(57)【要約】  燃料電池はセラミック部品および封止用部品を含む。封止用部品は、セラミック部品上に第１のガラス−セラミック層および第１のガラス−セラミック層上に第２のガラス−セラミック層を含み、第１のガラス−セラミック層および第２のガラス−セラミック層の各々は独立して約０．５体積％−約５０体積％の間のガラス相含有率を含む。第１のガラス−セラミック層は、第２のガラス−セラミック層より高いガラス相含有率および約０．５重量％−約１０重量％の間のガラス安定剤成分を含む。燃料電池のセラミック部品を封止する方法において、ＳｉＯ２を含むとともに約０．５重量％−約１０重量％の間のガラス安定剤成分を更に含む第１の塗料を燃料電池の第１のセラミック部品上に被着させる。ＳｉＯ２を含む第２の塗料を第１の塗料上に被着させる。第１の塗料および第２の塗料を加熱して封止用部品を形成して、それによって封止用部品によりセラミック部品を封止する。封止用部品の機能は上述した通りである。
2011519113.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）第１のセラミック部品と、
ｂ）前記セラミック部品上に第１のガラス−セラミック層および前記第１のガラス−セラミック層上に第２のガラス−セラミック層を含む封止用部品であって、前記第１のガラス−セラミック層および前記第２のガラス−セラミック層の各々が、独立して、約０．５体積％−約５０体積％の間のガラス相含有率（前記第１のガラス−セラミック層は前記第２のガラス−セラミック層より高いガラス相含有率を含む）および約０．５重量％−約１０重量％の間のガラス安定剤成分を含む封止用部品と
を含む燃料電池部品。
【請求項２】
前記ガラス安定剤成分が、Ｂ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ、Ｃｓ２Ｏ、Ｓｂ２Ｏ３、ＳｎＯ、Ｌａ２Ｏ３およびＰｂＯからなる群から選択される少なくとも１種の化合物を含む請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記ガラス安定剤成分がＢ２Ｏ３を含む請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第１のガラス−セラミック層が約１０体積％−約４０体積％の間のガラス相含有率を含む請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第２のガラス−セラミック層が約５体積％−約２５体積％の間のガラス相含有率を含む請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記第１のガラス−セラミック層が約１重量％−約５重量％の間のＢ２Ｏ３を含む請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記第１のガラス−セラミック層が約１重量％−約２重量％の間のＢ２Ｏ３を含む請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
第１のガラス−セラミック層および前記第２のガラス−セラミック層の各々がＳｉＯ２を含む請求項５に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記第１のガラス−セラミック層および前記第２のガラス−セラミック層の各々が、独立して、Ａｌ２Ｏ３、ＢａＯ、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＳｒＯ、ＴｉＯ２およびＹ２Ｏ３からなる群から選択される少なくとも１種の化合物を更に含む請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記第１のガラス−セラミック層が、約２重量％−約１２重量％の間のＡｌ２Ｏ３、約３５重量％−約５５重量％の間のＢａＯ、約３０重量％−約４５重量％の間のＳｉＯ２、約０．５重量％−約３重量％の間のＴｉＯ２を含む請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記第２のガラス−セラミック層が、約１０重量％−約１５重量％の間のＡｌ２Ｏ３、約３５重量％−約５５重量％の間のＢａＯ、約３０重量％−約４５重量％の間のＳｉＯ２、約０．５重量％−約３重量％の間のＴｉＯ２を含む請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記第１のガラス−セラミック層と前記第２のガラス−セラミック層との間の第３のガラス−セラミック層であって、前記第１のガラス−セラミック層より低いガラス相含有率を含み、前記第２のガラス−セラミック層より高いガラス相含有率を含む第３のガラス−セラミック層を更に含む請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記第２のガラス−セラミック層上の前記第３のガラス−セラミック層と、前記第１のセラミック部品の反対側で前記第３のガラス−セラミック層上の第２のセラミック部品とを更に含み、前記第３のガラス−セラミック層が約０．５体積％−約５０体積％の間のガラス相含有率を含み、約０．５重量％〜約１０重量％の間の前記ガラス安定剤成分を含み、前記第３のガラス−セラミック層のガラス相含有率が前記第２のガラス−セラミック層のガラス相含有率より高い請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１４】
前記燃料電池が固体酸化物燃料電池である請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１５】
前記セラミック部品が、陰極、陽極、電解質およびインターコネクトからなる群から選択される部品を含む請求項１４に記載の燃料電池。
【請求項１６】
前記第１のセラミック部品および前記第２のセラミック部品が、陰極、陽極、電解質およびインターコネクトからなる群から選択される部品を含む請求項１３に記載の燃料電池。
【請求項１７】
燃料電池のセラミック部品を封止する方法であって、
ａ）ＳｉＯ２を含むとともに約０．５重量％−約１０重量％の間のガラス安定剤成分を更に含む第１の塗料を前記燃料電池の第１のセラミック部品上に被着させる工程と、
ｂ）ＳｉＯ２を含む第２の塗料を前記第１の塗料上に被着させる工程と、
ｃ）前記第１の塗料および前記第２の塗料を加熱して、前記セラミック部品上に第１のガラス−セラミック層および前記第１のガラス−セラミック層上に第２のガラス−セラミック層を含む封止用部品であって、前記第１のガラス−セラミック層および前記第２のガラス−セラミック層の各々が独立して約０．５体積％−約５０体積％の間のガラス相含有率を含み、前記第１のガラス−セラミック層が前記第２のガラス−セラミック層より高いガラス相含有率を含む封止用部品を形成し、それによって前記セラミック部品を前記封止用部品により封止する工程と
を含む方法。
【請求項１８】
