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JPH0678177B2 - Sealing material for solid oxide fuel cell and sealing method - Google Patents
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JPH0678177B2 - Sealing material for solid oxide fuel cell and sealing method - Google Patents

Sealing material for solid oxide fuel cell and sealing method

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JPH0678177B2
JPH0678177B2 JP3111712A JP11171291A JPH0678177B2 JP H0678177 B2 JPH0678177 B2 JP H0678177B2 JP 3111712 A JP3111712 A JP 3111712A JP 11171291 A JP11171291 A JP 11171291A JP H0678177 B2 JPH0678177 B2 JP H0678177B2
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sealing
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は固体電解質型燃料電池用
封着材およびその封着方法に関するものである。更に詳
しく述べるならば本発明は、固体電解質型燃料電池の単
電池にガス通路用マニホールドを比較的低温で溶融封着
することができ、かつ燃料電池の使用温度に耐える封着
部を形成することのできる封着材、および封着方法に関
するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sealing material for a solid oxide fuel cell and a sealing method thereof. More specifically, according to the present invention, a gas passage manifold can be melt-sealed in a unit cell of a solid oxide fuel cell at a relatively low temperature, and a sealing portion that withstands the operating temperature of the fuel cell is formed. The present invention relates to a sealing material that can be used and a sealing method.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、固型電解質型燃料電池、例えば、
順次に積層された、(La, Sr)MnO3製空気電極層、8モル
% Y2O3-ZrO2製固体電解質層およびNi/ZrO2サーメット
製燃料電極層からなる単電池、並びに、前記単電池を L
a(Cr,Mg)O3 製セパレータにより電気的に接続して構成
される燃料電池の開発が活発に行われている。
2. Description of the Related Art Recently, solid electrolyte fuel cells, for example,
A unit cell composed of a (La, Sr) MnO 3 air electrode layer, 8 mol% Y 2 O 3 -ZrO 2 solid electrolyte layer and a Ni / ZrO 2 cermet fuel electrode layer, which are sequentially laminated, and L battery
Fuel cells that are electrically connected by a (Cr, Mg) O 3 separator are being actively developed.

【0003】固体電解質型燃料電池は、他の方式の燃料
電池に比較して効率、および耐久性においてすぐれてい
るが、その実用温度が1000〜1050℃という高温であり、
かつ燃料電極側は還元性雰囲気を形成するが空気電極側
は酸性雰囲気を形成するなど、その使用条件は極めて苛
酷であり、このため固体電解質型燃料電池の実用化の達
成のためには、解決すべき多数の問題点がある。
The solid oxide fuel cell is superior in efficiency and durability to other types of fuel cells, but its practical temperature is as high as 1000 to 1050 ° C.,
In addition, the fuel electrode side forms a reducing atmosphere, but the air electrode side forms an acidic atmosphere, and the operating conditions are extremely severe.Therefore, in order to achieve the practical application of the solid oxide fuel cell, there is a solution. There are a number of issues to be addressed.

【0004】固体電解質型燃料電池として、図1に示さ
れているように、多孔質管状支持層1、の外側に管状空
気電極層2、その外側に一部を帯状に開口するようにし
て形成された管状固体電解質層3、更にその外側に、管
状燃料電極層4、及びその開口部に帯状にインタコネク
タ5を順次に配置した円筒型燃料電池が知られている。
この円筒型燃料電池においては、多孔質管状支持層1の
中空部から矢印6の方向に空気が供給され、管状燃料電
極層の外側に矢印7の方向に燃料ガスが供給される。こ
のような円筒型燃料電池は、これを1ユニットとして多
段化する場合、空間利用効率が低いという問題点を有し
ている。
As a solid oxide fuel cell, as shown in FIG. 1, a tubular air electrode layer 2 is formed on the outer side of a porous tubular support layer 1, and a part of the tubular air electrode layer is opened on the outer side in a band shape. There is known a cylindrical fuel cell in which the tubular solid electrolyte layer 3 is further formed, a tubular fuel electrode layer 4 is further provided outside the tubular solid electrolyte layer 3, and a strip-shaped interconnector 5 is sequentially arranged in an opening portion of the tubular fuel electrode layer 4.
In this cylindrical fuel cell, air is supplied from the hollow portion of the porous tubular support layer 1 in the direction of arrow 6 and fuel gas is supplied to the outside of the tubular fuel electrode layer in the direction of arrow 7. Such a cylindrical fuel cell has a problem that the space utilization efficiency is low when it is multi-staged with one unit.

【0005】この問題点を解決するために、空気電極
層、固体電解質層、および燃料電極層をそれぞれ平板状
に形成し、これを積層して構成された平板状・固体電解
質型燃料電池が提案されている。平板状・固体電解質型
燃料電池の本体は、後に詳しく説明するように、1個の
単電池又は2個以上の単電池の積層体からなるものであ
って、各単電池は、1対のセパレータの間に挟持され、
かつ順次に積層された、平板状空気電極層、平板状固体
電解質層および燃料電極層からなるものである。
In order to solve this problem, a flat plate-type solid electrolyte fuel cell is proposed in which an air electrode layer, a solid electrolyte layer, and a fuel electrode layer are each formed in a flat plate shape and are laminated. Has been done. The main body of the flat plate-type solid oxide fuel cell is composed of one unit cell or a laminate of two or more unit cells, and each unit cell is a pair of separators, as will be described later in detail. Sandwiched between
Further, it is composed of a flat plate air electrode layer, a flat plate solid electrolyte layer and a fuel electrode layer which are sequentially laminated.

