(57)【要約】【課題】本発明は、固体電解質型燃料電池をシールする方法を提供する。【解決手段】  固体電解質型燃料電池（１０）を形成するために、それぞれセルと陽極流動域と陰極流動域（１２、１４）との間にコンプライアンス性、多孔性及び伝導性陽極及び陰極バッファ（２２、２４）が配置される。陽極流動域と陰極流動域とセルの縁部との間の縁部ギャップ（３０）は、流動域の縁部とセルの縁部との間に配置されたガラス系シールテープ（３２）の厚さを越えた状態で形成される。流動域を押圧する、従ってバッファ層を圧縮すると、シールテープに流動域の縁部及びセルの縁部が接触する。シール加工温度に達するように熱を加えてガラス系シールを溶融し、ガラス系シールは、冷却すると凝固又は硬化して、燃料電池の縁部に沿って密閉シールを形成する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質セルの対向する面上に陽極流動域と陰極流動域（１２、１４）を有する固体電解質型燃料電池モジュール（１０）の縁部をシールする方法であって、
（ａ）前記燃料電池の縁部に沿ってかつ前記陽極流動域と陰極流動域（１２、１４）の縁部間にシール材料（３２）を設ける段階と、
（ｂ）前記セルと前記それぞれの陽極流動域と陰極流動域との間に、コンプライアンス性、多孔性及び導電性材料の陽極及び陰極バッファ層（２２、２４）を配置する段階と、
（ｃ）前記燃料電池モジュールを押圧して、前記セルと陽極流動域と陰極流動域との間の前記バッファ層及びシール材料を圧縮する段階と、
（ｄ）前記陽極流動域と陰極流動域を押圧しながら、前記シール材料を加熱する段階と、
（ｅ）前記シール材料を凝固又は硬化させて、前記燃料電池の縁部を密閉シールする段階とを具備するシール方法。
【請求項２】
前記段階（ｄ）が、前記シール材料（３２）を溶融状態に加熱する段階を有することを特徴とする請求項１記載のシール方法。
【請求項３】
前記シール材料（３２）を６００℃以上のシール材料加工温度に加熱する段階を有することを特徴とする請求項２記載のシール方法。
【請求項４】
前記シール材料の温度を前記シール材料（３２）加工温度より低い５０〜２００℃近くに低下させる段階を有することを特徴とする請求項３記載のシール方法。
【請求項５】
前記段階（ｂ）が、前記陽極流動域と陰極流動域の縁部間の前記シール材料の厚さを超える厚さ有して前記段階（ｃ）を実行する前に該シール材料と陽極流動域と陰極流動域の少なくとも１つとの間に初期ギャップ（３０）を形成する陽極及び陰極バッファ層（２２、２４）を配置する段階を有することを特徴とする請求項１記載のシール方法。
【請求項６】
固体電解質セルの対向する面上に陽極流動域と陰極流動域（１２、１４）を有する固体電解質型燃料電池モジュール（１０）の縁部をシールする方法であって、
（ａ）前記セルの縁部と前記陽極流動域と陰極流動域の縁部との間にガラス系シールテープ（３２）を設ける段階と、
（ｂ）前記セルと前記それぞれの陽極流動域と陰極流動域との間に、コンプライアンス性、多孔性及び導電性材料からなりかつ前記ガラス系シールテープのそれぞれの厚さを越える厚さを有する陽極及び陰極バッファ層（２２、２４）を配置する段階と、
（ｃ）前記燃料電池モジュール（１０）を押圧して、前記陽極流動域と陰極流動域の縁部を前記シールテープと接触させる段階と、
（ｄ）前記陽極流動域と陰極流動域の縁部を接触させながら、前記シールテープを溶融状態に加熱して該陽極流動域と陰極流動域の縁部をぬらす段階と、
（ｅ）前記シール材料を凝固又は硬化させて、前記燃料電池の縁部を密閉シールする段階と、
を含む方法。
【請求項７】
前記セル縁部の対向する側面の各々と前記それぞれの陽極流動域と陰極流動域（１２、１４）との間にシールテープ（３２）を設ける段階と、
