JP2019034876A - Crystalline glass composition - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、結晶性ガラス組成物に関し、より具体的にはSUSやFeといった金属や、フェライトやジルコニアといった高膨張なセラミックスを接着する目的で用いられる結晶性ガラス組成物に関するものである。 The present invention relates to a crystalline glass composition, and more specifically to a crystalline glass composition used for the purpose of bonding metals such as SUS and Fe, and high-expansion ceramics such as ferrite and zirconia.
近年、燃料電池(Fuel Cell)はエネルギー効率が高く、CO2の排出を大きく削減できる有力な技術として注目されてきている。燃料電池のタイプは使用する電解質によって分類され、例えば工業用途で用いられるものとして、リン酸型(PAFC)、溶融炭酸塩型(MCFC)、固体酸化物型(SOFC)、固体高分子型(PEFC)の4種類がある。中でも固体酸化物型燃料電池(SOFC)は、電池の内部抵抗が小さいため燃料電池の中では最も発電効率が高く、また触媒に貴金属を使用する必要がないため、製造コストが抑えられるといった特徴を有している。そのため、家庭用等の小規模用途から、発電所等の大規模用途まで幅広く適用可能なシステムであり、その将来性に期待が高まってきている。 In recent years, a fuel cell has been attracting attention as an effective technology that has high energy efficiency and can greatly reduce CO 2 emissions. The type of fuel cell is classified according to the electrolyte used. For example, as used in industrial applications, phosphoric acid type (PAFC), molten carbonate type (MCFC), solid oxide type (SOFC), solid polymer type (PEFC) There are four types. Among them, the solid oxide fuel cell (SOFC) has the highest power generation efficiency among the fuel cells due to the low internal resistance of the cell, and it is not necessary to use a precious metal for the catalyst. Have. Therefore, it is a system that can be widely applied from a small-scale use such as home use to a large-scale use such as a power plant.
一般的な平板型SOFCの構造を図1に示す。図1に示すように、一般的な平板型SOFCは、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)等のセラミック材料からなる電解質1、Ni/YSZ等からなるアノード2、及び(La、Ca)CrO3等からなるカソード3が積層一体化されたセルを有している。さらに燃料ガスの通り道(燃料チャネル4a)が形成され、アノード2と接する第一の支持基板4と、空気の通り道(空気チャネル5a)が形成され、カソード3と接する第二の支持基板5とがセルの上下に固着されている。なお第一の支持基板4及び第二の支持基板5はSUS等の金属で構成されており、ガスの通り道が互いに直交するようにセルに固着される。 The structure of a general flat plate type SOFC is shown in FIG. As shown in FIG. 1, a general plate-type SOFC is composed of an electrolyte 1 made of a ceramic material such as yttria stabilized zirconia (YSZ), an anode 2 made of Ni / YSZ, and (La, Ca) CrO 3 or the like. The cathode 3 has a cell in which the layers are integrated. Further, a passage for fuel gas (fuel channel 4a) is formed, and a first support substrate 4 in contact with the anode 2 and a second support substrate 5 in which an air passage (air channel 5a) is formed and in contact with the cathode 3 are formed. Fixed to the top and bottom of the cell. The first support substrate 4 and the second support substrate 5 are made of metal such as SUS, and are fixed to the cells so that the gas passages are orthogonal to each other.
上記構造を有する平板型SOFCでは、燃料チャネル4aに水素(H2)や、都市ガス、天然ガス、バイオガス、液体燃料といった様々なガスを流し、同時に空気チャネル5aに空気または酸素(O2)を流す。このときカソードでは、1/2O2+2e− → O2−の反応が生じ、アノードでは、H2+O2− → H2O + 2e−の反応が起こる。この電気化学反応によって、化学エネルギーが直接電気エネルギーに変換され、発電することができる。なお高出力を得るために、実際の平板型SOFCでは図1の構造体が何層も積層されている。 In the flat plate type SOFC having the above-described structure, various gases such as hydrogen (H 2 ), city gas, natural gas, biogas, and liquid fuel flow through the fuel channel 4a, and at the same time, air or oxygen (O 2 ) flows through the air channel 5a. Shed. At this time, a reaction of 1 / 2O 2 + 2e − → O 2− occurs at the cathode, and a reaction of H 2 + O 2− → H 2 O + 2e − occurs at the anode. By this electrochemical reaction, chemical energy is directly converted into electric energy and can be generated. In order to obtain a high output, an actual flat plate type SOFC has a number of layers of the structure shown in FIG.
上記構造体を作製するに当たっては、アノード側とカソード側に流すガスが交じり合わないように各構成部材を気密シールする必要がある。その目的で、マイカやバーミキュライト、アルミナといった無機質からなるシート形状のガスケットを挟み込んで気密シールする方法が提案されているが、当該方法では微量のガスリークが発生しやすく、燃料使用効率の低下が問題となっている。当該問題を解決するため、ガラスからなる接着材料を用いて構成部材同士を融解接着する方法が検討されている。 In manufacturing the structure, it is necessary to hermetically seal each component so that the gas flowing to the anode side and the cathode side does not mix. For this purpose, a method has been proposed in which an inorganic sheet-shaped gasket such as mica, vermiculite, or alumina is sandwiched and hermetically sealed, but this method is likely to cause a small amount of gas leak, resulting in a decrease in fuel use efficiency. It has become. In order to solve the problem, a method of melting and bonding constituent members using an adhesive material made of glass has been studied.
