member are made of a bonding agent containing “transition metal oxide having a spinel crystal structure (MnCo 2 O 4 , CuMn 2 O 4, etc.)”. In the case of bonding, when the bonding agent is formed using powder of each metal element (Mn, Co) constituting the spinel material (MnCo 2 O 4 ) as a starting material, the bonding agent is synthesized in advance. It can be said that the electric conductivity is large (the electric resistance is small) and the bonding strength is large as compared with the case where the powder of the material (MnCo 2 O 4 ) is formed as a starting material.
100…セル、110…燃料極、120…電解質、130…反応防止層、140…空気極、141…ベース層、142…最外層、150…導電部、151…ベース層、152…最外層、200…インターコネクタ、300…接合剤 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Cell, 110 ... Fuel electrode, 120 ... Electrolyte, 130 ... Reaction prevention layer, 140 ... Air electrode, 141 ... Base layer, 142 ... Outermost layer, 150 ... Conductive part, 151 ... Base layer, 152 ... Outermost layer, 200 ... interconnector, 300 ... bonding agent
Claims (7)
スピネル型結晶構造を有する遷移金属酸化物を含んで構成され、且つ、2以上の腕部が延びる基部が3次元的に多数配置され、異なる前記基部から延びる前記腕部同士が3次元的に互いに接続し合うことで多数の前記基部が前記腕部を介して3次元的に互いに連結された構造である共連続構造を有し、
前記腕部の太さが0.3〜2.5μmである、接合剤。 Joining the first conductive connecting member and the second conductive connecting member separate from the first conductive connecting member and electrically connecting the first and second conductive connecting members An agent,
A plurality of base portions, each of which includes a transition metal oxide having a spinel crystal structure, and two or more arm portions extend, are arranged three-dimensionally, and the arm portions extending from different base portions are three-dimensionally connected to each other. number of the base by mutually connected have a co-continuous structure is three-dimensionally linked structure with each other via the arm portion,
The bonding agent , wherein the arm portion has a thickness of 0.3 to 2.5 μm .
前記遷移金属酸化物は、MnCo2O4、及びCuMn2O4のうちの1つを含む接合剤。 The bonding agent according to claim 1 ,
The transition metal oxide is a bonding agent including one of MnCo 2 O 4 and CuMn 2 O 4 .
前記遷移金属酸化物を構成する各金属元素の粉末の混合物を含むペーストを前記第1、第2導電性接続部材の間に介在させた状態で焼成することによって形成された接合剤。 The bonding agent according to claim 2 ,
A bonding agent formed by firing a paste containing a mixture of powders of respective metal elements constituting the transition metal oxide in a state of being interposed between the first and second conductive connecting members.
前記遷移金属酸化物に加えて貴金属を含む接合剤。 In the bonding agent according to any one of claims 1 to 3 ,
A bonding agent containing a noble metal in addition to the transition metal oxide.
前記第1導電性接続部材が、
固体電解質、前記固体電解質と一体的に配置されるとともに燃料ガスと接触して前記燃料ガスを反応させる燃料極、及び前記固体電解質と一体的に配置されるとともに酸素を含むガスと接触して前記酸素を含むガスを反応させる空気極を備えた固体酸化物形燃料電池のセルにおける前記空気極である、接合剤。 In the bonding agent according to any one of claims 1 to 4 ,
The first conductive connecting member is
A solid electrolyte, a fuel electrode disposed integrally with the solid electrolyte and contacting the fuel gas to react with the fuel gas; and a solid electrode disposed integrally with the solid electrolyte and in contact with a gas containing oxygen A bonding agent, which is the air electrode in a cell of a solid oxide fuel cell having an air electrode for reacting a gas containing oxygen.
前記第1導電性接続部材が、
固体電解質、前記固体電解質と一体的に配置されるとともに燃料ガスと接触して前記燃料ガスを反応させる燃料極、及び前記固体電解質と一体的に配置されるとともに酸素を含むガスと接触して前記酸素を含むガスを反応させる空気極を備えた固体酸化物形燃料電池のセルにおける前記燃料極に固定され且つ前記燃料極と電気的に接続された化学式La1−xAxCr1−y+zByO3(ただし、A:Ca,Sr,Baから選択される少なくとも1種類の元素、B:Co,Ni,Alから選択される少なくとも1種類の元素、xの範囲:0.05〜0.2、yの範囲:0.02〜0.22、zの範囲:0.02〜0.05)で表わされるランタンクロマナイトを含んで構成される導電部である、接合剤。 In the bonding agent according to any one of claims 1 to 4 ,
The first conductive connecting member is
A solid electrolyte, a fuel electrode disposed integrally with the solid electrolyte and contacting the fuel gas to react with the fuel gas; and a solid electrode disposed integrally with the solid electrolyte and in contact with a gas containing oxygen solid oxide is fixed to the fuel electrode in the fuel cell of the cell and the fuel electrode and electrically connected to the chemical formula La 1-x a having a cathode reacting a gas containing oxygen x Cr 1-y + z B y O 3 (However, A: at least one element selected from Ca, Sr, Ba, B: at least one element selected from Co, Ni, Al, x range: 0.05-0. 2, a range of y: 0.02 to 0.22, a range of z: 0.02 to 0.05), a bonding agent, which is a conductive part configured to include lanthanum romanite.
前記第1導電性接続部材が、
固体電解質、前記固体電解質と一体的に配置されるとともに燃料ガスと接触して前記燃料ガスを反応させる燃料極、及び前記固体電解質と一体的に配置されるとともに酸素を含むガスと接触して前記酸素を含むガスを反応させる空気極を備えた固体酸化物形燃料電池のセルにおける前記燃料極に固定され且つ前記燃料極と電気的に接続された化学式(A1−x,Bx)1−z(Ti1−y,Dy)O3(ただし、A:アルカリ土類元素から選択される少なくとも1種類の元素、B:Sc,Y,及びランタノイド元素から選択される少なくとも1種類の元素、D:第4周期、第5周期、第6周期の遷移金属、及びAl,Si,Zn,Ga,Ge,Sn,Sb,Pb,Biから選択される少なくとも1種類の元素、xの範囲:0〜0.5、yの範囲:0〜0.5、zの範囲:−0.05〜0.05)で表わされるチタン酸化物を含んで構成される導電部である、接合剤。 In the bonding agent according to any one of claims 1 to 4 ,
The first conductive connecting member is
A solid electrolyte, a fuel electrode disposed integrally with the solid electrolyte and contacting the fuel gas to react with the fuel gas; and a solid electrode disposed integrally with the solid electrolyte and in contact with a gas containing oxygen A chemical formula (A 1-x , B x ) 1− fixed to the fuel electrode and electrically connected to the fuel electrode in a cell of a solid oxide fuel cell having an air electrode for reacting a gas containing oxygen. z (Ti 1-y , D y ) O 3 (where A: at least one element selected from alkaline earth elements, B: at least one element selected from Sc, Y, and lanthanoid elements, D: transition metal of the 4th period, 5th period, 6th period, and at least one element selected from Al, Si, Zn, Ga, Ge, Sn, Sb, Pb, Bi, range of x: 0 ~ 0.5 y ranges: 0 to 0.5, range of z: -0.05~0.05) a conductive portion configured to include a titanium oxide represented by the bonding agent.
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