【0006】上記のような平板状・固体電解質型燃料電
池においては、その単電池の各々に、ガス(燃料ガス、
又は酸素含有ガス (空気))を供給、又は排出するための
ガス通路用マニホールドを封着材により密封・連結し
て、これらを一体化する必要がある。この密封・連結方
法として、従来、ロー付け法、および拡散接合法などが
知られていたが、これらの密封・連結に際して解決すべ
き多くの問題点があった。
In the flat plate-type solid oxide fuel cell as described above, gas (fuel gas,
Alternatively, it is necessary to seal and connect a gas passage manifold for supplying or discharging an oxygen-containing gas (air) with a sealing material to integrate them. As the sealing / connecting method, conventionally, a brazing method and a diffusion bonding method have been known, but there are many problems to be solved in sealing / connecting these.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】固体電解質型燃料電池
は、一般に1000℃〜1050℃の高温における酸化・還元反
応を利用するものである。通常使用温度が1000℃〜1050
℃の場合、この使用条件下において、溶融、変質、劣化
などを生じることのない封着部を形成するためには、上
記温度よりかなり高い温度、例えば1500℃の温度で溶融
封着されるような高温封着材の使用が必要であると考え
られていた。
A solid oxide fuel cell generally utilizes an oxidation / reduction reaction at a high temperature of 1000 ° C to 1050 ° C. Normal operating temperature is 1000 ℃ ~ 1050
In the case of ℃, under these conditions of use, in order to form a sealed part that does not cause melting, deterioration, deterioration, etc., it is necessary to perform melt sealing at a temperature considerably higher than the above temperature, for example 1500 ° C. It was considered necessary to use a high temperature sealing material.

【0008】しかしながら、燃料電池単電池を、その封
着のために、上記のような高温に加熱すると、空気電極
層を形成している材料(La, Sr)MnO3が焼結されて収縮
し、空気の流通透過が困難になり、特に、1150℃以上の
温度に加熱されると、空気電極層形成材は、固体電解質
層形成材料(8モル% Y2O3-ZrO2)と固相反応して電気
的不良導体を形成してしまうという問題点を生ずる。
However, when the fuel cell unit cell is heated to the above-mentioned high temperature for its sealing, the material (La, Sr) MnO 3 forming the air electrode layer is sintered and shrinks. , It becomes difficult for air to pass through, and especially when heated to a temperature of 1150 ° C or higher, the air electrode layer forming material is solid electrolyte layer forming material (8 mol% Y 2 O 3 -ZrO 2 ) and solid phase. This causes a problem that it reacts to form an electrically defective conductor.

【0009】従って、封着材は、燃料電池構成要素を変
質させることのない比較的低温で、封着することが可能
であり、しかも、封着後は、燃料電池の使用温度におい
て、溶融或は変質劣化することがなく、しかも、封着す
べき材料の熱膨張により破損することのないものでなけ
ればならない。更に、封着材は、封着すべき材料に対し
て良好な接着性を有し、かつ完全に気密であってガスの
流通をしゃ断するとともに良好な電気的絶縁性を有する
封着部を形成するものでなければならない。
Therefore, the sealing material can be sealed at a relatively low temperature without degrading the fuel cell components, and after sealing, the sealing material is melted or melted at the operating temperature of the fuel cell. Should not deteriorate and deteriorate, and shall not be damaged by thermal expansion of the material to be sealed. Furthermore, the sealing material has a good adhesiveness to the material to be sealed, and is completely airtight to form a sealed portion that blocks gas flow and has good electrical insulation. Must be something that

【0010】しかしながら上記の要件のすべてを満足す
ることのできる封着材は未だ提供されていなかった。
However, a sealing material that can satisfy all the above requirements has not been provided yet.

【0011】本発明は固体電解質型燃料電池に対し、そ
の単電池を、その材質、性能に悪影響を及ぼすことのな
い比較的低温においてガス通路用マニホールドに密封連
結することができ、その封着部が前記燃料電池の使用条
件において溶融、又は変質劣化或は破損することがな
く、封着すべき材料に対しすぐれた接着性を有し、更
に、完全に気密であってガスの流通をしゃ断するととも
にすぐれた電気絶縁性を有する封着部を形成することの
できる封着材、および封着方法を提供しようとするもの
である。
The present invention is capable of sealingly connecting a unit cell of a solid oxide fuel cell to a gas passage manifold at a relatively low temperature that does not adversely affect the material and performance of the solid electrolyte fuel cell. Does not melt, deteriorate or deteriorate under the conditions of use of the fuel cell, has excellent adhesiveness to the material to be sealed, and is completely airtight and cuts off gas flow. Another object of the present invention is to provide a sealing material capable of forming a sealing portion having excellent electrical insulation and a sealing method.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明は比較的低いガラ
ス軟化温度を有する特定組成のアルミノ珪酸ガラス粒体
と、比較的高いガラス軟化温度を有する特定組成の高シ
リカガラス粒体との混合物からなる封着材を用いること
により上記課題の解決に成功したものである。
The present invention comprises a mixture of a specific composition aluminosilicate glass granules having a relatively low glass softening temperature and a specific composition high silica glass granules having a relatively high glass softening temperature. The above-mentioned problems have been successfully solved by using the sealing material.