上記構造体の構成部材としては金属やセラミックといった高膨張材料が使用されることから、使用する接着材料についても、これらの高膨張材料に適合する熱膨張係数を有する必要がある。また、SOFCは電気化学反応が生じる温度域(作動温度域)が600〜1000℃と高温であり、しかも当該温度域で長期間に亘って運転される。よって、接着材料には、長期間高温に晒されても、接着箇所の融解による気密性や接着性の低下が起こらないように高い耐熱性が求められる。 Since a high-expansion material such as metal or ceramic is used as a constituent member of the structure, the adhesive material to be used needs to have a thermal expansion coefficient compatible with these high-expansion materials. The SOFC has a high temperature range (operation temperature range) where an electrochemical reaction occurs (600 to 1000 ° C.), and is operated for a long time in the temperature range. Therefore, the adhesive material is required to have high heat resistance so that even if it is exposed to a high temperature for a long period of time, the hermeticity or adhesion deterioration due to melting of the bonded portion does not occur.
SOFC用接着材料として、特許文献1には、SiO2−B2O3−SrO系非晶質ガラス組成物が開示されている。 As an SOFC adhesive material, Patent Document 1 discloses a SiO 2 —B 2 O 3 —SrO-based amorphous glass composition.
特許文献1に開示されている非晶質ガラス組成物は、ガラス転移点が600℃付近であるため、600〜1000℃程度といった高温動作環境下では、接着箇所が融解し、気密性や接着性が確保できないという問題がある。 Since the amorphous glass composition disclosed in Patent Document 1 has a glass transition point of around 600 ° C., the bonded portion melts in a high-temperature operating environment such as about 600 to 1000 ° C., resulting in airtightness and adhesiveness. There is a problem that cannot be secured.
以上に鑑み、本発明は、熱処理後に高い熱膨張係数を有し、かつ接着後の耐熱性にも優れる結晶性ガラス組成物を提供することを目的とする。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a crystalline glass composition having a high coefficient of thermal expansion after heat treatment and excellent heat resistance after bonding.
本発明者が種々の実験を行った結果、熱処理により特定の結晶を析出し、かつ、その結晶量を厳密に制御した結晶性ガラス組成物により上記課題を解決できることを見出した。なお、本発明において、「結晶性ガラス組成物」とは、熱処理すると結晶を析出する性質を有するガラス組成物をいう。また、「熱処理する」とは、800℃以上の温度で10分間以上の条件で熱処理することを意味する。 As a result of various experiments conducted by the present inventor, it has been found that the above-mentioned problems can be solved by a crystalline glass composition in which specific crystals are precipitated by heat treatment and the amount of crystals is strictly controlled. In the present invention, the “crystalline glass composition” refers to a glass composition having a property of precipitating crystals upon heat treatment. “Heat treatment” means heat treatment at a temperature of 800 ° C. or higher for 10 minutes or longer.
即ち、本発明の結晶性ガラス組成物は、熱処理により、CaMg2Si2O7及びBaZn2Si2O7の結晶を析出する結晶性ガラス組成物であって、CaMg2Si2O7の(2 2 −1)結晶面のX線回折ピーク強度をX、BaZn2Si2O7の(2 1 1)結晶面のX線回折ピーク強度をYとした場合に、その強度比Y/Xが0.1〜1.6であることを特徴とする。 That is, the crystalline glass composition of the present invention is a crystalline glass composition in which CaMg 2 Si 2 O 7 and BaZn 2 Si 2 O 7 crystals are precipitated by heat treatment, and the CaMg 2 Si 2 O 7 ( 2 2-1) When the X-ray diffraction peak intensity of the crystal plane is X and the X-ray diffraction peak intensity of the (2 1 1) crystal plane of BaZn 2 Si 2 O 7 is Y, the intensity ratio Y / X is It is 0.1-1.6.
熱処理により高膨張結晶であるCaMg2Si2O7及びBaZn2Si2O7が析出し、さらに、CaMg2Si2O7の(2 2 −1)結晶面のX線回折ピーク強度XとBaZn2Si2O7の(2 1 1)結晶面のX線回折ピーク強度Yの強度比Y/Xが0超〜1.6であると、高い熱膨張係数を有することが分かった。また、CaMg2Si2O7、BaZn2Si2O7は融点が高いため、長期間に亘って高温下で使用しても、接着箇所が融解し難くなり、接着箇所の気密性や接着性の低下を抑制することができる。 CaMg 2 Si 2 O 7 and BaZn 2 Si 2 O 7 is a high expansion crystal precipitated by heat treatment, further, the CaMg 2 Si 2 O 7 (2 2 -1) X -ray diffraction peak intensity X and BaZn crystal plane It was found that when the intensity ratio Y / X of the X-ray diffraction peak intensity Y of the (2 1 1) crystal plane of 2 Si 2 O 7 is more than 0 to 1.6, it has a high thermal expansion coefficient. Further, since CaMg 2 Si 2 O 7 and BaZn 2 Si 2 O 7 have a high melting point, even when used at a high temperature for a long period of time, the bonded part is difficult to melt, and the air tightness and adhesiveness of the bonded part Can be suppressed.
強度比Y/Xを0超〜1.6に限定した理由を以下に説明する。 The reason why the intensity ratio Y / X is limited to more than 0 to 1.6 will be described below.