最初に、前記縁部に沿って前記セルの対向する側面の各々と前記それぞれの陽極流動域と陰極流動域との間に設けられた前記シールテープの厚さよりも大きい深さを有するギャップ（３０）を、該セル並びにそれぞれの陽極流動域と陰極流動域の縁部間に形成する段階と、を有することを特徴とする請求項６記載のシール方法。
【請求項８】
前記段階（ｅ）が、前記シール材料の温度を、その溶融状態にある前記シールテープの温度以下の温度に低下させて該シール材料を凝固又は硬化させる段階を有することを特徴とする請求項６記載のシール方法。
【請求項９】
前記段階（ｄ）が、前記シールテープを６００℃以上のシール加工温度に加熱する段階を有することを特徴とする請求項６記載のシール方法。
【請求項１０】
前記シール材料の温度を前記シール加工温度より低い５０〜２００℃近くに低下させる段階を有することを特徴とする請求項９記載のシール方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス系シールテープを用いてセルと陽極／陰極流動域との間をシールして、固体電解質型燃料電池をシールする方法に関し、具体的には、シールの漏洩、シールの流動域及び／又はセルからの剥離並びにセルの割れを最小化又は排除するように燃料電池をシールし、それによって燃料電池作動時における電池の健全性を維持するのを可能にする方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プレーナ固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）のスタックにおいて、セルと陽極流動域と陰極流動域との間をシールすることは、燃料及びオキシダントが漏洩及び混合するのを防止するために重要である。多くの場合セラミックと金属との間での、高温でのかつ熱サイクル時での密閉シールは、達成及び維持することが難しいので、固体電解質型燃料電池においてシールすることの重要性はよく知られている。熱膨張係数の緊密な一致とこれらの材料間の化学的適合性とが要求される。
【０００３】
固体電解質型燃料電池のシールの実施では一般的に、２つの主な解決法、すなわちガラスセラミック系の化学的シールとガスケット系の機械的圧縮シールとが利用される。機械的圧縮シールは、高度な表面処理及び仕上げと高圧力荷重能力とを必要とする。完全な密閉シールは、高温焼結セラミックセルの平坦さの限界のために、しばしば達成できないことがある。接触応力もまた、組立て時及びＳＯＦＣスタック作動における熱サイクル時に、電池の破損を容易に引き起こすおそれがある。機械型シールの代表的な実例は、米国特許公開第２００２／０１９５７７８号、第２００３／０２０３２６７号及び第２００３／０２１５６８９号に記載されかつ図示されている。さらに別の実例は、国際特許第２００３／０３６７４５  Ａ２号、国際特許第２００３／０３２４２０  Ａ２号及び国際特許第２０／０２１７４１６  Ａ２号に示されている。
【０００４】
ガラス系及びガラスセラミック系シールは、セラミック及び金属の両方に対して非常に良好なぬれ及び結合特性を有し、密閉シールを形成することができる。固体電解質型燃料電池のためのこの型のシールの代表的な実例には、米国特許第６，２９１，０９２号、第６，２７１，１５８号、第６，５４１，１４６号及び第６，６５６，６２５号が含まれる。さらに、欧州特許公開第１２１１２３０  Ａ１号は、ガラスマトリックス組成を開示している。
【特許文献１】米国特許公開第２００２／０１９５７７８号公報
【特許文献２】米国特許公開第２００３／０２０３２６７号公報
【特許文献３】米国特許公開第２００３／０２１５６８９号公報
【特許文献４】国際特許出願第０３／０３６７４５  Ａ２号公報
【特許文献５】国際特許出願第０３／０３２４２０  Ａ２号公報