【0013】すなわち本発明の固体電解質型燃料電池用
封着材は、固体電解質型燃料電池の本体部にガス通路用
マニホールドを密封連結するための封着材であって、 下記要素: (A)シリカと、アルミナとを含み、かつ、 770℃〜 9
50℃のガラス軟化温度を有するアルミノ珪酸ガラスから
なる少なくとも1種の低軟化点ガラス粒体と、および
(B)シリカと、アルミナとを含み、かつ1450℃〜1550
℃のガラス軟化温度を有する高シリカガラスからなる少
なくとも1種の高軟化点ガラス粒体と、の混合物からな
ることを特徴とするものである。上記の固体電解質型燃
料電池用封着材において、低軟化点ガラス粒体のアルミ
ノ珪酸は、52〜58重量%のシリカと、20〜22重量%のア
ルミナとを含むことが好ましく、また、高軟化点ガラス
粒体の高シリカガラスは、94〜98重量%のシリカと、0.
2〜0.8重量%のアルナミとを含むことが好ましく、更
に、低軟化点ガラス粒体の合計重量の、高軟化点ガラス
粒体の合計重量に対する比が、50:50〜35:65の範囲内
にあることが好ましい。
That is, the sealing material for a solid oxide fuel cell of the present invention is a sealing material for hermetically connecting a gas passage manifold to the main body of a solid oxide fuel cell, and includes the following elements: (A) Contains silica and alumina, and 770 ℃ ~ 9
1450 ° C. to 1550, containing at least one low softening point glass granules made of aluminosilicate glass having a glass softening temperature of 50 ° C., and (B) silica and alumina.
It is characterized by comprising a mixture with at least one high softening point glass granules made of high silica glass having a glass softening temperature of ° C. In the above solid electrolyte fuel cell sealing material, the aluminosilicate of the low softening point glass particles preferably contains 52 to 58% by weight of silica and 20 to 22% by weight of alumina, and also high. High-silica glass with softening point glass granules contains 94-98% by weight silica and 0.
2 to 0.8% by weight of aluminum is preferable, and the ratio of the total weight of the low softening point glass particles to the total weight of the high softening point glass particles is 50:50 to 35:65. It is preferably within the range.

【0014】また、本発明の固体電解質型燃料電池の封
着方法は、順次に積層された燃料電極層、固体電解質
層、および空気電極層、並びにセパレーターを含んでな
る少なくとも1層の固体電解質型燃料電池単電池の各々
に、ガス通路用マニホールドを密封連結するために、前
記単電池と、前記マニホールドとの接合部を、封着材を
軟化させながら封着し、この軟化封着部を冷却固化する
方法であって、前記封着材が、下記要素: (A)シリカと、アルミナとを含み、かつ、 770℃〜 9
50℃のガラス軟化温度を有するアルミノ珪酸ガラスから
なる少なくとも1種の低軟化点ガラス粒体と、および
(B)シリカと、アルミナとを含み、かつ1450℃〜1550
℃のガラス軟化温度を有する高シリカガラスからなる少
なくとも1種の高軟化点ガラス粒体との積層物からな
り、そして前記軟化封着操作が1000℃〜1150℃の温度に
おいて行われる、ことを特徴とするものである。上記の
固体電解質型燃料電池封着方法において、低軟化点ガラ
ス粒体のアルミノ珪酸は、52〜58重量%のシリカと、20
〜22重量%のアルミナとを含むことが好ましく、また、
高軟化点ガラス粒体の高シリカガラスは、94〜98重量%
のシリカと、0.2〜0.8重量%のアルナミとを含むこと
が好ましく、更に、低軟化点ガラス粒体の合計重量の、
高軟化点ガラス粒体の合計重量に対する比が、50:50〜
35:65の範囲内にあることが好ましい。
Further, the method for sealing a solid oxide fuel cell of the present invention comprises at least one solid electrolyte type fuel cell comprising a fuel electrode layer, a solid electrolyte layer, an air electrode layer and a separator, which are sequentially laminated. In order to hermetically connect the gas passage manifold to each fuel cell unit cell, the joint between the unit cell and the manifold is sealed while softening the sealing material, and the softened seal portion is cooled. A method for solidifying, wherein the sealing material contains the following elements: (A) silica and alumina, and 770 ° C to 9 ° C.
1450 ° C. to 1550, containing at least one low softening point glass granules made of aluminosilicate glass having a glass softening temperature of 50 ° C., and (B) silica and alumina.
Characterized in that it comprises a laminate with at least one high softening point glass granules made of high silica glass having a glass softening temperature of 0 ° C., and said softening and sealing operation is carried out at a temperature of 1000 ° C. to 1150 ° C. It is what In the above solid oxide fuel cell sealing method, the low softening point glass particles of aluminosilicate are 52 to 58% by weight of silica and 20
~ 22 wt% alumina and preferably,
High silica glass with high softening point glass granules is 94-98% by weight
Silica and 0.2 to 0.8% by weight of Alnami, and further, the total weight of the low softening point glass particles,
The ratio of the high softening point glass particles to the total weight is 50:50 ~
It is preferably within the range of 35:65.