前記ガラス安定剤成分が、Ｂ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ、Ｃｓ２Ｏ、Ｓｂ２Ｏ３、ＳｎＯ、Ｌａ２Ｏ３およびＰｂＯからなる群から選択される少なくとも１種の化合物を含む請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記ガラス安定剤成分がＢ２Ｏ３を含む請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１の塗料および前記第２の塗料の各々が高分子ビヒクルを更に含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記高分子ビヒクルが結合剤、可塑剤および分散剤の少なくとも１種を含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記第１の塗料および前記第２の塗料を加熱する工程が、高分子ビヒクル欠乏層の形成を引き起こすのに十分な第１の温度範囲で前記第１の塗料および前記第２の塗料を維持する工程、その後、焼結層の形成を引き起こすのに十分な第２の温度範囲で前記高分子ビヒクル欠乏層を維持する工程、およびその後、前記第１のガラス−セラミック層および前記第２のガラス−セラミック層の形成を引き起こすのに十分な第３の温度範囲で前記焼結層を維持する工程を含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１の温度範囲が約２００℃−約６００℃の間であり、前記第２の温度範囲が約７００℃−約１０５０℃の間であり、前記第３の温度範囲が約８００℃−約１１００℃の間である請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１の温度範囲、第２の温度範囲および第３の温度範囲の少なくとも１つで前記層を維持する工程が、第１の温度で前記層を維持し、その後、前記第１の温度とは異なる第２の温度で前記層を維持する工程を含む請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１の温度範囲、前記第２の温度範囲および前記第３の温度範囲の各々で約３０分−約３００分の間の時間にわたり前記第１の塗料および前記第２の塗料を維持する請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１のガラス−セラミック層が約１０体積％−約４０体積％の間のガラス相含有率を含む請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
前記第２のガラス−セラミック層が約５体積％−約２５体積％の間のガラス相含有率を含む請求項２２に記載の方法。
【請求項２８】
前記第１の塗料と前記第２の塗料との間にＳｉＯ２を含む第３の塗料を被着させ、前記第１の塗料、前記第２の塗料および前記第３の塗料を加熱して、前記第１のガラス−セラミック層、前記第２のガラス−セラミック層および約０．５体積％−約５０体積％の間のガラス相含有率を含み、前記第１のガラス−セラミック層より低いガラス相含有率を含み、前記第２のガラス−セラミック層より高いガラス相含有率を含む第３のガラス−セラミック層を前記セラミック部品上に含む封止用部品を形成する工程を更に含む請求項１７に記載の方法。
【請求項２９】
前記第１の塗料、前記第２の塗料および前記第３の塗料を加熱する工程が、高分子ビヒクル欠乏層の形成を引き起こすのに十分な第１の温度範囲で前記第１の塗料、前記第２の塗料および前記第３の塗料を維持する工程、その後、焼結層の形成を引き起こすのに十分な第２の温度範囲で前記高分子ビヒクル欠乏層を維持する工程、およびその後、前記第１のガラス−セラミック層、前記第２のガラス−セラミック層および前記第３のガラス−セラミック層の形成を引き起こすのに十分な第３の温度範囲で前記焼結層を維持する工程を含む請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記第１の温度範囲が約２００℃−約６００℃の間であり、前記第２の温度範囲が約７００℃−約１０５０℃の間であり、前記第３の温度範囲が約８００℃−約１１００℃の間である請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記第１の温度範囲、前記第２の温度範囲および前記第３の温度範囲の少なくとも１つで前記層を維持する工程が、前記第１の温度で前記層を維持し、その後、前記第１の温度とは異なる第２の温度で前記層を維持する工程を含む請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記第１の塗料、前記第２の塗料および前記第３の塗料を前記第１の温度範囲、前記第２の温度範囲および前記第３の温度範囲の各々で約３０分−約３００分の間の時間にわたり維持する請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記第１のガラス−セラミック層が約１０体積％−約４０体積％の間のガラス相含有率を含む請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記第２のガラス−セラミック層が約５体積％−約２５体積％の間のガラス相含有率を含み、前記第３のガラス−セラミック層が約１０体積％−約３０体積％の間のガラス相含有率を含む請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記第１のセラミック部品の反対側に位置する第２のセラミック部品との間に、第２の塗料の反対側に位置するＳｉＯ２および約０．５重量％−約１０重量％の間のガラス安定剤成分を含む第３の塗料を被着させ、前記第１の塗料、前記第２の塗料ならびに前記第３の塗料を加熱して、前記第１のガラス−セラミック層、前記第２のガラス−セラミック層および約０．５体積％−約５０体積％の間のガラス相含有率を含み、ガラス相含有率が前記第２のガラス−セラミック層より高い第３のガラス−セラミック層を前記セラミック部品上に含む封止用部品を形成する工程を更に含む請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２００７年１２月２１日出願の米国仮特許出願第６１／００８，６５０号明細書の利益を主張するものである。この特許出願の教示全体は参照により本明細書に援用される。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、化学反応によって電気を発生させる装置である。典型的には、燃料電池において、Ｏ２などの酸素ガスは陽極で酸素イオン（Ｏ２−）に還元され、Ｈ２などの燃料ガスは酸素イオンにより酸化されて陰極で水を生成する。種々タイプの燃料電池の内、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は、金属酸化物（例えば、酸化カルシウムまたは酸化ジルコニウム）の硬いセラミック化合物を用いて、例えば、陰極、陽極、電解質およびインターコネクトなどの燃料電池の部品を形成する。一般に、燃料ガスは、漏れ止めシールにより酸素ガスストリームから分離される。一般に、ＳＯＦＣにおいて、酸素ガスから燃料ガスを分離する漏れ止めシールは、通常運転中に高温（例えば、６００−８００℃）にさらされる。ガラス材料またはガラス−セラミック材料は、典型的には、こうした漏れ止めシールのために用いられてきた。