CaMg2Si2O7の熱膨張係数は、BaZn2Si2O7の熱膨張係数より高いため、CaMg2Si2O7の結晶量が多いと、高膨張特性を得やすい。X線回折ピーク強度Xは、CaMg2Si2O7の結晶量に比例し、X線回折ピーク強度YはBaZn2Si2O7の結晶量に比例する。つまり、強度比Y/Xを0超〜1.6と小さくすることは、CaMg2Si2O7の結晶量を多くすることに繋がり、結果として高膨張特性を達成できる。 Since the thermal expansion coefficient of CaMg 2 Si 2 O 7 is higher than the thermal expansion coefficient of BaZn 2 Si 2 O 7 , if the amount of crystals of CaMg 2 Si 2 O 7 is large, it is easy to obtain high expansion characteristics. The X-ray diffraction peak intensity X is proportional to the crystal amount of CaMg 2 Si 2 O 7 , and the X-ray diffraction peak intensity Y is proportional to the crystal amount of BaZn 2 Si 2 O 7 . That is, reducing the intensity ratio Y / X from over 0 to 1.6 leads to an increase in the amount of crystals of CaMg 2 Si 2 O 7 , and as a result, high expansion characteristics can be achieved.
本発明の結晶性ガラス組成物は、モル%で、SiO2 35〜70%、MgO 4〜20%、CaO 4〜30%、BaO 4〜20%、ZnO 5〜25%を含有することが好ましい。 Crystallizable glass composition of the present invention, in mol%, SiO 2 35~70%, 4~20 % MgO, CaO 4~30%, BaO 4~20%, to contain 5 to 25% ZnO preferred .
本発明の結晶性ガラス組成物は、R2O(Rはアルカリ金属を示す)及びP2O5を実質的に含有しないことが好ましい。R2O及びP2O5は熱処理により揮発しやすく、SOFC構成部材の電気絶縁性を低下させる等、発電特性に悪影響を与えるおそれがある。そのため、これらの成分を実質的に含有しないことにより、不当に発電特性が低下することを抑制することができる。なお、「実質的に含有しない」とは意図的に含有させないことを意味し、不可避的不純物の混入を排除するものではない。具体的には、該当する成分の含有量が0.1モル%未満であることを意味する。 The crystalline glass composition of the present invention preferably contains substantially no R 2 O (R represents an alkali metal) and P 2 O 5 . R 2 O and P 2 O 5 are liable to volatilize by heat treatment and may adversely affect the power generation characteristics such as lowering the electrical insulation of the SOFC component. Therefore, by not containing these components substantially, it can suppress that an electric power generation characteristic falls unjustly. “Substantially not contained” means not intentionally contained, and does not exclude inevitable contamination. Specifically, it means that the content of the corresponding component is less than 0.1 mol%.
本発明の結晶性ガラス組成物は、30〜850℃の温度範囲における熱膨張係数が85×10−7/℃以上であることが好ましい。 The crystalline glass composition of the present invention preferably has a thermal expansion coefficient of 85 × 10 −7 / ° C. or higher in a temperature range of 30 to 850 ° C.
本発明の結晶性ガラス組成物は、粉末状であることが好ましい。 The crystalline glass composition of the present invention is preferably in a powder form.
本発明の結晶性ガラス組成物は、接着用として好適である。 The crystalline glass composition of the present invention is suitable for bonding.
本発明の結晶性ガラス組成物は、熱処理後に高い熱膨張係数を有し、かつ接着後の耐熱性にも優れる。そのため、長期間に亘って高温下で使用しても、接着箇所が融解し難くなり、接着箇所の気密性や接着性の低下を抑制することができる。 The crystalline glass composition of the present invention has a high coefficient of thermal expansion after heat treatment and is excellent in heat resistance after bonding. Therefore, even if it is used at a high temperature for a long period of time, the bonded portion is difficult to melt, and the deterioration of the airtightness and adhesiveness of the bonded portion can be suppressed.
本発明の結晶性ガラス組成物は、熱処理により、CaMg2Si2O7及びBaZn2Si2O7の結晶を析出する。CaMg2Si2O7及びBaZn2Si2O7は融点が高く、再度熱処理を行っても流動しにくいため、長期に亘って耐熱性を維持することができる。また、CaMg2Si2O7の(2 2 −1)結晶面のX線回折ピーク強度をX、BaZn2Si2O7の(2 1 1)結晶面のX線回折ピーク強度をYとした場合に、その強度比Y/Xが0超〜1.6であり、0.2〜1.4、0.5〜1.3、特に0.6〜1.2であることが好ましい。Y/Xが大きすぎると、高膨張特性が得られにくくなる。なお、熱処理により高膨張結晶であるMgSiO3、BaMg2Si2O7、La2Si2O7等が析出しても構わない。 The crystalline glass composition of the present invention precipitates CaMg 2 Si 2 O 7 and BaZn 2 Si 2 O 7 crystals by heat treatment. Since CaMg 2 Si 2 O 7 and BaZn 2 Si 2 O 7 have a high melting point and are difficult to flow even when heat-treated again, heat resistance can be maintained over a long period of time. Further, X is the X-ray diffraction peak intensity of the (2 2 -1) crystal plane of CaMg 2 Si 2 O 7 , and Y is the X-ray diffraction peak intensity of the (2 1 1) crystal plane of BaZn 2 Si 2 O 7 . In this case, the strength ratio Y / X is more than 0 to 1.6, preferably 0.2 to 1.4, 0.5 to 1.3, particularly preferably 0.6 to 1.2. When Y / X is too large, it is difficult to obtain high expansion characteristics. Note that MgSiO 3 , BaMg 2 Si 2 O 7, La 2 Si 2 O 7, etc., which are highly expanded crystals, may be precipitated by heat treatment.