【0015】[0015]

【作用】図2には、本発明の封着材および封着方法を適
用する平板状・固体電解質型燃料電池単電池の構成が示
されている。すなわち、図2において、1対の平板状セ
パレーター8の間に平板状空気電極層9、平板状固体電
解質層10および平板状燃料電極層11が順次に積層合体さ
れて、平板状燃料電池単電池を形成している。この平板
状空気電極層9および平板状燃料電極層11は、それぞれ
矢印12、および13の方向に伸びる溝を有していて、この
溝に沿って矢印の方向に空気、又は燃料ガスを流すこと
ができる。
FIG. 2 shows the structure of a flat plate-type solid electrolyte fuel cell unit cell to which the sealing material and the sealing method of the present invention are applied. That is, in FIG. 2, a flat plate-shaped air electrode layer 9, a flat plate-shaped solid electrolyte layer 10 and a flat plate-shaped fuel electrode layer 11 are sequentially laminated and combined between a pair of flat plate-shaped separators 8 to form a flat plate-shaped fuel cell unit cell. Is formed. The flat air electrode layer 9 and the flat fuel electrode layer 11 have grooves extending in the directions of arrows 12 and 13, respectively, and allow air or fuel gas to flow along these grooves in the direction of the arrow. You can

【0016】空気電極層は例えば(La, Sr)MnO3により形
成され、固体電解質層は、8モル%Y2O3-ZrO2系材料に
より形成され、燃料電極層は、 Ni-ZrO2材料により形成
され、セパレーター層は、 La(Cr・Mg)O3 材料により形
成される。
The air electrode layer is made of, for example, (La, Sr) MnO 3 , the solid electrolyte layer is made of 8 mol% Y 2 O 3 -ZrO 2 system material, and the fuel electrode layer is made of Ni-ZrO 2 material. And the separator layer is formed of a La (Cr.Mg) O 3 material.

【0017】これらの要素層は平板状に一体に積層さ
れ、そのガス通路を形成するために、単電池の各側面に
マニホールドが封着される。図3において、燃料電池単
電池14は、順次に積層合体されたセパレーター8a、燃
料電極層11、固体電解質層10、空気電極層9およびセパ
レーター8bにより構成され、その4側面のうち側面A
は、空気供給面であって空気供給マニホールド(図示さ
れていない)に連結され、側面Bは燃料ガス供給面であ
って燃料ガス供給マニホールド(図示されていない)に
連結され、側面Cは燃料ガス排出面であって燃料ガス排
出マニホールド15aに連結され、側面Dは、空気排出面
であって空気排出マニホールド15bに連結されている。
図3において1個の燃料電池単電池と、それに連結され
たマニホールドだけが図示されているが、2個以上の単
電池の積層体に対しこのようにマニホールドが連結され
ていてもよい。
These element layers are integrally laminated in a flat plate shape, and a manifold is sealed on each side surface of the unit cell to form a gas passage thereof. In FIG. 3, a fuel cell unit cell 14 is composed of a separator 8a, a fuel electrode layer 11, a solid electrolyte layer 10, an air electrode layer 9 and a separator 8b, which are sequentially stacked and combined, and a side surface A among the four side surfaces thereof.
Is an air supply surface and is connected to an air supply manifold (not shown), side B is a fuel gas supply surface and is connected to a fuel gas supply manifold (not shown), and side C is a fuel gas The discharge surface is connected to the fuel gas discharge manifold 15a, and the side surface D is an air discharge surface and is connected to the air discharge manifold 15b.
Although only one fuel cell unit cell and the manifold connected to it are shown in FIG. 3, the manifold may be connected to a stack of two or more unit cells in this way.

【0018】各燃料電池単電池と、マニホールドとが、
本発明の封着材を用い、本発明の封着方法により密封連
結される。
Each fuel cell unit cell and manifold are
The sealing material of the present invention is used to hermetically connect by the sealing method of the present invention.