【０００３】
ガラス材料は、一般に、ガラス材料のガラス転移温度より高い温度で柔軟性および順応性であることが知られている。こうした高い柔軟性は、封止または結合されるセラミック燃料電池部品と封止用材料との間の熱膨張係数（ＣＴＥ）の差によって引き起こされる機械的応力を減少させるために望ましい。しかし、ガラス材料は、一般に、水素燃料ガスまたは他の金属またはセラミックの燃料電池部品にさらされたときに化学的に安定ではない。さらに、ガラス材料は、ＳＯＦＣの通常運転の高温にさらされたときに結晶化するとともに経時的に柔軟性を失う傾向がある。
【０００４】
セラミック材料は優れた長期化学安定性および熱安定性を有するが、セラミック材料は、一般に、ＳＯＦＣの通常運転の高温で順応性ではない。セラミック材料から構成されたシールおよびボンドは、一般に、ＳＯＦＣ運転中に電池部品上に実質的な熱応力を誘発する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、より高い柔軟性およびより高い機械的安定性、化学的安定性および熱物理的安定性も有し得る特定の材料の中で燃料電池のための新規封止用材料および／または結合用材料の開発が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、多層ガラス−セラミック封止用部品を含む燃料電池およびこうした多層ガラス−セラミック封止用部品を用いることによる燃料電池のセラミック部品を封止する方法に関する。
【０００７】
一実施形態において、本発明は、セラミック部品および封止用部品を含む燃料電池に関する。封止用部品は、セラミック部品上に第１のガラス−セラミック層および第１のガラス−セラミック層上に第２のガラス−セラミック層を含み、第１のガラス−セラミック層および第２のガラス−セラミック層の各々は、独立して、約０．５体積％−約５０体積％の間のガラス相含有率を含む。第１のガラス−セラミック層は、第２のガラス−セラミック層より高いガラス相含有率および約０．５重量％−約１０重量％の間のガラス安定剤成分を含む。一実施形態において、ガラス安定剤成分は、Ｂ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ、Ｃｓ２Ｏ、Ｓｂ２Ｏ３、ＳｎＯ、Ｌａ２Ｏ３およびＰｂＯからなる群から選択される少なくとも１種の化合物を含む。特定の実施形態において、ガラス安定剤成分はＢ２Ｏ３を含む。特定の別の実施形態において、第１のガラス−セラミック層は、約１０体積％−約４０体積％の間のガラス相含有率を含み、第２のガラス−セラミック層は、約５体積％−約２５体積％の間のガラス相含有率を含む。別の実施形態において、第１のガラス−セラミック層は、約１重量％−約５重量％の間のＢ２Ｏ３を含む。特定の実施形態において、第１のガラス−セラミック層は、約１重量％−約２重量％の間のＢ２Ｏ３を含む。別の実施形態において、第１のガラス−セラミック層および第２のガラス−セラミック層の各々はＳｉＯ２を含む。なお別の実施形態において、第１のガラス−セラミック層および第２のガラス−セラミック層の各々は、独立して、Ａｌ２Ｏ３、ＢａＯ、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＳｒＯ、ＴｉＯ２およびＹ２Ｏ３からなる群から選択される少なくとも１種の化合物を更に含む。特定の実施形態において、第１のガラス−セラミック層は、約２重量％−約１２重量％の間のＡｌ２Ｏ３、約３５重量％−約５５重量％の間のＢａＯ、約３０重量％−約４５重量％の間のＳｉＯ２および約０．５重量％−約３重量％の間のＴｉＯ２を含み、第２のガラス−セラミック層は、約１０重量％−約１５重量％の間のＡｌ２Ｏ３、約３５重量％−約５５重量％の間のＢａＯ、約３０重量％−約４５重量％の間のＳｉＯ２および約０．５重量％−約３重量％の間のＴｉＯ２を含む。別の実施形態において、本発明は、第１のガラス−セラミック層と第２のガラス−セラミック層との間の第３のガラス−セラミック層を含む燃料電池に関する。ここで、第３のガラス−セラミック層は、第１のガラス−セラミック層より低いガラス相含有率を含み、第２のガラス−セラミック層より高いガラス相含有率を含む。特定の実施形態において、燃料電池は、第２のガラス−セラミック層上に第３のガラス−セラミック層および第１のガラス−セラミック層の逆側で第３のガラス−セラミック層上に第２のガラス−セラミック層を含む。ここで、第３のガラス−セラミック層は、約０．５体積％−約５０体積％の間のガラス相含有率を含み、約０．５重量％−約１０重量％の間のガラス安定剤成分を含む。第３のガラス−セラミック層のガラス相含有率は、第２のガラス−セラミック層のガラス相含有率より高い。幾つかの実施形態において、燃料電池は固体酸化物燃料電池であり、セラミック部品は、陰極、陽極、電解質およびインターコネクトからなる群から選択される部品を含む。特定の実施形態において、第１のセラミック部品および第２のセラミック部品は、陰極、陽極、電解質およびインターコネクトからなる群から選択される部品を含む。
【０００８】
別の実施形態において、本発明は、燃料電池のセラミック部品を封止する方法に関する。本方法において、ＳｉＯ２を含み、約０．５重量％−約１０重量％の間のガラス安定剤成分を更に含む第１の塗料を燃料電池の第１のセラミック部品上に被着させる。ＳｉＯ２を含む第２の塗料を第１の塗料上に被着させる。第１の塗料および第２の塗料を加熱して、封止用部品を形成して、それによって封止用部品によりセラミック部品を封止する。形成された封止用部品は、セラミック部品上に第１のガラス−セラミック層および第１のガラス−セラミック層上に第２のガラス−セラミック層を含み、第１のガラス−セラミック層および第２のガラス−セラミック層の各々は、独立して、約０．５体積％−約５０体積％の間のガラス相含有率を含む。ここで、第１のガラス−セラミック層は、第２のガラス−セラミック層より高いガラス相含有率を含む。一実施形態において、ガラス安定剤成分は、Ｂ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ、Ｃｓ２Ｏ、Ｓｂ２Ｏ３、ＳｎＯ、Ｌａ２Ｏ３およびＰｂＯからなる群から選択される少なくとも１種の化合物を含む。特定の実施形態において、ガラス安定剤成分はＢ２Ｏ３を含む。幾つかの実施形態において、第１の塗料および第２の塗料の各々は高分子ビヒクルを更に含む。特定の幾つかの実施形態において、高分子ビヒクルは、結合剤、可塑剤および分散剤の少なくとも１種を含む。別の実施形態において、第１の塗料および第２の塗料を加熱する工程は、高分子ビヒクル欠乏層の形成を引き起こすのに十分な第１の温度範囲で第１の塗料および第２の塗料を維持する工程、その後、焼結層の形成を引き起こすのに十分な第２の温度範囲で高分子ビヒクル欠乏層を維持する工程、およびその後、第１のガラス−セラミック層および第２のガラス−セラミック層の形成を引き起こすのに十分な第３の温度範囲で焼結層を維持する工程を含む。