熱処理後の結晶性ガラス組成物の30〜850℃の温度範囲における熱膨張係数は、85×10−7/℃以上、90×10−7/℃以上、特に95×10−7/℃以上であることが好ましい。上限は特に限定されないが、現実的には150×10−7/℃以下である。ちなみに、本発明の結晶性ガラス組成物は、熱処理後に高い結晶化度が得られやすい。 The thermal expansion coefficient in the temperature range of 30 to 850 ° C. of the crystalline glass composition after the heat treatment is 85 × 10 −7 / ° C. or higher, 90 × 10 −7 / ° C. or higher, particularly 95 × 10 −7 / ° C. or higher. Preferably there is. The upper limit is not particularly limited, but is practically 150 × 10 −7 / ° C. or lower. Incidentally, the crystalline glass composition of the present invention tends to have a high crystallinity after heat treatment.
次に、本発明の結晶性ガラス組成物のガラス組成について説明する。 Next, the glass composition of the crystalline glass composition of the present invention will be described.
本発明の結晶性ガラス組成物は、モル%で、SiO2 35〜70%、MgO 4〜20%、CaO 4〜30%、BaO 4〜20%、ZnO 5〜25%を含有することが好ましい。ガラス組成を上記のように限定した理由を以下に説明する。なお、以下の各成分の含有量に関する説明において、特に断りのない限り、「%」は「モル%」を意味する。 Crystallizable glass composition of the present invention, in mol%, SiO 2 35~70%, 4~20 % MgO, CaO 4~30%, BaO 4~20%, to contain 5 to 25% ZnO preferred . The reason for limiting the glass composition as described above will be described below. In the following description regarding the content of each component, “%” means “mol%” unless otherwise specified.
SiO2は、熱処理により析出する高膨張結晶CaMg2Si2O7及びBaZn2Si2O7の構成成分であり、耐水性を向上させる効果がある。SiO2の含有量は35〜70%、好ましくは40〜65%、より好ましくは45〜62%、特に好ましくは49〜60%である。SiO2の含有量が少なすぎると、熱処理時に高膨張結晶CaMg2Si2O7及びBaZn2Si2O7が析出しにくくなり、耐熱性が低下しやすくなる。また、耐水性が低下しやすくなる。一方、SiO2の含有量が多すぎると、熱処理時に高膨張結晶CaMg2Si2O7及びBaZn2Si2O7が析出しにくくなる。また、溶融温度が高くなり、溶融が困難になる傾向がある。 SiO 2 is a constituent component of highly expanded crystals CaMg 2 Si 2 O 7 and BaZn 2 Si 2 O 7 that are precipitated by heat treatment, and has an effect of improving water resistance. The content of SiO 2 is 35 to 70%, preferably 40 to 65%, more preferably 45 to 62%, and particularly preferably 49 to 60%. When the content of SiO 2 is too small, it becomes difficult for the highly expanded crystals CaMg 2 Si 2 O 7 and BaZn 2 Si 2 O 7 to precipitate during the heat treatment, and the heat resistance tends to decrease. Moreover, water resistance tends to decrease. On the other hand, if the content of SiO 2 is too large, high-expansion crystallized CaMg 2 Si 2 O 7 and BaZn 2 Si 2 O 7 is less likely to precipitate during the heat treatment. In addition, the melting temperature tends to be high and melting tends to be difficult.
MgOは、熱処理により析出する高膨張結晶CaMg2Si2O7の構成成分である。MgOの含有量は4〜20%、好ましくは5〜18%、より好ましくは6〜15%である。MgOの含有量が少なすぎると、熱処理時に高膨張結晶CaMg2Si2O7が析出しにくくなり、耐熱性が低下しやすくなる。一方、MgOの含有量が多すぎると、ガラス化範囲が狭くなる傾向にあり、失透しやすくなる。また、流動性が低下しやすくなる。 MgO is a constituent component of the highly expanded crystal CaMg 2 Si 2 O 7 that is precipitated by heat treatment. The content of MgO is 4 to 20%, preferably 5 to 18%, more preferably 6 to 15%. If the content of MgO is too small, the highly expanded crystal CaMg 2 Si 2 O 7 is difficult to precipitate during the heat treatment, and the heat resistance tends to decrease. On the other hand, when there is too much content of MgO, there exists a tendency for the vitrification range to become narrow and it becomes easy to devitrify. Moreover, fluidity tends to be lowered.
CaOは、熱処理により析出する高膨張結晶CaMg2Si2O7の構成成分であり、また流動性を向上させる効果がある。CaOの含有量は4〜30%、好ましくは5〜28%、より好ましくは6〜20%である。CaOの含有量が少なすぎると、熱処理時に高膨張結晶CaMg2Si2O7が析出しにくくなり、耐熱性が低下しやすくなる。また、流動性が低下しやすくなる。一方、CaOの含有量が多すぎると、ガラス化範囲が狭くなる傾向にあり、失透しやすくなる。また、流動性が低下しやすくなる。 CaO is a constituent component of the highly expanded crystal CaMg 2 Si 2 O 7 precipitated by heat treatment, and has an effect of improving fluidity. The content of CaO is 4 to 30%, preferably 5 to 28%, more preferably 6 to 20%. When the content of CaO is too small, high-expansion crystallized CaMg 2 Si 2 O 7 is less likely to precipitate during the heat treatment, the heat resistance tends to lower. Moreover, fluidity tends to be lowered. On the other hand, when there is too much content of CaO, there exists a tendency for the vitrification range to become narrow and it becomes easy to devitrify. Moreover, fluidity tends to be lowered.
