JPH0412068A - セラミックスの接合体および接合方法 - Google Patents
セラミックスの接合体および接合方法Info
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- JPH0412068A JPH0412068A JP2114336A JP11433690A JPH0412068A JP H0412068 A JPH0412068 A JP H0412068A JP 2114336 A JP2114336 A JP 2114336A JP 11433690 A JP11433690 A JP 11433690A JP H0412068 A JPH0412068 A JP H0412068A
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- Japan
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- ceramic
- gas
- metal layer
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- bonding
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- Pending
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-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
［産業上の利用分野］
本発明は、セラミックスの接合体および接合方法に関し
、特に固体酸化物の電解質を使用する高温型燃料電池の
構成部材として使用する接合体および接合方法に関する
。
、特に固体酸化物の電解質を使用する高温型燃料電池の
構成部材として使用する接合体および接合方法に関する
。
［従来技術］
燃料電池は化学エネルギーを直接電気エネルギーへ高い
効率で変換可能であるので、現在行われている化石燃料
の燃焼によって発生した蒸気による発電方法に代わる発
電方法として開発が進めらている。
効率で変換可能であるので、現在行われている化石燃料
の燃焼によって発生した蒸気による発電方法に代わる発
電方法として開発が進めらている。
なかでも、液体あるいは溶融状の電解質を含まず高温で
電解質として作動する固体電解質を使用した燃料電池が
第三世代の燃料電池として開発か進められている。
電解質として作動する固体電解質を使用した燃料電池が
第三世代の燃料電池として開発か進められている。
固体電解質を使用する高温型燃料電池は、高温で酸素イ
オン導電性の電解質として作動する酸化ジルコニウムに
酸化イツトリウムあるいは酸化カルシウムなどを加えて
安定化したものを使用している。そして水素、−酸化炭
素、炭化水素などの各種の燃料を使用することができる
とともに、電解質が固体であるために液体または溶融塩
を電解質として使用した燃料電池では避けられない電解
質の蒸発や電解液による腐食の問題がなく、また燃料電
池の構造か部側という特徴を有している。
オン導電性の電解質として作動する酸化ジルコニウムに
酸化イツトリウムあるいは酸化カルシウムなどを加えて
安定化したものを使用している。そして水素、−酸化炭
素、炭化水素などの各種の燃料を使用することができる
とともに、電解質が固体であるために液体または溶融塩
を電解質として使用した燃料電池では避けられない電解
質の蒸発や電解液による腐食の問題がなく、また燃料電
池の構造か部側という特徴を有している。
そして作動温度が高いために白金族の金属のような高価
な触媒が必要ではなく排熱も高温であるために排熱をガ
スタービン発電または蒸気の発生に有効利用することが
できるので総合的なエネルギー効率が極めて大きく、最
もエネルギー効率に優れた燃料電池として期待されてい
る。
な触媒が必要ではなく排熱も高温であるために排熱をガ
スタービン発電または蒸気の発生に有効利用することが
できるので総合的なエネルギー効率が極めて大きく、最
もエネルギー効率に優れた燃料電池として期待されてい
る。
−組の正極と負極で構成した燃料電池の発生電圧は開放
で１．２ボルト程度であり、また出力電流も電池の効率
の面から制限を受けるので、燃料電池を発電に利用する