特定の実施形態において、第１の温度範囲は、約２００℃−約６００℃の間であり、第２の温度範囲は、約７００℃−約１０５０℃の間であり、第３の温度範囲は、約８００℃−約１１００℃の間である。別の実施形態において、第１の温度範囲、第２の温度範囲および第３の温度範囲の少なくとも１つで層を維持する工程は、第１の温度で層を維持し、その後、第１の温度とは異なる第２の温度で層を維持する工程を含む。なお別の実施形態において、第１の塗料および第２の塗料を第１の温度範囲、第２の温度範囲および第３の温度範囲の各々で約３０分−約３００分の間の時間にわたり維持する。特定の実施形態において、第１のガラス−セラミック層は、約１０体積％−約４０体積％の間のガラス相含有率を含み、第２のガラス−セラミック層は、約５体積％−約２５体積％の間のガラス相含有率を含む。別の実施形態において、本方法は、第１の塗料と第２の塗料との間にＳｉＯ２を含む第３の塗料を被着させ、第１の塗料、第２の塗料および第３の塗料を加熱して、第１のガラス−セラミック層、第２のガラス−セラミック層および約０．５体積％−約５０体積％のガラス相含有率を含む第３のガラス−セラミック層をセラミック部品上に含む封止用部品を形成する。ここで、第３のガラス−セラミック層は、第１のガラス−セラミック層より低いガラス相含有率を含み、第２のガラス−セラミック層より高いガラス相含有率を含む。一実施形態において、第１の塗料および第２の塗料および第３の塗料を加熱する工程は、高分子ビヒクル欠乏層の形成を引き起こすのに十分な第１の温度範囲で第１の塗料、第２の塗料および第３の塗料を維持する工程、その後、焼結層の形成を引き起こすのに十分な第２の温度範囲で高分子ビヒクル欠乏層を維持する工程、およびその後、第１のガラス−セラミック層、第２のガラス−セラミック層および第３のガラス−セラミック層の形成を引き起こすのに十分な第３の温度範囲で焼結層を維持する工程を含む。特定の実施形態において、第１の温度範囲は、約２００℃−約６００℃の間であり、第２の温度範囲は、約７００℃−約１０５０℃の間であり、第３の温度範囲は、約８００℃−約１１００℃の間である。別の実施形態において、第１の温度範囲、第２の温度範囲および第３の温度範囲で層を維持する工程は、第１の温度で層を維持し、その後、第１の温度範囲とは異なる第２の温度で層を維持する工程を含む。一実施形態において、第１の塗料、第２の塗料および第３の塗料を第１の温度範囲、第２の温度範囲および第３の温度範囲の各々で約３０分−約３００分の間の時間にわたり維持する。特定の実施形態において、第１のガラス−セラミック層は、約１０体積％−約４０体積％の間のガラス相含有率を含み、第２のガラス−セラミック層は、約５体積％−約２５体積％の間のガラス相含有率を含み、第３のガラス−セラミック層は、約１０体積％−約３０体積％の間のガラス相含有率を含む。なお別の実施形態において、本方法は、第１のセラミック部品の反対側に位置する第２のセラミック部品との間に、第２の塗料の反対側に位置するＳｉＯ２および約０．５重量％−約１０重量％の間のガラス安定剤成分を含む第３の塗料を被着させ、前記第１の塗料、前記第２の塗料および前記第３の塗料を加熱して、前記第１のガラス−セラミック層、前記第２のガラス−セラミック層および約０．５体積％−約５０体積％の間のガラス相含有率を含み、ガラス相含有率が前記第２のガラス−セラミック層より高い第３のガラス−セラミック層を前記セラミック部品上に含む封止用部品を形成する工程を更に含む。
【０００９】
本発明において用いられる多層ガラス−セラミックのシールおよびボンドは、セラミック部品に隣接する第１のガラス−セラミック層およびセラミック部品から遠位の第２のガラス−セラミック層を含むことが可能である。第２のガラス−セラミック層のガラス相含有率を基準として第１のガラス−セラミック層のより高いガラス相含有率は、燃料電池の通常運転中の繰り返し熱サイクル（例えば、室温と、高運転温度、通常運転温度との間）に耐えるのに十分に高い柔軟性を提供することが可能である。他方、第１のガラス−セラミック層のガラス相含有率を基準として第２のガラス−セラミック層のより高いガラス相含有率は、機械的安定性、化学的安定性および／または熱物理的安定性を提供して、第１のガラス−セラミック層の比較的低い機械的安定性、化学的安定性および／または熱物理的安定性を補償することが可能である。従って、本発明において用いられる多層のシールおよびボンドは、高い柔軟性、同時に高い機械的安定性、化学的安定性および／または熱物理的安定性を有するシールおよびボンドに関する当該技術分野における要求に対する解決策を提供することが可能である。
【００１０】
本発明は、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）システムにおいて用いることが可能である。ＳＯＦＣは、低エミッションおよび低騒音の運転でありつつ高効率電気発生の潜在能力を提供する。ＳＯＦＣは、電気効率、コージェネ効率および燃料処理の単純性の好ましい組合せも提供すると見られる。ＳＯＦＣに関する用途の一例は、家庭用建物または他の建物内にある。ＳＯＦＣは、天然ガスなどの家庭をあたためるために用いられるのと同じ燃料を用いることが可能である。ＳＯＦＣシステムは、電気を発生させて家庭に電力を供給するために長い時間にわたり運転することが可能であり、過剰の量が発生したならば、送電設備網に過剰分を売却することが可能である。また、ＳＯＦＣシステムの中で発生した熱は家庭用の熱水を提供するために用いることが可能である。ＳＯＦＣは、電気サービスが信頼できないか、または存在しない地域で特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】本発明の２層のガラス−セラミック層で封止された燃料電池部品の概略図である。
【図１Ｂ】本発明の３層のガラス−セラミック層で封止された燃料電池部品の概略図である。
【図２】本発明の３層のガラス−セラミック層を用いて互いに結合された２個の燃料電池部品の概略図である。
【図３】本発明の封止用部品を含む燃料電池の概略図である。
【図４】平面燃料電池の部品の分解組立図である。
【図５】管状燃料電池の部品の概略図である。
【図６Ａ】２層のガラス−セラミック層により燃料電池のセラミック部品を封止する本発明の方法のブロック線図である。
【図６Ｂ】３層のガラス−セラミック層により燃料電池のセラミック部品を封止する本発明の方法のブロック線図である。
【図６Ｃ】多層のガラス−セラミック層により２つの燃料電池部品を結合する本発明の方法のブロック線図である。
【図７】３段階を用いて本発明のガラス−セラミック層を加熱する方法の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
前述した事項は、類似参照記号が様々な図全体を通して同じ部品を指す添付図で例示したように本発明の実例的な実施形態の以下のより詳しい特定の説明から明らかであろう。図面は必ずしも縮尺どおりではなく、本発明の実施形態を例示する際に強調がなされている。
【００１３】