BaOは、熱処理により析出する高膨張結晶BaZn2Si2O7の構成成分である。BaOの含有量は4〜20%、好ましくは4〜15%、より好ましくは5〜10%である。BaOの含有量が少なすぎると、熱処理時に高膨張結晶BaZn2Si2O7が析出しにくくなり、耐熱性が低下しやすくなる。一方、BaOの含有量が多すぎると、ガラス化範囲が狭くなる傾向にあり、失透しやすくなる。また、流動性が低下しやすくなる。 BaO is a constituent component of the highly expanded crystal BaZn 2 Si 2 O 7 that is precipitated by heat treatment. The content of BaO is 4 to 20%, preferably 4 to 15%, more preferably 5 to 10%. When the content of BaO is too small, the highly expanded crystal BaZn 2 Si 2 O 7 is difficult to precipitate during the heat treatment, and the heat resistance tends to decrease. On the other hand, when there is too much content of BaO, there exists a tendency for the vitrification range to become narrow and it becomes easy to devitrify. Moreover, fluidity tends to be lowered.
なお、CaOの含有量がBaOの含有量より多いと、CaMg2Si2O7の結晶量が多くなり高膨張特性を達成しやすくなる。 Incidentally, when the content of CaO is larger than the content of BaO, easily achieving a high expansion characteristics increases the crystal volume of CaMg 2 Si 2 O 7.
ZnOは、熱処理により析出する高膨張結晶BaZn2Si2O7の構成成分である。ZnOの含有量は5〜25%、好ましくは7〜20%、より好ましくは8〜18%、特に好ましくは9〜16%である。ZnOの含有量が少なすぎると、熱処理時に高膨張結晶BaZn2Si2O7が析出しにくくなり、耐熱性が低下しやすくなる。一方、ZnOの含有量が多すぎるとガラス化範囲が狭くなる傾向にあり、失透しやすくなる。 ZnO is a constituent component of the highly expanded crystal BaZn 2 Si 2 O 7 that is precipitated by heat treatment. The content of ZnO is 5 to 25%, preferably 7 to 20%, more preferably 8 to 18%, and particularly preferably 9 to 16%. When the content of ZnO is too small, it becomes difficult for the highly expanded crystal BaZn 2 Si 2 O 7 to precipitate during heat treatment, and the heat resistance tends to be lowered. On the other hand, when there is too much content of ZnO, the vitrification range tends to become narrow, and devitrification tends to occur.
上記成分以外にも、以下に示す種々の成分を含有させることができる。 In addition to the above components, the following various components can be contained.
TiO2は、耐熱性を向上させる成分である。また、流動性を向上させる成分でもある。TiO2の含有量は0〜5%、好ましくは0.1〜3%である。TiO2の含有量が多すぎると溶融時に失透しやすくなる。また、流動性が低下しやすくなる。 TiO 2 is a component that improves heat resistance. It is also a component that improves fluidity. The content of TiO 2 is 0 to 5%, preferably 0.1 to 3%. It tends to be devitrified when melted and the content of TiO 2 is too large. Moreover, fluidity tends to be lowered.
ZrO2は、耐熱性を向上させる成分である。また、流動性を向上させる成分でもある。ZrO2の含有量は0〜5%、好ましくは0.1〜3%、より好ましくは1〜2%である。ZrO2の含有量が多すぎると溶融時に失透しやすくなる。また、流動性が低下しやすくなる。 ZrO 2 is a component that improves heat resistance. It is also a component that improves fluidity. The content of ZrO 2 is 0 to 5%, preferably 0.1 to 3%, more preferably 1 to 2%. It tends to be devitrified when melted and the content of ZrO 2 is too high. Moreover, fluidity tends to be lowered.
SrOは、流動性を向上させる成分である。SrOの含有量は0〜10%、好ましくは0〜5%である。SrOの含有量が多すぎると、ガラス化範囲が狭くなる傾向にあり、失透しやすくなる。また、流動性が低下しやすくなる。 SrO is a component that improves fluidity. The SrO content is 0 to 10%, preferably 0 to 5%. When there is too much content of SrO, there exists a tendency for the vitrification range to become narrow and it becomes easy to devitrify. Moreover, fluidity tends to be lowered.
B2O3は流動性を向上させる成分である。B2O3の含有量は0〜5%、好ましくは0〜4%、より好ましくは0〜3%である。B2O3の含有量が多すぎると、耐水性や耐熱性が低下しやすくなる。また、燃料電池の構成部材の接着材料として使用した場合に、高温下の使用でB2O3が揮発し、発電特性が劣化しやすくなる。 B 2 O 3 is a component that improves fluidity. The content of B 2 O 3 is 0 to 5%, preferably 0 to 4%, more preferably 0 to 3%. If the B 2 O 3 content is too large, water resistance and heat resistance tends to decrease. Further, when used as an adhesive material for constituent members of a fuel cell, B 2 O 3 volatilizes when used at a high temperature, and the power generation characteristics tend to deteriorate.