には多数の単位燃料電池を電気的に直列および並列に接
続することが必要となる。単位燃料電池を積層する場合
には単位燃料電池の封止が重要となる。
で１．２ボルト程度であり、また出力電流も電池の効率
の面から制限を受けるので、燃料電池を発電に利用する
には多数の単位燃料電池を電気的に直列および並列に接
続することが必要となる。単位燃料電池を積層する場合
には単位燃料電池の封止が重要となる。
燃料電池の単位燃料電池の積層部分の封止が充分でない
と隙間が発生し、酸素と燃料気体が漏洩する。気体の漏
洩がおこると供給した気体が電池反応に利用されなくな
＃）燃料の利用率が低下するばかりではなく酸素と燃料
気体の混合が起きると危険でもある。
と隙間が発生し、酸素と燃料気体が漏洩する。気体の漏
洩がおこると供給した気体が電池反応に利用されなくな
＃）燃料の利用率が低下するばかりではなく酸素と燃料
気体の混合が起きると危険でもある。
燐酸型の燃料電池の場合には作動温度が２００℃程度で
あるので弗素樹脂等のガスケットを使用することが可能
であり、また、溶融炭酸塩型の燃料電池の場合には作動
温度が６００℃程度であり、また、電解質として作動す
る溶融塩が一種の液シールの作用をしている。
あるので弗素樹脂等のガスケットを使用することが可能
であり、また、溶融炭酸塩型の燃料電池の場合には作動
温度が６００℃程度であり、また、電解質として作動す
る溶融塩が一種の液シールの作用をしている。
ところが、固体電解質を使用する高温型燃料電池は、作
動温度が８５０℃〜１０００℃と高く有効な封止材料お
よび封止方法が見いだされておらず、この点が固体電解
質の高温型燃料電池の開発の一つの課題となっている。
動温度が８５０℃〜１０００℃と高く有効な封止材料お
よび封止方法が見いだされておらず、この点が固体電解
質の高温型燃料電池の開発の一つの課題となっている。
［発明が解決しようとする課題］
セラミックスの接合には機械的接合、接着剤接合、セラ
ミックスの表面に金属層を形成した後にろう付するメタ
ライズ法、 ソルダー法、原子の拡散を利用する固相接
合法、 レーザや電子ビームによる溶接法等があるが、
１０００℃の高温で作動する高温型の燃料電池の固体
電解質を接合することができる方法には、無機系の接着
剤や金属ソルダー法、酸化物ソルダー法等があるが、無
機系の接着剤の場合には、脱水による気孔が必ず存在す
るのでガスの封止性には劣っている。また、その他の接
合方法においても一般的に線膨張率の差が２ｘｌＯ−’
ｌ／℃以上であると、接合が困雌であるために、熱膨張
の違いによって生じる応力を緩和するために熱膨張率が
中間的なものを多層に積層したり、また接合部材の処理
に真空、高温が必要であったり、処理工程も複雑であっ
た。
ミックスの表面に金属層を形成した後にろう付するメタ
ライズ法、 ソルダー法、原子の拡散を利用する固相接
合法、 レーザや電子ビームによる溶接法等があるが、
１０００℃の高温で作動する高温型の燃料電池の固体
電解質を接合することができる方法には、無機系の接着
剤や金属ソルダー法、酸化物ソルダー法等があるが、無
機系の接着剤の場合には、脱水による気孔が必ず存在す
るのでガスの封止性には劣っている。また、その他の接
合方法においても一般的に線膨張率の差が２ｘｌＯ−’
ｌ／℃以上であると、接合が困雌であるために、熱膨張
の違いによって生じる応力を緩和するために熱膨張率が
中間的なものを多層に積層したり、また接合部材の処理
に真空、高温が必要であったり、処理工程も複雑であっ
た。
［課題を解決するための手段］
本発明者らは、セラミックスの接合について鋭意検討し
た結果、セラミックスの接合すべき面に使用温度では溶
融する金属層な設けて、セラミックスを大気中で加熱し
て金属の溶融と引き続き空気中の酸素との反応を進行さ
せてセラミックスの接着と封止を行うことによって高温
においても強固な接合体が得られることを見いだしたも
のである。
た結果、セラミックスの接合すべき面に使用温度では溶
融する金属層な設けて、セラミックスを大気中で加熱し
て金属の溶融と引き続き空気中の酸素との反応を進行さ
せてセラミックスの接着と封止を行うことによって高温
においても強固な接合体が得られることを見いだしたも
のである。
すなわち、本発明は高温型固体電解質燃１！４−電池の
作動温度である８５０℃〜１０００℃といった高温にお