【0019】本発明の封着材は、シリカ(好ましくは52
〜58重量%)と、アルミナ(好ましくは20〜22重量%)
を含み、かつ 770℃〜 950℃、例えば 870℃、のガラス
軟化温度を有するアルミノ珪酸ガラスからなる少なくと
も1種の低軟化点ガラス粒体(A)と、シリカ(好まし
くは94〜98重量%)と、アルミナ(好ましくは0.2〜0.
8重量%)とを含み、かつ1450℃〜1550℃、例えば1530
℃)のガラス軟化温度を有する高シリカガラスからなる
少なくとも1種の高軟化点ガラス粒体(B)とを混合し
たものである。また、低軟化点ガラス粒体(A)の合計
重量の、高軟化点ガラス粒体(B)の合計重量に対する
混合比は、50:50〜35:65であることが好ましく、40:
60〜35:65であることが更に好ましい。
The sealing material of the present invention comprises silica (preferably 52
~ 58 wt%) and alumina (preferably 20-22 wt%)
And at least one low softening point glass granules (A) made of aluminosilicate glass having a glass softening temperature of 770 ° C to 950 ° C, for example 870 ° C, and silica (preferably 94 to 98% by weight). And alumina (preferably 0.2 to 0.2.
8% by weight) and 1450 ° C to 1550 ° C, for example 1530
(C) and at least one type of high softening point glass particles (B) made of high silica glass. The mixing ratio of the total weight of the low softening point glass particles (A) to the total weight of the high softening point glass particles (B) is preferably 50:50 to 35:65, and 40:
More preferably, it is 60 to 35:65.

【0020】上述のように低軟化点ガラス粒体(A)
と、高軟化点ガラス粒体(B)とを混合して得られる封
着材を用いてこれに1000℃〜1150℃の加熱封着操作を施
すとその初期段階において先づ低軟化点ガラス粒体が軟
化(溶融)し、封着部分を濡らしてこれを封着し、かつ
軟化(溶融)した低軟化点ガラス中に、高軟化点ガラス
粒体が浸漬されることになり、やがて、低軟化点ガラス
と高軟化点ガラスとは互に溶解混合合体して1050℃より
高く1150℃未満の軟化温度を有するガラスに変化する。
As described above, the low softening point glass particles (A)
And a high-softening point glass granule (B) are mixed to obtain a low-softening-point glass granule at the initial stage when the sealing material is heated and sealed at 1000 ° C to 1150 ° C. The softening (melting) of the body wets the sealing part to seal it, and the high softening point glass particles are immersed in the softened (melting) low softening point glass. The softening point glass and the high softening point glass are melt-mixed with each other to form a glass having a softening temperature higher than 1050 ° C and lower than 1150 ° C.

【0021】この軟化温度は燃料電池の使用温度約1000
℃〜1050℃より高く、従って、燃料電池の使用温度にお
いて、封着部が軟化又は溶融することがない。このよう
な封着部を構成するガラスの組成は、低軟化点ガラス粒
体(A)と高軟化点ガラス粒体(B)の組成および重量
比によって定まり、一般に79.2〜81.3重量%のシリカ(S
iO2)および7.6〜8.6重量%のアルミナ(Al2O3) を含有
するものであることが好ましい。
The softening temperature is about 1000 at the operating temperature of the fuel cell.
C. to above 1050.degree. C., and therefore the sealing portion does not soften or melt at the operating temperature of the fuel cell. The composition of the glass that constitutes such a sealed portion is determined by the composition and weight ratio of the low softening point glass granules (A) and the high softening point glass granules (B), and is generally 79.2 to 81.3 wt% silica ( S
iO 2 ) and 7.6 to 8.6% by weight of alumina (Al 2 O 3 ) are preferable.

【0022】低軟化点ガラス粒体は、1〜40μmの粒径
を有することが好ましく、また高軟化点ガラス粒体の粒
径は1〜80μmの範囲内にあることが好ましい。また、
低軟化点ガラス粒体の、高軟化点ガラス粒体に対する合
計重量比((A) / (B))は50:50〜35:65であることが
好ましく、40:60〜35:65であることがより好ましい。
この合計重量比((A) / (B))が50/50より大きくなる
と、封着操作により形成される封着ガラス部軟化点が10
00℃より低くなり、従って燃料電池の使用温度において
封着ガラス部が軟化・溶融するという不都合を生ずるこ
とがある。また、前記重量比((A) / (B))が35/65未
満であると、封着操作に要する温度が1150℃より高くな
り、このような封着温度では、燃料電池の構成要素、特
に空気電極層((La・Sr)MnO3)が焼結・収縮し、かつ固体
電解質(安定化ジルコニア)と固相反応してその特性を
変化させるという不都合を生ずることがある。
The low softening point glass particles preferably have a particle size of 1 to 40 μm, and the high softening point glass particles preferably have a particle size in the range of 1 to 80 μm. Also,
The total weight ratio ((A) / (B)) of the low softening point glass particles to the high softening point glass particles is preferably 50:50 to 35:65, and 40:60 to 35:65. Is more preferable.
If the total weight ratio ((A) / (B)) exceeds 50/50, the softening point of the sealing glass portion formed by the sealing operation is 10 or less.
The temperature may be lower than 00 ° C, and therefore the disadvantage that the sealing glass part is softened / melted at the operating temperature of the fuel cell may occur. Further, if the weight ratio ((A) / (B)) is less than 35/65, the temperature required for the sealing operation becomes higher than 1150 ° C, and at such sealing temperature, the components of the fuel cell, In particular, the air electrode layer ((La · Sr) MnO 3 ) may sinter and shrink, and may undergo solid phase reaction with the solid electrolyte (stabilized zirconia) to change its properties.