Al2O3は耐熱性を向上させる成分である。Al2O3の含有量は0〜5%、好ましくは0〜3%である。Al2O3の含有量が多すぎると、熱処理により2SiO2・Al2O3・BaO等の低膨張結晶が析出しやすくなり、高膨張特性が得られにくくなる。 Al 2 O 3 is a component that improves heat resistance. The content of Al 2 O 3 is 0 to 5%, preferably 0 to 3%. When the content of Al 2 O 3 is too large, heat treatment by 2SiO 2 · Al 2 O 3 · becomes low expansion crystal BaO or the like is likely to precipitate, hardly high expansion characteristics.
La2O3は流動性を向上させるための成分である。また、ガラス化範囲を拡げてガラス化しやすくする成分である。La2O3の含有量は0〜10%、好ましくは1〜8%、より好ましくは2〜7%、特に好ましくは4〜6%である。La2O3の含有量が多すぎると、溶融中や熱処理時に失透しやすくなり、接着に適した流動性が得られにくくなる。 La 2 O 3 is a component for improving fluidity. Moreover, it is a component which expands the vitrification range and facilitates vitrification. The content of La 2 O 3 is 0 to 10%, preferably 1 to 8%, more preferably 2 to 7%, and particularly preferably 4 to 6%. When the content of La 2 O 3 is too large, easily devitrified when melted or during the heat treatment, the fluidity becomes difficult to obtain suitable adhesion.
本発明の結晶性ガラス組成物は、上記以外の成分としてY2O3、Gd2O3、Nb2O5、Ta2O5、SnO2、WO3、Bi2O3等をそれぞれ2%まで含有させることができる。ただし、R2O(Rはアルカリ金属を示す)及びP2O5は熱処理により揮発しやすく、SOFC構成部材の電気絶縁性を低下させる等、発電特性に悪影響を与えるおそれがあるため、実質的に含有しないことが好ましい。 The crystalline glass composition of the present invention contains 2% Y 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , SnO 2 , WO 3 , Bi 2 O 3, etc. as components other than those described above. Can be contained. However, since R 2 O (R represents an alkali metal) and P 2 O 5 are easily volatilized by heat treatment and may adversely affect the power generation characteristics such as reducing the electrical insulation properties of the SOFC component, It is preferable not to contain.
本発明の結晶性ガラス組成物は、流動性、熱膨張係数の調整のために、マグネシア(MgO)、亜鉛華(ZnO)、ジルコニア(ZrO2)、チタニア(TiO2)、アルミナ(Al2O3)等の粉末をフィラー粉末として添加して用いても良い。フィラー粉末の添加量は、結晶性ガラス組成物100質量部に対して0〜10質量部、0.1〜9質量部、特に1〜8質量部であることが好ましい。フィラー粉末の添加量が多すぎると、流動性が低下しやすくなる。なおフィラー粉末の粒径はd50で0.2〜20μm程度のものを使用することが好ましい。 The crystalline glass composition of the present invention is prepared by adjusting magnesia (MgO), zinc white (ZnO), zirconia (ZrO 2 ), titania (TiO 2 ), alumina (Al 2 O) in order to adjust fluidity and thermal expansion coefficient. You may add and use powders, such as 3 ), as a filler powder. The addition amount of the filler powder is preferably 0 to 10 parts by mass, 0.1 to 9 parts by mass, particularly 1 to 8 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the crystalline glass composition. When there is too much addition amount of filler powder, fluidity | liquidity will fall easily. In addition, it is preferable to use a filler powder having a d50 particle size of about 0.2 to 20 μm.
次に本発明の結晶性ガラス組成物の製造方法、及び本発明の結晶性ガラス組成物を接着材料として使用する方法の一例について説明する。 Next, an example of a method for producing the crystalline glass composition of the present invention and a method of using the crystalline glass composition of the present invention as an adhesive material will be described.
まず、上記組成を有するように調合した原料を1400〜1600℃で0.5〜2時間程度、均質なガラスが得られるまで溶融する。次いで、溶融ガラスをフィルム状等に成形した後、粉砕し、分級することにより本発明の結晶性ガラス組成物からなるガラス粉末を作製する。なお、ガラス粉末の粒径(d50)は2〜20μm程度であることが好ましい。必要に応じて、ガラス粉末に各種フィラー粉末を添加する。 First, the raw materials prepared to have the above composition are melted at 1400 to 1600 ° C. for about 0.5 to 2 hours until a homogeneous glass is obtained. Next, the molten glass is formed into a film or the like, and then pulverized and classified to produce a glass powder made of the crystalline glass composition of the present invention. In addition, it is preferable that the particle size (d50) of glass powder is about 2-20 micrometers. Various filler powders are added to the glass powder as necessary.
次いで、ガラス粉末(あるいは、ガラス粉末とフィラー粉末との混合粉末)にビークルを添加して混練することによりガラスペーストを調製する。ビークルは例えば有機溶剤、樹脂の他、可塑剤、分散剤等を含有する。 Next, a glass paste is prepared by adding a vehicle to glass powder (or a mixed powder of glass powder and filler powder) and kneading. The vehicle contains, for example, a plasticizer, a dispersant and the like in addition to an organic solvent and a resin.