いても充分な接合強度を有し、高温時および冷却時の熱
応力に充分に耐え得る接合体を得るために、作動温度に
おいて溶融するアルミニウム等の金属層をセラミックス
の接合部に形成し、被接合体と接触した状態で加熱溶融
させるとともに雰囲気の気体と反応させるという手段を
とるものである。
作動温度である８５０℃〜１０００℃といった高温にお
いても充分な接合強度を有し、高温時および冷却時の熱
応力に充分に耐え得る接合体を得るために、作動温度に
おいて溶融するアルミニウム等の金属層をセラミックス
の接合部に形成し、被接合体と接触した状態で加熱溶融
させるとともに雰囲気の気体と反応させるという手段を
とるものである。
接合面に形成する金属はアルミニウムに限らずマグネシ
ウム、セリウム、 ビスマス、錫、インジウム、銀、鉛
、 ストロンチウム等の金属やアルミニウムーマグネシ
ウム、アルミニウムーケイ素、アルミニウムー亜鉛等の
合金で作動温度以下で溶融するものであれば多くの金属
を使用することができるが、高温の使用環境において蒸
気圧の高い化合物を形成する金属や使用温度では分解反
応を起こすような物質は、使用中に蒸発したり、接合体
の強度が低下して接合そのものが破壊してしまうために
々了ましくなし＼。
ウム、セリウム、 ビスマス、錫、インジウム、銀、鉛
、 ストロンチウム等の金属やアルミニウムーマグネシ
ウム、アルミニウムーケイ素、アルミニウムー亜鉛等の
合金で作動温度以下で溶融するものであれば多くの金属
を使用することができるが、高温の使用環境において蒸
気圧の高い化合物を形成する金属や使用温度では分解反
応を起こすような物質は、使用中に蒸発したり、接合体
の強度が低下して接合そのものが破壊してしまうために
々了ましくなし＼。
［作用コ
接合すべきセラミックスの表面に使用温度で溶融し、雰
囲気の気体と反応して安定な化合物を形成する金属層を
設けて溶融および雰囲気の気体と反応させることにより
セラミックスの接合をしたもので、高温における機械的
な接合強度と気体の漏洩を防止することができる。
囲気の気体と反応して安定な化合物を形成する金属層を
設けて溶融および雰囲気の気体と反応させることにより
セラミックスの接合をしたもので、高温における機械的
な接合強度と気体の漏洩を防止することができる。
［実施例］
以下に本発明の実施例を示しさらに詳細に本発明を説明
する。
する。
第１図には本発明のセラミックの接合体１の断面図を示
すが、少なくとも一方のセラミック２の接合面に金属層
３を形成し、金属面には接合すべきセラミックス４を載
置して加熱する。
すが、少なくとも一方のセラミック２の接合面に金属層
３を形成し、金属面には接合すべきセラミックス４を載
置して加熱する。
加熱により金属は溶融すると共に雰囲気の気体と反応し
接合体が得られる。
接合体が得られる。
接合に使用する金属層には各種の金属を使用することか
可能であるか、比較的低温である６６０℃で溶融し、空
気中において酸素と反応して、安定なセラミックスの材
料であるアルミナを生成するアルミニウムか適している
。セラミックスの材料として性質の優れた酸化ケイ素、
あるいはジルコニアは、いずれも高い融点を有している
一方で酸素とは比較的低温で反応する。とくにジルコニ
ウムは１９００℃の融点を有しているが、空気中におい
て低い温度で激しく酸素と反応する。したがって、これ
らの物質は溶融状態の金属から酸化物を形成して接合体
を得ることは極めて困難である。
可能であるか、比較的低温である６６０℃で溶融し、空
気中において酸素と反応して、安定なセラミックスの材
料であるアルミナを生成するアルミニウムか適している
。セラミックスの材料として性質の優れた酸化ケイ素、
あるいはジルコニアは、いずれも高い融点を有している
一方で酸素とは比較的低温で反応する。とくにジルコニ
ウムは１９００℃の融点を有しているが、空気中におい
て低い温度で激しく酸素と反応する。したがって、これ
らの物質は溶融状態の金属から酸化物を形成して接合体
を得ることは極めて困難である。
また、金属層に代えて金属のアルコラード等の化合物層
をセラミックスの表面に形成し、酸素含有雰囲気中での
熱分解によって接合面に酸化物等を形成することによっ
ても接合体を得ることが可能であるが、金属酸化物の生
成時に発生する気体によって接合部の気密性に劣ってい