【0023】本発明方法において、軟化封着操作は1000
℃〜1150℃の温度において行われる。この封着温度が10
00℃未満の場合、低・および高軟化点ガラス粒体の軟化
混合合体が十分に行われず、所望の組成と、軟化温度を
有する均質なガラス封着部を形成することができない。
また、封着温度が1150℃をこえて高くなると、前述のよ
うに燃料電池の構成要素、特に空気電極層が焼結・収縮
し、かつ、固体電解質(安定化ジルコニア)と固相反応
を生じて、その結果その性能が低下する。
In the method of the present invention, the softening and sealing operation is 1000
It is carried out at a temperature from ℃ to 1150 ℃. This sealing temperature is 10
If the temperature is lower than 00 ° C, the soft and mixed glass particles having low and high softening points are not sufficiently softened and mixed, and a uniform glass sealing part having a desired composition and a softening temperature cannot be formed.
When the sealing temperature rises above 1150 ° C, the fuel cell components, especially the air electrode layer, sinter and shrink as described above, and a solid-state reaction with the solid electrolyte (stabilized zirconia) occurs. As a result, its performance is reduced.

【0024】本発明方法において、燃料電池本体の封着
すべき部分と、マニホールドの封着部とを突き合わせ、
これに、所定量の本発明の封着材を、前記突き合わせ部
に配置し、この封着材を、適宜の加熱手段、例えばN2
雰囲気電気炉などにより加熱して、封着材中の低・およ
び高軟化点ガラス粒体の軟化混合、および封着を施し、
次にこれを冷却固化してガラス封着部を形成する。
In the method of the present invention, the portion of the fuel cell body to be sealed and the sealing portion of the manifold are butted against each other,
A predetermined amount of the sealing material of the present invention is placed on the abutting portion, and the sealing material is heated by an appropriate heating means such as N 2
Atmosphere It is heated by an electric furnace, etc. to soften and mix the low and high softening point glass particles in the sealing material, and perform sealing.
Next, this is cooled and solidified to form a glass sealing part.

【0025】[0025]

【実施例】本発明を下記実施例により具体的に説明す
る。実施例1および2、並びに比較例1〜3 (1)低軟化点ガラス粒体の製造 54重量%のSiO2、21重量%のAl2O3 、および残余量のNa
O, CaOおよびその他の酸化物を含むアルミノ珪酸ガラス
(ガラス軟化点: 870℃)を粉砕しフルイ分けして粒径
1〜40μmの低軟化点ガラス粒体を製造した。
EXAMPLES The present invention will be specifically described with reference to the following examples. Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3 (1) Production of low softening point glass granules 54% by weight of SiO 2 , 21% by weight of Al 2 O 3 , and residual amount of Na
Aluminosilicate glass containing O, CaO and other oxides (glass softening point: 870 ° C.) was crushed and sifted to produce low softening point glass particles having a particle size of 1 to 40 μm.

【0026】(2)高軟化点ガラス粒体の製造 98重量%のSiO2と、0.4重量%のAl2O3 と残余量のNaO,
CaOおよびその他の酸化物を含む、高シリカガラス(ガ
ラス軟化点:1530℃以上)を粉砕しフルイ分けして、粒
径1〜40μm高軟化点ガラス粒径を作成した。
(2) Production of high softening point glass granules 98% by weight of SiO 2 , 0.4% by weight of Al 2 O 3 and the balance of NaO,
High silica glass (glass softening point: 1530 ° C. or higher) containing CaO and other oxides was crushed and sifted to obtain glass particles having a high softening point of 1 to 40 μm.

【0027】(3)封着材の作成 前記低軟化点ガラス粒体と、前記高軟化点ガラス粒体と
を表1に記載された重量混合比になるように混合して封
着材を作成した。
(3) Preparation of Sealing Material The low softening point glass granules and the high softening point glass granules were mixed in a weight mixing ratio shown in Table 1 to prepare a sealing material. did.

【0028】上記封着材の水性ペーストを、イットリア
安定化ジルコニア膜 (固体電解質)(厚さ 150μm)上に
塗布し、 150℃の温度で乾燥し試験片を作成した。2枚
の上記試験片を、塗布層が合着するように重ね合わせ、
これを昇温速度20℃/分で1100℃迄加熱し、この温度に
1000分間保持して、前記2枚の固体電解質膜体の封着を
行い、これを常温迄冷却した。得られた封着物の接合状
態を観察評価した。
An aqueous paste of the above-mentioned sealing material was applied on a yttria-stabilized zirconia membrane (solid electrolyte) (thickness 150 μm) and dried at a temperature of 150 ° C. to prepare a test piece. The two test pieces are stacked so that the coating layers adhere to each other,
Heat this to 1100 ℃ at a heating rate of 20 ℃ / min,
After holding for 1000 minutes, the two solid electrolyte membranes were sealed and cooled to room temperature. The bonding state of the obtained sealed product was observed and evaluated.

【0029】また、上記封着材を、上記と同一条件下に
加熱し冷却固化して軟化混合合体物を作成し、そのガラ
ス軟化温度を測定した。
Further, the above-mentioned sealing material was heated under the same conditions as above, cooled and solidified to prepare a softened mixture, and its glass softening temperature was measured.