本発明において用いられる封止用部品は、複数のガラス−セラミック層を含む。一般に、封止用部品は、封止されるべきセラミック部品付近の最高ガラス相含有率（すなわち、最低セラミック相含有率）を有するガラス−セラミック層およびセラミック部品から遠位の最低ガラス相含有率（すなわち、最高セラミック相含有率）を有するガラス−セラミック層を含み、よってガラス相含有率の傾斜（またはセラミック相含有率の傾斜）を発生させる。本明細書において用いられる「ガラス相」という用語は、当該技術分野における当該用語に共通に与えられた、例えば、非晶質無機の一般に少なくとも部分的に透明の固体の意味を有する。本明細書において用いられる「セラミック相」という用語も、当該技術分野における当該用語に共通に与えられた、例えば、少なくとも部分的に結晶化された相の意味を有する。一般に、ガラス相またはセラミック相の含有率は、所望のセラミック相（結晶化相）含有率を得るために親ガラス（すなわち、１００％ガラス相）の制御された結晶化によって制御することが可能である。典型的には、ガラス−セラミック層は、それぞれ独立して、約０．５体積％−約５０体積％の間のガラス相含有率を有する。一例において、ガラス−セラミック層は、それぞれ独立して、約１体積％−約５０体積％の間のガラス相含有率を有する。別の例において、ガラス−セラミック層は、それぞれ独立して、約５体積％−約５０体積％の間のガラス相含有率を有する。
【００１４】
ここで、図１Ａを参照すると、封止されるべき第１のセラミック部品１０は、第１のガラス−セラミック層２０および第２のガラス−セラミック層３０を含む封止用部品１５を支持している。ここで、第１のガラス−セラミック層２０は、第２のガラス−セラミック層３０より高いガラス相含有率を含む。第１のセラミック部品１０は、燃料電池、特にＳＯＦＣの陰極部品、陽極部品、電解質部品またはインターコネクト部品を含むことが可能である。
【００１５】
典型的には、第１のガラス−セラミック層２０および第２のガラス−セラミック層３０の各々は、独立して、約０．５体積％−約５０体積％の間のガラス相含有率を含む。特定の実施形態において、第１のガラス−セラミック層２０および第２のガラス−セラミック層３０の各々は、独立して、約１体積％−約５０体積％の間のガラス相含有率を含む。特定の別の実施形態において、第１のガラス−セラミック層２０および第２のガラス−セラミック層３０の各々は、独立して、約５体積％−約５０体積％の間のガラス相含有率を含む。特定のなお別の実施形態において、第１のガラス−セラミック層２０は、約１０体積％−約４０体積％の間のガラス相含有率を含み、第２のガラス−セラミック層３０は、約５体積％−約２５体積％の間のガラス相含有率を含む。
【００１６】
典型的には、第１のガラス−セラミック層２０は、約０．５重量％−約１０重量％のガラス安定剤を含み、このガラス安定剤は１種以上のガラス安定剤を含む。特定の実施形態において、ガラス安定剤成分の含有率は、約１％−約５％の間または約１％−約２％の間である。本明細書において用いられる「ガラス安定剤」という用語は、当該技術分野における当該用語に共通に与えられた、例えば、温度変化、機械的衝撃および／または化学的腐蝕に対するガラスの耐性を向上させる材料の意味を有する。適するガラス安定剤の例には、Ｂ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ、Ｃｓ２Ｏ、Ｓｂ２Ｏ３、ＳｎＯ、Ｌａ２Ｏ３およびＰｂＯが挙げられる。これらのガラス安定剤の１種以上を本発明において用いることが可能である。特定の実施形態において、ガラス安定剤成分はＢ２Ｏ３を含む。特定の更なる実施形態において、ガラス安定剤成分は、約１重量％−約５重量％の間のＢ２Ｏ３を含む。特定の別の更なる実施形態において、ガラス安定剤成分は、約１重量％−約２重量％の間のＢ２Ｏ３を含む。
【００１７】
典型的には、第１のガラス−セラミック層２０および第２のガラス−セラミック層３０の各々は独立してＳｉＯ２を含み、独立して、Ａｌ２Ｏ３、ＢａＯ、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＳｒＯ、ＴｉＯ２およびＹ２Ｏ３からなる群から選択される少なくとも１種の化合物を更に含むことが可能である。特定の実施形態において、第１のガラス−セラミック層２０および第２のガラス−セラミック層３０の各々は、独立して、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＢａＯ、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２およびＹ２Ｏ３を含む。特定の更なる実施形態において、第１のガラス−セラミック層２０は、約２重量％−約１２重量％の間のＡｌ２Ｏ３、約３５重量％−約５５重量％の間のＢａＯ、約３０重量％−約４５重量％の間のＳｉＯ２、約０．５重量％−約３重量％の間のＴｉＯ２および場合により約０．５重量％−約２５重量％の間のＹ２Ｏ３を含む。特定の別の更なる実施形態において、第２のガラス−セラミック層３０は、約１０重量％−約１５重量％の間のＡｌ２Ｏ３、約３５重量％−約５５重量％の間のＢａＯ、約３０重量％−約４５重量％の間のＳｉＯ２、約０．５重量％−約３重量％の間のＴｉＯ２および場合により約０．５重量％−約５重量％の間のＹ２Ｏ３を含む。
【００１８】
特定の実施形態において、第１のガラス−セラミック層２０は、約１０体積％−約４０体積％の間のガラス相含有率を含み、ガラス安定剤としてＢ２Ｏ３、より特に、約１重量％−約５重量％の間のＢ２Ｏ３、なおより特に、約１重量％−約２重量％の間のＢ２Ｏ３を含む。この特定の実施形態の一態様において、第２のガラス−セラミック層３０は、約５体積％−約２５体積％の間のガラス相含有率を含む。
【００１９】
特定の別の実施形態において、第１のガラス−セラミック層２０は、約１０体積％−約４０体積％の間のガラス相含有率を含み、約１重量％−約５重量％の間のＢ２Ｏ３、約２重量％−約１２重量％の間のＡｌ２Ｏ３、約３５重量％−約５５重量％の間のＢａＯ、約３０重量％−約４５重量％の間のＳｉＯ２、約０．５重量％−約３重量％の間のＴｉＯ２および場合により約０．５重量％−約２５重量％の間のＹ２Ｏ３を含む。
【００２０】
特定のなお別の実施形態において、第１のガラス−セラミック層２０は、前の段落において記載された機能を有し、第２のガラス−セラミック層３０は、約５体積％−約２５体積％の間のガラス相含有率を含み、約１０重量％−約１５重量％の間のＡｌ２Ｏ３、約３５重量％−約５５重量％の間のＢａＯ、約３０重量％−約４５重量％の間のＳｉＯ２、約０．５重量％−約３重量％の間のＴｉＯ２および場合により約０．５重量％−約５重量％の間のＹ２Ｏ３を含む。
【００２１】