有機溶剤はガラス粉末をペースト化するための材料であり、例えばターピネオール(Ter)、ジエチレングリコールモノブチルエーテル(BC)、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート(BCA)、2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタジオールモノイソブチレート、ジヒドロターピネオール等を単独または混合して使用することができる。その含有量は10〜40質量%であることが好ましい。 The organic solvent is a material for pasting glass powder, such as terpineol (Ter), diethylene glycol monobutyl ether (BC), diethylene glycol monobutyl ether acetate (BCA), 2,2,4-trimethyl-1,3-pentadiol. Monoisobutyrate, dihydroterpineol and the like can be used alone or in combination. The content is preferably 10 to 40% by mass.
樹脂は、乾燥後の膜強度を高め、また柔軟性を付与する成分であり、その含有量は、0.1〜20質量%程度が一般的である。樹脂は熱可塑性樹脂、具体的にはポリブチルメタアクリレート、ポリビニルブチラール、ポリメチルメタアクリレート、ポリエチルメタアクリレート、エチルセルロース等が使用可能であり、これらを単独あるいは混合して使用する。 The resin is a component that increases the film strength after drying and imparts flexibility, and the content is generally about 0.1 to 20% by mass. As the resin, a thermoplastic resin, specifically, polybutyl methacrylate, polyvinyl butyral, polymethyl methacrylate, polyethyl methacrylate, ethyl cellulose and the like can be used, and these are used alone or in combination.
可塑剤は、乾燥速度をコントロールするとともに、乾燥膜に柔軟性を与える成分であり、その含有量は0〜10質量%程度が一般的である。可塑剤としてはブチルベンジルフタレート、ジオクチルフタレート、ジイソオクチルフタレート、ジカプリルフタレート、ジブチルフタレート等が使用可能であり、これらを単独あるいは混合して使用する。 The plasticizer is a component that controls the drying speed and imparts flexibility to the dry film, and the content thereof is generally about 0 to 10% by mass. As the plasticizer, butylbenzyl phthalate, dioctyl phthalate, diisooctyl phthalate, dicapryl phthalate, dibutyl phthalate and the like can be used, and these are used alone or in combination.
分散剤としては、イオン系またはノニオン系の分散剤が使用可能であり、イオン系としてはカルボン酸、ジカルボン酸系等のポリカルボン酸系、アミン系等の分散剤、ノニオン系としてはポリエステル縮合型や多価アルコールエーテル型の分散剤が使用可能である。その使用量としては0〜5質量%が一般的である。 As the dispersant, an ionic or nonionic dispersant can be used. As the ionic type, a carboxylic acid, a dicarboxylic acid type polycarboxylic acid type, an amine type dispersant, and the nonionic type as a polyester condensation type. Alternatively, a polyhydric alcohol ether type dispersant can be used. The amount used is generally 0 to 5% by mass.
次いで、ペーストを金属やセラミックからなる第一の部材の接着箇所に塗布し、乾燥させる。さらに金属やセラミックからなる第二の部材をペースト乾燥膜に接触させた状態で固定して800〜1050℃で熱処理する。この熱処理により、ガラス粉末が一旦軟化流動して第一及び第二の部材を固着するとともに、結晶が析出する。このようにして、第一の部材及び第二の部材が本発明の結晶性ガラス組成物からなる封止部により接着してなる接合体を得ることができる。 Next, the paste is applied to the bonding location of the first member made of metal or ceramic and dried. Further, the second member made of metal or ceramic is fixed in a state where it is in contact with the dry paste film, and heat-treated at 800 to 1050 ° C. By this heat treatment, the glass powder once softens and flows to fix the first and second members, and crystals precipitate. In this manner, a joined body can be obtained in which the first member and the second member are bonded by the sealing portion made of the crystalline glass composition of the present invention.
本発明の結晶性ガラス組成物は、接着以外にも被覆、充填等の目的で使用できる。またペースト以外の形態、具体的には粉末、グリーンシート、タブレット等の状態で使用することができる。例えば、金属やセラミックスからなる円筒内にリード線とともにガラス粉末を充填して熱処理し、気密封止を行う形態が挙げられる。またグリーンシート成形されたプリフォームや、粉末プレス成型により作製されたタブレット等を金属やセラミックからなる部材上に載置し、熱処理して軟化流動させることで被覆することもできる。 The crystalline glass composition of the present invention can be used for purposes such as coating and filling in addition to adhesion. Further, it can be used in a form other than paste, specifically in the form of powder, green sheet, tablet or the like. For example, the form which fills glass powder with a lead wire in the cylinder which consists of metal or ceramics, heat-processes, and performs airtight sealing is mentioned. Further, a green sheet molded preform, a tablet produced by powder press molding, or the like is placed on a member made of metal or ceramic, and can be coated by heat treatment and softening and flowing.
以下に、本発明の結晶性ガラス組成物を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Below, although the crystalline glass composition of this invention is demonstrated based on an Example, this invention is not limited to these Examples.
表1及び2は、本発明の実施例(試料No.1〜9、11、12)及び比較例(試料No.10)を示している。
Tables 1 and 2 show examples of the present invention (sample Nos. 1 to 9, 11, 12) and comparative examples (sample No. 10).
各試料は次のようにして作製した。 Each sample was produced as follows.