【0030】更に、上記封着物を用い、上記と同一の封
着加熱条件により平板状固体電解質型燃料電池本体の側
面に、ZrO2製マニホールドを封着し、その封着部の接合
状態を観察評価し、更に、この燃料電池を1000℃におい
て放電させた。上記テストの結果を表1に示す。
Further, using the above-mentioned sealed material, a ZrO 2 manifold was sealed to the side surface of the flat plate solid oxide fuel cell body under the same sealing heating conditions as above, and the bonding state of the sealed portion was observed. The fuel cell was evaluated and further discharged at 1000 ° C. The results of the above tests are shown in Table 1.

【表1】 [Table 1]

【0031】表1から明らかなように本発明の封着材お
よび封着方法を用いることにより平板状固体電解質型燃
料電池本体と、マニホールドとを1000℃〜1150℃の温度
で容易に封着し、1000℃〜1050℃の使用温度において、
不都合なく実用し得る燃料電池を得ることができた。
As is apparent from Table 1, the plate-shaped solid oxide fuel cell body and the manifold were easily sealed at a temperature of 1000 ° C. to 1150 ° C. by using the sealing material and the sealing method of the present invention. , At the operating temperature of 1000 ℃ ~ 1050 ℃,
It was possible to obtain a fuel cell that could be put to practical use without any inconvenience.

【0032】[0032]

【発明の効果】本発明の封着材および封着方法によっ
て、平板状固体電解質型燃料電池本体とマニホールドと
を、その構成要素に変化を与えることのない比較的低温
において封着し、かつ、1000℃〜1050℃の実用温度にお
いて、不都合なく使用可能な燃料電池を製造することが
可能になった。
According to the sealing material and sealing method of the present invention, the flat plate solid oxide fuel cell main body and the manifold are sealed at a relatively low temperature which does not change the constituent elements, and It has become possible to manufacture a fuel cell that can be used without inconvenience at a practical temperature of 1000 ° C to 1050 ° C.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】従来の円筒状固体電解質型燃料電池の構成を示
す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of a conventional cylindrical solid oxide fuel cell.

【図2】本発明の封着材および封着方法が適用される平
板状固体電解質型燃料電池単電池の構成要素および、そ
の積層構造を示す説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing constituent elements of a flat plate solid oxide fuel cell single cell to which the sealing material and the sealing method of the present invention are applied, and a laminated structure thereof.

【図3】本発明の封着材および封着方法が適用される平
板状固体電解質型燃料電池単電池と、ガス通路用マニホ
ールドとの封着連結状態を示す説明図である。
FIG. 3 is an explanatory view showing a sealing connection state of a flat plate solid oxide fuel cell single cell to which a sealing material and a sealing method of the present invention are applied and a gas passage manifold.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…多孔質管状支持層 2…管状空気電極層 3…管状固体電解質層 4…管状燃料電極層 5…インタコネクタ 6,12…空気流の方向 7,13…燃料ガス流の方向 8,8a,8b…セパレーター 9…平板状空気電極層 10…平板状固体電解質層 11…平板状燃料電極層 14…燃料電池単電池 15a,15b…マニホールド A,B,C,D…平板状燃料電池単電池の側面 1 ... Porous tubular support layer 2 ... Tubular air electrode layer 3 ... Tubular solid electrolyte layer 4 ... Tubular fuel electrode layer 5 ... Interconnector 6, 12 ... Air flow direction 7, 13 ... Fuel gas flow direction 8, 8a, 8b ... Separator 9 ... Flat air electrode layer 10 ... Flat solid electrolyte layer 11 ... Flat fuel electrode layer 14 ... Fuel cell unit cell 15a, 15b ... Manifold A, B, C, D ... Flat fuel cell unit cell side

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 幹夫 千葉県船橋市豊富町585番地 住友セメン ト株式会社 新規事業本部内 (72)発明者 加藤 謙 千葉県船橋市豊富町585番地 住友セメン ト株式会社 新規事業本部内 (72)発明者 安田 勇 東京都港区芝浦1丁目16番25号 東京瓦斯 株式会社内 (72)発明者 小山 俊彦 東京都港区芝浦1丁目16番25号 東京瓦斯 株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Mikio Hayashi 585 Tomimachi, Funabashi, Chiba Sumitomo Cement Co., Ltd. New Business Headquarters (72) Ken Ken Kato 585 Tomicho, Funabashi, Chiba Sumitomo Cement Shares Company New Business Headquarters (72) Inventor Isamu Yasuda 1-1625 Shibaura, Minato-ku, Tokyo Tokyo Gas Co., Ltd. (72) Toshihiko Koyama 1-16-25 Shibaura, Minato-ku, Tokyo Tokyo Gas Co., Ltd. Within