ここで、図１Ｂを参照すると、封止されるべき第１のセラミック部品１０は、第１のガラス−セラミック層２０、第２のガラス−セラミック層３０、および第１のガラス−セラミック層２０と第２のガラス−セラミック層３０との間の第３のガラス−セラミック層４０を含む封止用部品１５を支持している。ここで、第３のガラス−セラミック層４０は、第１のガラス−セラミック層２０より低いガラス相含有率を含み、第２のガラス−セラミック層３０より高いガラス相含有率を含む。第１のセラミック部品１０、第１のガラス−セラミック層２０および第２のガラス−セラミック層３０の特定の機能を含む機能は、独立して、上述した通りである。典型的には、第３のガラス−セラミック層４０は、約０．５体積％−約５０体積％の間のガラス相含有率を含む。特定の実施形態において、第３のガラス−セラミック層４０は、独立して、約１体積％−約５０体積％の間のガラス相含有率を含む。特定の別の実施形態において、第３のガラス−セラミック層４０は、独立して、約５体積％−約５０体積％の間のガラス相含有率を含む。特定のなお別の実施形態において、第３のガラス−セラミック層４０は、独立して、約１０体積％−約３０体積％の間のガラス相含有率を含む。
【００２２】
特定の実施形態において、第１のガラス−セラミック層２０は、約１０体積％−約４０体積％の間のガラス相含有率を含み、第２のガラス−セラミック層３０は、約５体積％−約２５体積％の間のガラス相含有率を含み、第３のガラス−セラミック層４０は、約１０体積％−約３０体積％の間のガラス相含有率を含む。
【００２３】
特定の別の実施形態において、第１のガラス−セラミック層２０、第２のガラス−セラミック層３０および第３のガラス−セラミック層４０の各々は、独立してＳｉＯ２を含み、独立して、Ａｌ２Ｏ３、ＢａＯ、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＳｒＯ、ＴｉＯ２および場合によりＹ２Ｏ３からなる群から選択される少なくとも１種の化合物を更に含むことが可能である。特定の実施形態において、第１のガラス−セラミック層２０および第２のガラス−セラミック層３０の各々は、独立して、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＢａＯ、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２および場合によりＹ２Ｏ３を含む。ここで、特定の含有率を含むそれらの含有率は図１Ａに関して上述した通りである。特定の別の実施形態において、第３のガラス−セラミック層４０は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＢａＯ、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２および場合によりＹ２Ｏ３を含む。
【００２４】
特定の実施形態において、第１のガラス−セラミック層２０は、約１０体積％−約４０体積％の間のガラス相含有率を含み、ガラス安定剤としてＢ２Ｏ３、より特に約１重量％−約５重量％の間のＢ２Ｏ３、なおより特に約１重量％−約２重量％の間のＢ２Ｏ３を含む。この特定の実施形態の一態様において、第２のガラス−セラミック層３０は、約５体積％−約２５体積％の間のガラス相含有率を含む。
【００２５】
特定の別の実施形態において、第１のガラス−セラミック層２０は、約１０体積％−約４０体積％の間のガラス相含有率を含み、約１重量％−約５重量％の間のＢ２Ｏ３、より特に約１重量％−約２重量％の間のＢ２Ｏ３、約２重量％−約１２重量％の間のＡｌ２Ｏ３、約３５重量％−約５５重量％の間のＢａＯ、約３０重量％−約４５重量％の間のＳｉＯ２、約０．５重量％−約３重量％の間のＴｉＯ２および場合により約０．５重量％−約２５重量％の間のＹ２Ｏ３を含む。
【００２６】
特定のなお別の実施形態において、第１のガラス−セラミック層２０は、前の段落において記載された機能を有し、第２のガラス−セラミック層３０は、約５体積％−約２５体積％の間のガラス相含有率を含み、約１０重量％−約１５重量％の間のＡｌ２Ｏ３、約３５重量％−約５５重量％の間のＢａＯ、約３０重量％−約４５重量％の間のＳｉＯ２、約０．５重量％−約３重量％の間のＴｉＯ２および場合により約０．５重量％−約５重量％の間のＹ２Ｏ３を含む。
【００２７】
特定のなお別の実施形態において、第１のガラス−セラミック層２０および第２のガラス−セラミック層３０の各々は、前の段落において記載された機能を有し、第３のガラス−セラミック層４０は、約５体積％−約２５体積％の間のガラス相含有率を含み、約１０重量％−約１５重量％の間のＡｌ２Ｏ３、約３５重量％−約５５重量％の間のＢａＯ、約３０重量％−約４５重量％の間のＳｉＯ２、約０．５重量％−約３重量％の間のＴｉＯ２および約０．５重量％−約５重量％の間のＹ２Ｏ３を含む。
【００２８】
ここで、図２を参照すると、封止用部品１５は、第１のガラス−セラミック層２０および第２のガラス−セラミック層３０上に第３のガラス−セラミック層５０を含む。図において、第１のセラミック部品１０および第２のセラミック部品６０は、封止用部品１５により互いに接続または結合されている。第１のガラス−セラミック層２０および第２のガラス−セラミック層３０の特定の機能を含む機能は、それぞれ独立して、図１Ａに関して上述された通りである。第２のセラミック部品６０の特定の機能を含む機能は、図１Ａの第１のセラミック部品１０に関して上述された通りである。典型的には、第３のガラス−セラミック層５０の特定の機能を含む機能は、図１Ａの第１のガラス−セラミック層２０に関して記載された通りである。
【００２９】
典型的には、第１のガラス−セラミック層２０および第３のガラス−セラミック層５０の各々は、独立して、１種以上のガラス安定剤を含むガラス安定剤成分を含む。第１のガラス−セラミック層２０および第３のガラス−セラミック層５０中のガラス安定剤の特定の例および含有率を含む特定の例および含有率は、図１Ａの第１のガラス−セラミック層２０に関して上述された通りである。特定の実施形態において、第１のガラス−セラミック層２０および第３のガラス−セラミック層５０の各々のガラス安定剤成分は、独立して、Ｂ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ、Ｃｓ２Ｏ、Ｓｂ２Ｏ３、ＳｎＯ、Ｌａ２Ｏ３およびＰｂＯからなる群から選択される少なくとも１種の化合物、より特にＢ２Ｏ３を含む。
【００３０】
特定の実施形態において、第１のガラス−セラミック層２０および第３のガラス−セラミック層５０の各々は、独立して、約１０体積％−約４０体積％の間のガラス相含有率を含み、ガラス安定剤としてＢ２Ｏ３、より特に約１重量％−約５重量％の間のＢ２Ｏ３、なおより特に約１重量％−約２重量％の間のＢ２Ｏ３を含む。この特定の実施形態の一態様において、第２のガラス−セラミック層３０は、約５体積％−約２５体積％の間のガラス相含有率を含む。２つのセラミック部品１０および６０を含む図２で例示された実施形態において、それぞれ第１のセラミック部品および第２のセラミック部品に隣接する第１のガラス−セラミック層および第３のガラス−セラミック層のガラス相含有率は、好ましくは、第２のガラス−セラミック層より高いガラス相含有率を有する。
【００３１】