るので、気密性が問題となる用途には適用できない。
をセラミックスの表面に形成し、酸素含有雰囲気中での
熱分解によって接合面に酸化物等を形成することによっ
ても接合体を得ることが可能であるが、金属酸化物の生
成時に発生する気体によって接合部の気密性に劣ってい
るので、気密性が問題となる用途には適用できない。
接合面に形成する金属層には、金属の板、箔、粉末、ペ
ースト等の形態のものを使用することが可能であり、ま
た金属層の厚さは０．００５ｍｍ−０、５ｍＴｌ１．
好ましくはＯＯ１〜００５ｍｍの範囲である。接合す
べきセラミックの表面状態が粗な場合にはに比較的厚く
することが必要であるが、表面状態が緻密な場合には薄
い金属層で充分である。
ースト等の形態のものを使用することが可能であり、ま
た金属層の厚さは０．００５ｍｍ−０、５ｍＴｌ１．
好ましくはＯＯ１〜００５ｍｍの範囲である。接合す
べきセラミックの表面状態が粗な場合にはに比較的厚く
することが必要であるが、表面状態が緻密な場合には薄
い金属層で充分である。
また、本発明はセラミックスとセラミックスの接合に限
らず金属とセラミックスの接合にも利用することが可能
である。
らず金属とセラミックスの接合にも利用することが可能
である。
実施例１
セラミックスとして３ｍｍＸ １０ｍｍＸ ５０ｍｍの
アルミ九 ジルコニアおよびランタンクロマイトの小片
を用意して接合の実験を行った。
アルミ九 ジルコニアおよびランタンクロマイトの小片
を用意して接合の実験を行った。
これらの材料は、第１表に示す線膨張係数を有している
。
。
１人下全も
第１表
これらのセラミックスの間に厚さＯ０１５ｍｍのアルミ
ニウム箔を挟んで積層し、大気中で１０００℃まで加熱
して接合体を得た。
ニウム箔を挟んで積層し、大気中で１０００℃まで加熱
して接合体を得た。
いずれの接合体も高温においても充分な強度を有してお
り、接合に使用したセラミックスには線膨張率において
４Ｘ１０−８１／’Ｃの差があるが、線膨張率の差によ
って生じる熱応力には耐え得る接合体が得られた。
り、接合に使用したセラミックスには線膨張率において
４Ｘ１０−８１／’Ｃの差があるが、線膨張率の差によ
って生じる熱応力には耐え得る接合体が得られた。
また、接合部にはアルミナが生成していることが確認で
きた。
きた。
実施例２
実施例１と同一の材質の直径３０ｍｍ、厚さ５＋ｎｍを
、外径２５ｍｍ、 内径２３ｍｍ、長さ１５０ｍｍの
緻密なアルミナ類の管に実施例］と同様の方法で、接合
面にアルミニウムの箔を設けて接合した。常温において
この管内を油回転ポンプで真空排気して管の外部を大気
圧として気体の封止性を試験したところ、いずれの材質
のセラミックスにおいても１０−３ｔｏｒｒ以下の圧力
まで真空排気が可能であり、気体の封止性は良好であっ
た。
、外径２５ｍｍ、 内径２３ｍｍ、長さ１５０ｍｍの
緻密なアルミナ類の管に実施例］と同様の方法で、接合
面にアルミニウムの箔を設けて接合した。常温において
この管内を油回転ポンプで真空排気して管の外部を大気
圧として気体の封止性を試験したところ、いずれの材質
のセラミックスにおいても１０−３ｔｏｒｒ以下の圧力
まで真空排気が可能であり、気体の封止性は良好であっ
た。
また、 １０００℃においても同様の封止試験を行った
が、常温と同様の結果が得られ高温における封止性も良
好であった。
が、常温と同様の結果が得られ高温における封止性も良
好であった。
［発明の効果コ
本発明は、接合すべきセラミックスの接合面に使用温度
では溶融し、雰囲気の気体と反応して安定な化合物を形
成する金属層を設けて溶融および雰囲気の気体と反応さ
せるという簡単な接合方法によって接合強度が大きくま
た気体の封止性にも優れたセラミックスの接合体が得ら
托 高温においても強度と気体の封止性を保持している
ので１０００℃程度の温度において作動する固体電解質
を用いた高温型燃料電池の接合と封止にも適している。
では溶融し、雰囲気の気体と反応して安定な化合物を形
成する金属層を設けて溶融および雰囲気の気体と反応さ
せるという簡単な接合方法によって接合強度が大きくま
た気体の封止性にも優れたセラミックスの接合体が得ら
托 高温においても強度と気体の封止性を保持している
ので１０００℃程度の温度において作動する固体電解質
を用いた高温型燃料電池の接合と封止にも適している。
Claims (6)