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 固体電解質型燃料電池の本体部にガス通
路用マニホールドを密封連結するための封着材であっ
て、 下記要素: (A)シリカと、アルミナとを含み、かつ、 770℃〜 9
50℃のガラス軟化温度を有するアルミノ珪酸ガラスから
なる少なくとも1種の低軟化点ガラス粒体と、および
(B)シリカと、アルミナとを含み、かつ1450℃〜1550
℃のガラス軟化温度を有する高シリカガラスからなる少
なくとも1種の高軟化点ガラス粒体と、の混合物からな
ることを特徴とする固体電解質型燃料電池用封着材。
1. A sealing material for hermetically connecting a gas passage manifold to a main body of a solid oxide fuel cell, comprising: (A) silica and alumina; 9
1450 ° C. to 1550, containing at least one low softening point glass granules made of aluminosilicate glass having a glass softening temperature of 50 ° C., and (B) silica and alumina.
A sealing material for a solid oxide fuel cell, comprising a mixture of at least one high softening point glass granules made of high silica glass having a glass softening temperature of ° C.
【請求項2】 前記低軟化点ガラス粒体のアルミノ珪酸
ガラスが、52〜58重量%のシリカと20〜22重量%のアル
ミナを含む、請求項1に記載の固体電解質型燃料電池用
封着材。
2. The solid electrolyte fuel cell sealing material according to claim 1, wherein the low softening point glass aluminosilicate glass contains 52 to 58% by weight of silica and 20 to 22% by weight of alumina. Material.
【請求項3】 前記高軟化点ガラス粒体の高シリカガラ
スが、94〜98重量%のシリカと0.2〜0.8重量%のアル
ミナとを含む、請求項1に記載の固体電解質型燃料電池
用封着材。
3. The solid electrolyte type according to claim 1, wherein the high-silica glass of the high softening point glass granules contains 94 to 98% by weight of silica and 0.2 to 0.8% by weight of alumina. Sealant for fuel cells.
【請求項4】 前記低軟化点ガラス粒体の合計重量の、
前記高軟化点ガラス粒体の合計重量に対する比が、50:
50〜35:65の範囲内にある、請求項1に記載の固体電解
質型燃料電池用封着材。
4. The total weight of the low softening point glass particles,
The ratio to the total weight of the high softening point glass particles is 50:
The sealing material for a solid oxide fuel cell according to claim 1, which is in a range of 50 to 35:65.
【請求項5】 順次に積層された燃料電極層、固体電解
質層、および空気電極層、並びにセパレーターを含んで
なる少なくとも1層の固体電解質型燃料電池本体ユニッ
トの各々に、ガス通路用マニホールドを密封連結するた
めに、前記電池本体ユニットと、前記マニホールドとの
接合部を、封着材を軟化させながら封着し、この軟化封
着部を冷却固化する方法であって、前記封着材が、下記
要素: (A)シリカと、アルミナとを含み、かつ、 770℃〜 9
50℃のガラス軟化温度を有するアルミノ珪酸ガラスから
なる少なくとも1種の低軟化点ガラス粒体と、および
(B)シリカと、アルミナとを含み、かつ1450℃〜1550
℃のガラス軟化温度を有する高シリカガラスからなる少
なくとも1種の高軟化点ガラス粒体との混合物からな
り、そして、前記軟化封着操作が1000℃〜1150℃の温度
において行われる、固体電解質型燃料電池用の封着方
法。
5. A gas passage manifold is hermetically sealed in each of at least one layer of a solid oxide fuel cell main unit including a fuel electrode layer, a solid electrolyte layer, an air electrode layer, and a separator, which are sequentially stacked. In order to connect, the battery main body unit, the joint portion of the manifold, is sealed while softening the sealing material, a method of cooling and solidifying the softened sealing portion, the sealing material, The following elements: (A) Contains silica and alumina, and 770 ° C to 9
1450 ° C. to 1550, containing at least one low softening point glass granules made of aluminosilicate glass having a glass softening temperature of 50 ° C., and (B) silica and alumina.
Solid electrolyte type, which comprises a mixture with at least one high softening point glass granules made of high silica glass having a glass softening temperature of 0 ° C., and the softening and sealing operation is performed at a temperature of 1000 ° C. to 1150 ° C. Sealing method for fuel cells.
【請求項6】 前記低軟化点ガラス粒体のアルミノ珪酸
ガラスが、52〜58重量%のシリカと20〜22重量%のアル
ミナを含む、請求項5に記載の固体電解質型燃料電池封
着方法。
6. The solid electrolyte fuel cell sealing method according to claim 5, wherein the low softening point glass aluminosilicate glass contains 52 to 58% by weight of silica and 20 to 22% by weight of alumina. .
【請求項7】 前記高軟化点ガラス粒体の高シリカガラ
スが、94〜98重量%のシリカと0.2〜0.8重量%のアル
ミナとを含む、請求項5に記載の固体電解質型燃料電池
封着方法。
7. The solid electrolyte type of claim 5, wherein the high-silica glass of the high softening point glass granules contains 94 to 98% by weight of silica and 0.2 to 0.8% by weight of alumina. Fuel cell sealing method.
【請求項8】 前記低軟化点ガラス粒体の合計重量の、
前記高軟化点ガラス粒体の合計重量に対する比が、50:
50〜35:65の範囲内にある、請求項5に記載の固体電解
質型燃料電池封着方法。
8. The total weight of the low softening point glass particles,
The ratio to the total weight of the high softening point glass particles is 50:
The method for sealing a solid oxide fuel cell according to claim 5, which is in the range of 50 to 35:65.
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