特定の別の実施形態において、第１のガラス−セラミック層２０および第３のガラス−セラミック層５０の各々は、独立して、約１０体積％−約４０体積％の間のガラス相含有率を含み、約１重量％−約５重量％の間のＢ２Ｏ３、約２重量％−１２重量％の間のＡｌ２Ｏ３、約３５重量％−約５５重量％の間のＢａＯ、約３０重量％−約４５重量％の間のＳｉＯ２、約０．５重量％−約３重量％の間のＴｉＯ２および場合により約０．５重量％−約２５重量％の間のＹ２Ｏ３を含む。
【００３２】
特定のなお別の実施形態において、第１のガラス−セラミック層２０および第３のガラス−セラミック層５０の各々は、前の段落において記載された機能を有し、第２のガラス−セラミック層３０は、約５体積％−約２５体積％の間のガラス相含有率を含み、約１０重量％−約１５重量％の間のＡｌ２Ｏ３、約３５重量％−約５５重量％の間のＢａＯ、約３０重量％−約４５重量％の間のＳｉＯ２、約０．５重量％−約３重量％の間のＴｉＯ２および場合により約０．５重量％−約５重量％の間のＹ２Ｏ３を含む。
【００３３】
特定のなお別の実施形態において、封止用部品１５は、以下の表１の組成物；調製ＢまたはＣを含む第１のガラス−セラミック層２０および以下の表１の組成物；調製Ａを含む第２のガラス−セラミック層３０を含む。
【００３４】
【表１】
2011519113.tif 000003
【００３５】
この実施形態の一態様において、封止用部品１５は、表１の組成物；調製Ａを含む第３のガラス−セラミック層４０を更に含む。この実施形態の別の態様において、封止用部品１５は、表１の組成物；調製ＢまたはＣを含む第３のガラス−セラミック層５０を更に含む。
【００３６】
幾つかの実施形態において、本発明の燃料電池は、セラミック陽極、セラミック陰極およびセラミック電解質を含む固体酸化物燃料電池である。特定の幾つかの実施形態において、本発明の固体酸化物燃料電池はセラミックインターコネクトを含む。
【００３７】
当該技術分野において公知の適するいかなる陰極材料および陽極材料も本発明において用いることが可能である。セラミック陽極材料の特定の例には、Ｌａ−マンガネート系材料（例えば、Ｌａ１−ｘＭｎＯ３、式中、ｘ＝０−０．１）が挙げられる。特定の実施形態において、Ｌａ−マンガネート系材料は、Ｓｒ、Ｃａ、ＢａまたはＭｇなどの１種以上の適するドーパントをドープされる。ドープＬａ−マンガネート系材料の例には、ＬａＳｒ−マンガネート（例えば、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３、式中、ｘ＝０．１−０．３、（Ｌａ＋Ｓｒ）／Ｍｎ＝１．０−０．９５（モル比））およびＬａＣａ−マンガネート（例えば、Ｌａ１−ｘＣａｘＭｎＯ３、式中、ｘ＝０．１−０．３、（Ｌａ＋Ｃａ）／Ｍｎ＝１．０−０．９５（モル比））が挙げられる。陰極材料の特定の例には、Ｎｉサーメットが挙げられる。「Ｎｉサーメット」は、一般に、約２０重量％−７０重量％のＮｉのようなＮｉを含むセラミック金属複合体を意味する。Ｎｉサーメットの例は、約１５重量％のＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２などのイットリア−安定化ジルコニア（ＹＳＺ）とＮｉを含む材料とＮｉとＹＳｒ−ジルコニアを含む材料である。
【００３８】
当該技術分野において公知の適するいかなる電解質材料も本発明において用いることが可能である。特定の実施形態において、セラミック電解質などの固体電解質は本発明において用いられる。特定の例には、Ｓｃ２Ｏ３−ドープＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３−ドープＺｒＯ２およびＹｂ２Ｏ３−ドープＺｒＯ２などのＺｒＯ２系材料、Ｓｍ２Ｏ３−ドープＣｅＯ２、Ｇｄ２Ｏ３−ドープＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３−ドープＣｅＯ２およびＣａＯ−ドープＣｅＯ２などのＣｅＯ２系材料、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅまたはそれらの混合物をドープされたＬａＧａＯ３などのＬｎ−没食子酸塩系材料（Ｌｎ＝Ｌａ、Ｐｒ、ＮｄまたはＳｍなどのランタニド）（例えば、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．１５Ｃｏ０．０５Ｏ３、Ｌａ０．９Ｓｒ０．１Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３、ＬａＳｒＧａＯ４、ＬａＳｒＧａ３Ｏ７またはＬａ０．９Ａ０．１Ｇａ３）（式中、Ａ＝Ｓｒ、ＣａまたはＢａ）およびそれらの混合物が挙げられる。他の例には、ドープイットリウム−ジルコネート（例えば、ＹＺｒ２Ｏ７）、ドープガドリニウム−チタネート（例えば、Ｇｄ２Ｔｉ２Ｏ７）および褐色針ニッケル鉱（例えば、Ｂａ２Ｉｎ２Ｏ６またはＢｒ２Ｉｎ２Ｏ５）が挙げられる。
【００３９】
陰極および陽極の適するいかなる厚さも本発明において用いることが可能である。特定の一実施形態において、本発明の燃料電池の陰極および陽極の厚さは、それぞれ独立して、約０．５ｍｍ−約２ｍｍの間の範囲内である。
【００４０】
電解質の適するいかなる厚さも本発明において用いることが可能である。特定の一実施形態において、本発明の燃料電池の電解質の厚さは、約５μｍ−約１０μｍの間などの約５μｍ−約２０μｍの間の範囲内である。あるいは、本発明の燃料電池の電解質の厚さは、約１００μｍより厚いことが可能である（例えば、約１００μｍ−約５００μｍの間）。
【００４１】
本発明の燃料電池１００の概略図を図３に示している。３層、２０、３０、４０で図３に示した封止用部品１５は、副電池１０２の気密運転を可能にする。燃料電池１００は、副電池１０２の適するいかなる数も含むことが可能であり、ここで、各副電池１０２は、陰極１０４、陽極１０６および陰極１０４と陽極１０６との間の電解質１０８を含む。一実施形態において、本発明の燃料電池は、少なくとも３０−５０個の副電池１０２を含む。副電池１０２は、インターコネクト１１０を介して互いに接続される。副電池１０２は直列または並列で接続することが可能である。適するいかなるインターコネクトも本発明において用いることが可能である。特定の実施形態において、インターコネクトは、セラミックインターコネクトなどの金属酸化物インターコネクトである。あるいは、インターコネクトは金属インターコネクトであることが可能である。
【００４２】
燃料電池１００は、図４に示した通り、平面積層燃料電池であることが可能である。あるいは、図５で示した通り、燃料電池１００は管状燃料電池であることが可能である。図４および５で示されていない封止用部品１５は、平面燃料電池または管状燃料電池の気密運転を可能にする。典型的には、図４で示された平面設計において、部品は平面スタックにおいて組み立てられ、空気および燃料は、インターコネクトに組み込まれた流路を通して流れる。典型的には、図５で示された管状設計において、部品は、中空チューブ状で組み立てられ、電池は、管状陽極周りで層において製作される。空気はチューブの内部を通して流れ、燃料は外部周りで流れる。
【００４３】