- （１）接合部に形成した金属層を溶融の後に雰囲気の気
体と反応させて得た化合物からなる接合層を有するセラ
ミックスの接合体。 - （２）金属層がアルミニウムであることを特徴とする請
求項１記載のセラミックスの接合体。 - （３）接合部に使用温度では溶融し、雰囲気の気体と反
応して安定な化合物を形成する金属層を設けて溶融する
とともに雰囲気の気体と反応させることを特徴とするセ
ラミックスの接合方法。 - （４）金属層がアルミニウムであることを特徴とする請
求項３記載のセラミックスの接合方法。 - （５）セラミックスが燃料電池の構成部材であることを
特徴とする請求項１または２項のいずれかに記載のセラ
ミックスの接合体。 - （６）セラミックスが燃料電池の構成部材であることを
特徴とする請求項３または４項のいずれかに記載のセラ
ミックスの接合方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2114336A JPH0412068A (ja) | 1990-04-28 | 1990-04-28 | セラミックスの接合体および接合方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2114336A JPH0412068A (ja) | 1990-04-28 | 1990-04-28 | セラミックスの接合体および接合方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0412068A true JPH0412068A (ja) | 1992-01-16 |
Family
ID=14635241
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2114336A Pending JPH0412068A (ja) | 1990-04-28 | 1990-04-28 | セラミックスの接合体および接合方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0412068A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005536434A (ja) * | 2002-08-28 | 2005-12-02 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング | セラミック層から成る複合体および該複合体を製造するための方法 |
| JP2007200568A (ja) * | 2006-01-23 | 2007-08-09 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 固体電解質型燃料電池及びその製造方法 |
| JP2011003343A (ja) * | 2009-06-17 | 2011-01-06 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 固体酸化物形燃料電池の製造方法 |
-
1990
- 1990-04-28 JP JP2114336A patent/JPH0412068A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005536434A (ja) * | 2002-08-28 | 2005-12-02 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング | セラミック層から成る複合体および該複合体を製造するための方法 |
| JP2007200568A (ja) * | 2006-01-23 | 2007-08-09 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 固体電解質型燃料電池及びその製造方法 |
| JP2011003343A (ja) * | 2009-06-17 | 2011-01-06 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 固体酸化物形燃料電池の製造方法 |
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