【特許文献６】国際特許出願第０２／１７４１６  Ａ２号公報
【特許文献７】米国特許第６，２９１，０９２号公報
【特許文献８】米国特許第６，２７１，１５８号公報
【特許文献９】米国特許第６，５４１，１４６号公報
【特許文献１０】米国特許第６，６５６，６２５号公報
【特許文献１１】欧州特許出願第１２１１２３０  Ａ１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
実際には、シール形成及び熱サイクル時における剛性相互結合したプレートとガラスシールとの間の乖離（ｓｔａｎｄｏｆｆ）問題、すなわち熱膨張及び収縮の差は、しばしばシール面の剥離又はセルの割れを引き起こし、必要なガラス系シールを形成しかつ維持することに対して厄介な障害となる。従って、燃料電池の寿命全体を通して密閉シールを形成及び維持しかつセル及びシールの健全性を維持するために、前述の及びその他の問題、特に乖離及びシール剥離の問題を克服する必要性が生じてきている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の好ましい実施形態では、セルの対向する面上に陽極流動域と陰極流動域を有する固体電解質型燃料電池モジュールの縁部をシールする方法を提供し、本方法は、（ａ）燃料電池の縁部に沿ってかつ陽極流動域と陰極流動域の縁部間にシール材料を設ける段階と、（ｂ）セルとそれぞれの陽極流動域と陰極流動域との間に、コンプライアンス性、多孔性及び導電性材料の陽極及び陰極バッファ層を配置する段階と、（ｃ）燃料電池モジュールを押圧して、セルと陽極流動域と陰極流動域との間のシール材料及びバッファ層を圧縮する段階と、（ｄ）陽極流動域と陰極流動域の縁部を押圧しながら、シール材料を加熱する段階と、（ｅ）シール材料を凝固又は硬化させて、燃料電池の縁部を密閉シールする段階とを含む。
【０００７】
本発明の別の好ましい実施形態では、固体電解質セルの対向する面上に陽極流動域と陰極流動域を有する固体電解質型燃料電池モジュールの縁部をシールする方法を提供し、本方法は、（ａ）セルと陽極流動域と陰極流動域との縁部間にガラス系シールテープを設ける段階と、（ｂ）セルとそれぞれの陽極流動域と陰極流動域との間に、コンプライアンス性、多孔性及び導電性材料からなりかつガラス系シールテープのそれぞれの厚さを越える厚さを有する陽極及び陰極バッファ層を配置する段階と、（ｃ）燃料電池モジュールを押圧して、陽極流動域と陰極流動域の縁部をシールテープと接触させる段階と、（ｄ）セル並びに陽極流動域と陰極流動域の縁部を接触させながら、シールテープを溶融状態に加熱して該セル並びに陽極流動域と陰極流動域の縁部をぬらす段階と、（ｅ）シールガラスを凝固又は硬化させて、燃料電池の縁部を密閉シールする段階とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図面を参照すると、最終組立てにおける固体電解質型燃料電池モジュールは、全体を符号１０で表し、図１〜図６に示す。一般的に、燃料電池モジュール１０は、多重燃料電池組立体を形成するようにスタックされる。各燃料電池モジュール１０は、固体セル１６のそれぞれの対向する側面上に陽極流動域１２及び陰極流動域１４を含む。セル１６は、陽極流動域１２に面する陽極層１８と陰極流動域１４に面する陰極層２０とによって挟まれた電解質層からなる。陽極バッファ層２２は、陽極層１８と陽極流動域１２との間に配置される。陰極バッファ層２４は、陰極層２０と陰極流動域１４との間に配置される。陽極流動域と陰極流動域は、燃料ガスチャネル２６及びオキシダントチャネル２８を含む。燃料ガスは、多数の異なる燃料、例えば天然ガス、メタン、水素などの形態を取ることができる。オキシダントは、酸素又は空気とすることができる。本発明の好ましい実施形態では、陽極及び陰極バッファ２２及び２４は、それぞれ導電性、多孔性及びコンプライアンス性材料で形成される。