表中の各組成になるように調合した原料を1400〜1600℃で約2時間溶融した後、一対のローラー間に流し出してフィルム状に成形した。得られたフィルム状成形物をボールミルにて粉砕し、分級して、粒度(d50)が約10μmの試料(結晶性ガラス組成物粉末)を得た。 The raw materials prepared so as to have the respective compositions in the table were melted at 1400 to 1600 ° C. for about 2 hours, and then poured out between a pair of rollers to form a film. The obtained film-like molded product was pulverized with a ball mill and classified to obtain a sample (crystalline glass composition powder) having a particle size (d50) of about 10 μm.
各試料について、CaMg2Si2O7の(2 2 −1)結晶面のX線回折ピーク強度X、BaZn2Si2O7の(2 1 1)結晶面のX線回折ピーク強度Y、Y/X、熱膨張係数、軟化点、結晶化温度、結晶融点について、測定または評価した。結果を表1及び2に示す。 For each sample, the X-ray diffraction peak intensity X of the (2 2 -1) crystal plane of CaMg 2 Si 2 O 7 and the X-ray diffraction peak intensity Y, Y of the (2 1 1) crystal plane of BaZn 2 Si 2 O 7 / X, thermal expansion coefficient, softening point, crystallization temperature, crystal melting point were measured or evaluated. The results are shown in Tables 1 and 2.
表から明らかなように、実施例であるNo.1〜9、11、12の試料は、熱処理によりCaMg2Si2O7、BaZn2Si2O7が析出し、かつ、Y/Xが0.7〜1.3であったため、熱膨張係数が86〜102×10−7/℃と高かった。さらに、析出結晶の融点が高く、耐熱性にも優れていることが分かった。 As is apparent from the table, Examples No. Samples of 1~9,11,12 is, CaMg 2 Si 2 O 7, BaZn 2 Si 2 O 7 is precipitated by heat treatment, and, for Y / X was 0.7 to 1.3, the thermal expansion coefficient Was as high as 86 to 102 × 10 −7 / ° C. Furthermore, it was found that the melting point of the precipitated crystal was high and the heat resistance was excellent.
一方、比較例であるNo.10の試料は、Y/Xが1.9と大きく、熱膨張係数が83×10−7/℃と低かった。 On the other hand, No. which is a comparative example. Ten samples had a large Y / X of 1.9 and a low coefficient of thermal expansion of 83 × 10 −7 / ° C.
なお、各特性の測定及び評価は以下のようにして行った。 In addition, measurement and evaluation of each characteristic were performed as follows.
X線回折ピーク強度X及びYは、XRDを用いて測定した。その後、Y/Xを算出した。 X-ray diffraction peak intensities X and Y were measured using XRD. Thereafter, Y / X was calculated.
熱膨張係数は、各ガラス粉末試料をプレス成形し、1000〜1100℃で3時間熱処理した後、直径4mm、長さ20mmの円柱状に研磨加工して得られた測定用試料を用いて、JIS R3102に基づき、30〜850℃の温度範囲における値を求めた。 The coefficient of thermal expansion is determined by JIS using a measurement sample obtained by press-molding each glass powder sample, heat-treating it at 1000-1100 ° C. for 3 hours, and polishing it into a cylindrical shape having a diameter of 4 mm and a length of 20 mm. Based on R3102, a value in a temperature range of 30 to 850 ° C. was obtained.
軟化点、結晶化温度、結晶融点はマクロ型示差熱分析計を用いて測定した。具体的には、各ガラス粉末試料につき、マクロ型示差熱分析計を用いて1050℃まで測定して得られたチャートにおいて、第四の変曲点の値を軟化点、強い発熱ピークを結晶化温度、結晶化後に得られた吸熱ピークを結晶融点とした。なお、結晶融点が高いほど、または、結晶融点が確認されなければ、高温下においても結晶が安定に存在していることを意味し、耐熱性が高いと判断することができる。 The softening point, crystallization temperature, and crystal melting point were measured using a macro differential thermal analyzer. Specifically, for each glass powder sample, in the chart obtained by measuring up to 1050 ° C. using a macro-type differential thermal analyzer, the fourth inflection point value is the softening point and the strong exothermic peak is crystallized. The endothermic peak obtained after temperature and crystallization was defined as the crystalline melting point. Note that the higher the crystal melting point or if the crystal melting point is not confirmed, it means that the crystal exists stably even at a high temperature, and it can be determined that the heat resistance is high.
本発明の結晶性ガラス組成物は、SUSやFeといった金属、フェライトやジルコニアといった高膨張セラミックスの接着材料として好適である。特に、SOFCを作製する際に使用される支持体基板や、電極の部材等を気密封止するための接着材料として好適である。また、本発明の結晶性ガラス組成物は、接着用途以外にも被覆、充填等の目的で使用できる。具体的には、サーミスタ、ハイブリッドIC等の用途に使用することができる。 The crystalline glass composition of the present invention is suitable as an adhesive material for metals such as SUS and Fe, and high expansion ceramics such as ferrite and zirconia. In particular, it is suitable as an adhesive material for hermetically sealing a support substrate, an electrode member, and the like used in manufacturing an SOFC. Moreover, the crystalline glass composition of the present invention can be used for purposes such as coating and filling in addition to adhesive applications. Specifically, it can be used for applications such as thermistors and hybrid ICs.
1 電解質
2 アノード
3 カソード
4 第一の支持体基板
4a 燃料チャネル4a
5 第二の支持体基板
5a 空気チャネル5a
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolyte 2 Anode 3 Cathode 4 First support substrate 4a Fuel channel 4a
5 Second support substrate 5a Air channel 5a
Claims (7)
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