【０００９】
それぞれ陽極層１８及び陰極層２０に供給される燃料及びオキシダントは、それから電流を収集することができる電圧を生じる公知の反応を行う。燃料電池が、例えば一般的には平らな（プレーナな）方形、矩形及び円形のような様々な形状の何れか１つを有することができること、またこれらの固体電解質型燃料電池モジュールが一般的には、それらの縁部の周りに望ましくない燃料及びオキシダントの漏洩及び混合を防止ためのシールを有することが必要であることは、分かるであろう。
【００１０】
好ましい実施形態によると、本発明は、乖離問題とシール剥離及びセル割れのリスクとを排除し、燃料電池を作動させるための堅牢な密閉シールを達成する縁部シールを提供する。図１を参照すると、陽極及び陰極バッファ層２２及び２４は、陽極層１８と陽極流動域１２との間のインタフェース及び陰極層２０と陰極流動域１４との間のインタフェースに、それぞれ導電性／多孔性コンプライアント（コンプライアンス性のある）フェルト又はフォーム（ｆｏａｍ）の形態で設けられる。ガラスベース（ガラス系）シールテープ３２は、流動域とセル１６との間のギャップ３０内に設けられる。図１に示すように、ガラス系テープ３２は、縁部の周りにかつセルの対向する側面上に設けられる。各テープ３２は、関連する陽極又は陰極バッファ層２２及び２４の厚さよりも小さい厚さを有する。従って、燃料電池モジュール１０の初期の組立体においては、それぞれの流動域１２及び１４とセル１６との間のギャップは、シールテープの厚さよりも大きい。
【００１１】
図２を参照すると、固体電解質型燃料電池モジュール上に矢印で示すように押圧荷重を加えて、陽極及び陰極バッファ層の両方を圧縮する。従って、多孔性コンプライアントバッファ層２２、２４は、流動域１２、１４がシールテープ３２と接触しかつ押圧荷重がシールテープによって部分的に支持されるまで圧縮される。つまり、圧縮後には、各バッファ層の厚さは、セル１６の対応する側面上の関連するシールテープの厚さと同一になる。次に、その温度でシールが溶融しかつセル及び流動域の両方の面をぬらす、６００〜１０００℃の範囲内の所望の加工温度に達するように、適当な昇温速度計画で熱が加えられる。加熱処理の間に、シールガラステープ内のバインダが最初に焼失し、押圧荷重を連続的に加えるとき、セル１６と陽極流動域と陰極流動域との間のギャップは、溶融シールガラスが粘度の低下のためにその支持力を失うにつれて、減少する。溶融シールガラスは、それぞれセル並びに陽極流動域と陰極流動域の縁部間の全てのギャップを満たす。次に、６００〜１０００℃のシール加工温度より低い５０〜２００℃の範囲とすることができる燃料電池作動温度まで、温度を低下させる。温度を低下させることによって、溶融ガラスは、凝固又は硬化し、図３に示すようにセル１６と陽極流動域と陰極流動域１２、１４との間に強固な密閉シールを形成する。シールテープ及びバッファ層の厚さは、実質的に同一であり、シール形成及び燃料電池熱サイクル時における乖離の問題は、回避される。同時に、セル１６は、その両側面に沿ってコンプライアント多孔性バッファ層によって支持され、それによって、セル表面へのガスの拡散を遮断せずに、熱サイクル時にセルが応力関連割れを生じるのを防止する。
【００１２】
図４を参照すると、セル１６の縁部は、陽極流動域と陰極流動域の縁部から挿入することができる。セル１６の対向する縁部上にガラスシールテープを取付けかつ上述のように圧縮を生じさせた場合、図示するように、重なっている溶融ガラスにより、セルの端縁部の外側で陽極流動域と陰極流動域の縁部間が満たされる。
【００１３】
図５では、シールテープと対向する陽極流動域と陰極流動域の縁部には、その表面上に溝４０が形成される。従って、溶融時のガラスシールはその移動を阻止され、溝内に保持されたガラスシールにより、相互結合面に対する結合強度が強化される。
【００１４】
図６は、縁部に沿った凹所４２と陰極流動域よりも広い縁部とを備えた陽極相互結合部を開示している。このようにして、凹所は、溶融時に溶融ガラスシール材料を所定の位置に保持する。
【００１５】
種々の構成要素の材料に関して、セル１６は、Ｌａ１−ＸＳｒＸＭｎＯ３（ＬＳＭ）陰極及びＹＳＺ／ＮｉＯセメント陽極が各側面に焼結されたイットリア安定化ジルコニウム（ＹＳＺ）電解質で形成することができる。セル陰極２０と陰極流動域１４との間の導電及び物質移動媒介物として働く陰極バッファ層２４は、作動温度に応じて、Ｌａ１−ＸＳｒＸＭｎＯ３、Ｌａ１−ＸＳｒＸＣｏＯ３、Ｌａ１−ＸＳｒＸＦｅＯ３、Ｌａ１−ＸＳｒＸＣｏ１−ｙＦｅｙＯ３のような導電性酸化物で製造したセラミックフェルト、又は一部のステンレス鋼、銀、金、白金、パラジウム、フェクラロイ、Ｅｂｒｉｔｅ(登録商標)、インコネルなどのような耐酸化性金属及び合金で製造した金属フェルトとすることができる。またセル陽極１８と陽極流動域１２との間の導電及び物質移動媒介物として働く陽極バッファ層２２は、銅、銀、ニッケル、ステンレス鋼、合金及び導電性酸化物のような金属フォーム又はフェルトの比較的広範な選択で製造することができる。シールガラスは、６００〜１０００℃の範囲内に融点を持ちかつ好ましくは９〜１３×１０−６／Ｋの範囲にある、セル及び金属相互結合部に緊密に一致したＣＴＥを持つ、ソーダ石灰ガラス、ボロン珪酸塩ガラス及びＭａｃｏｒガラスセラミックのような、何れかのガラス又はガラスセラミックとすることができる。ガラスシールテープは、有機バインダを加えて、テープキャスティング又はローリングによって製造することができる。燃料電池の作動温度は、ガラスシールが凝固又は硬化しかつ一定のシール貫通圧力差に耐えるのを保証するために、シールの加工温度より低い５０〜２００℃であるのが好ましい。
【００１６】
燃料及びオキシダントのためのフローチャルネを互いに平行なものとして示しているのが、分かるであろう。しかしながら、フローチャネルは、互いに直角に或いは必要に応じてあらゆる他の異なる配向にすることができる。
【００１７】
現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に属する様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】固体電解質型燃料電池シールを形成するための好ましいプロセスを示す固体電解質型燃料電池の概略断面図。
【図２】固体電解質型燃料電池シールを形成するための好ましいプロセスを示す固体電解質型燃料電池の概略断面図。
【図３】固体電解質型燃料電池シールを形成するための好ましいプロセスを示す、完成した固体電解質型燃料電池の概略断面図。
【図４】電池の縁部の周りの様々な形態のシール構成を示す、図１〜図３と同様な図。
【図５】電池の縁部の周りの様々な形態のシール構成を示す、図１〜図３と同様な図。
【図６】電池の縁部の周りの様々な形態のシール構成を示す、図１〜図３と同様な図。
【符号の説明】
【００１９】
１０  燃料電池モジュール
１２  陽極流動域
１４  陰極流動域
１６  固体電解質セル
１８  陽極層
２０  陰極層
２２  陽極バッファ層
２４  陰極バッファ層
２６  燃料ガスチャネル
２８  オキシダントチャネル
３０  縁部ギャップ
３２  ガラス系シールテープ
４０  溝
４２  凹所
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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