本発明は上述した燃料電池を形成する方法も含む。本方法は、上述した通り複数の副電池１０２を形成し、各副電池１０２をインターコネクト１１０で接続することを含む。副電池１０２およびインターコネクト１１０の製作は、当該技術分野において公知の適するいかなる技術も用いることが可能である。例えば、本発明の平面積層燃料電池は、微粒子法または蒸着法によって製作することが可能である。本発明の管状燃料電池は、カルシア−安定化ジルコニアなどの多孔質円筒管上に薄層状で電池部品を有することにより製作することが可能である。
【００４４】
典型的には、テープキャスティングまたはテープカレンダー加工などの適する微粒子法は、セラミック粉末などの粉末を成形して、燃料電池部品（例えば、電極、電解質およびインターコネクト）にし、高温で高密度化することを含む。例えば、本発明の電極、電解質およびインターコネクトのために適する粉末材料は、構成する酸化物の固体状態反応によって製造される。適する高表面積粉末を硝酸塩溶液または他の溶液からゲル生成物として沈殿させることが可能である。ゲル生成物を乾燥させ、焼成し、結晶粒子を与え続ける。蒸着法は、適する化学的方法または物理的方法によって支持体上に電池部品を形成することを含む。蒸着法の例には、化学蒸着法、プラズマ溶射法、吹付熱分解法が挙げられる。
【００４５】
上述した通り、電極１０４および１０６、電解質１０８およびインターコネクト１１０などの燃料電池１００の１種以上のセラミック部品を封止用部品１５により封止または結合することが可能である。燃料電池のセラミック部品を封止する本発明の方法の一実施形態を図６Ａで描いている。ここで、図６Ａを参照すると、燃料電池１００のセラミック部品（例えば、図１Ａにおける第１のセラミック部品１０）の封止は、第１のセラミック部品１０上に塗料１を被着させることを含む。その後、塗料２を塗料１上に被着させる。塗料１および塗料２の制御された熱処理は、それぞれ第１のガラス−セラミック層２０および第２のガラス−セラミック層３０を含む封止用部品１５を形成する。第１のガラス−セラミック層２０および第２のガラス−セラミック層３０の各々の特定の機能を含む機能は、図１Ａに関して上述された通りである。塗料１および塗料２の被着は、当該技術分野において公知の適するいかなる方法も用いて行うことが可能である。例えば、ドクターブレードは、塗料１および塗料２を被着させる際に用いることが可能である。典型的な被膜厚さは、１００μｍ−２ｍｍの範囲内である。
【００４６】
図６Ａで示した通り、塗料１は、典型的には、ガラス１粉末および場合より高分子ビヒクルを含み、高分子ビヒクルは、結合剤、可塑剤および分散剤の少なくとも１種を含む。特定の実施形態において、ガラス１粉末はＳｉＯ２を含み、１種以上のガラス安定剤を含む約０．５重量％−約１０重量％の間のガラス安定剤成分を更に含む。図６Ａで示した通り、塗料２は、典型的には、ガラス２および場合により高分子ビヒクルを含み、高分子ビヒクルは、結合剤、可塑剤および分散剤の少なくとも１種を含む。特定の実施形態において、ガラス２粉末はＳｉＯ２を含む。ガラス安定剤および特定の量を含むガラス安定剤の量の特定の例を含む例は、図１Ａに関して上述された通りである。
【００４７】
特定の別の実施形態において、ガラス１粉末およびガラス２粉末の各々は独立してＳｉＯ２を含み、独立して、Ａｌ２Ｏ３、ＢａＯ、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＳｒＯ、ＴｉＯ２およびＹ２Ｏ３からなる群から選択される少なくとも１種の化合物を更に含むことが可能である。特定の実施形態において、ガラス１粉末およびガラス２粉末の各々は、独立して、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＢａＯ、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２およびＹ２Ｏ３を含む。特定の更なる実施形態において、ガラス１粉末は、約２重量％−約１２重量％の間Ａｌ２Ｏ３、約３５重量％−約５５重量％の間のＢａＯ、約３０重量％−約４５重量％の間のＳｉＯ２、約０．５重量％−約３重量％の間のＴｉＯ２および約０．５重量％−約２５重量％の間のＹ２Ｏ３を含む。特定のなお別の実施形態において、ガラス２粉末は、約１０重量％−約１５重量％の間のＡｌ２Ｏ３、約３５重量％−約５５重量％の間のＢａＯ、約３０重量％−約４５重量％の間のＳｉＯ２、約０．５重量％−約３重量％の間のＴｉＯ２および約０．５重量％−約５重量％の間のＹ２Ｏ３を含む。高分子ビヒクルを含む塗料１および塗料２の各々は、一般に、スラリー状である。特定の実施形態において、塗料１および塗料２の各々は、約７０重量％の粉末（例えば、ガラス粉末１または２）および約３０重量％の高分子ビヒクルを含む。当該技術分野において公知の適するいかなる高分子ビヒクル、結合剤、可塑剤および分散剤も本発明において用いることが可能である。
【００４８】
実施形態において、塗料１および塗料２の各々は、結合剤、可塑剤および分散剤の少なくとも１種を含む高分子ビヒクルを含み、塗料１および塗料２の加熱工程は３段階で行われる。塗料１および塗料２を高分子ビヒクル欠乏層の形成を引き起こすのに十分な第１の温度範囲で維持し、その後、焼結層の形成を引き起こすのに十分な第２の温度範囲で高分子ビヒクル欠乏層を維持し、その後、第１のガラス−セラミック層２０および第２のガラス−セラミック層３０の形成を引き起こすのに十分な第３の温度範囲で焼結層を維持する。
【００４９】
特定の実施形態において、第１の温度範囲は、約２００℃−約６００℃の間であり、第２の温度範囲は、約７００℃−約１０５０℃の間であり、第３の温度範囲は、約８００℃−約１１００℃の間である。特定の別の実施形態において、第１の温度範囲、第２の温度範囲および第３の温度範囲の少なくとも１つで層を維持する工程は、第１の温度で層を維持する工程、その後、第１の温度とは異なる第２の温度で層を維持する工程を含む。特定の別の実施形態において、塗料１および塗料２を第１の温度範囲、第２の温度範囲および第３の温度範囲の各々で約３０分−約３００分の間、特に約３０分−約６０分の間の時間にわたり維持する。
【００５０】
ここで、図６Ｂを参照すると、燃料電池１００のセラミック部品（例えば、図１Ａのセラミック部品１０）の封止は、第１のセラミック部品１０上に塗料１を被着させることを含む。その後、塗料３を塗料１上に被着させ、その後、塗料２を塗料３上に被着させる。塗料１、塗料２および塗料３の制御された熱処理は、それぞれ第１のガラス−セラミック層２０、第２のガラス−セラミック層３０および第３のガラス−セラミック層４０を含む封止用部品１５を形成する。第１のガラス−セラミック層２０および第２のガラス−セラミック層３０の各々の特定の機能を含む機能は、独立して、図１Ａに関して上述された通りである。第３のガラス−セラミック層４０の特定の機能を含む機能は、図１Ｂに関して上述された通りである。塗料１および塗料２（ガラス１粉末およびガラス２粉末を含む）の組成および被着の特定の機能を含む機能は、独立して、図６Ａに関して上述された通りである。塗料３の被着は、当該技術分野において公知の適するいかなる方法も用いて行うことが可能である。例えば、ドクターブレードは、塗料３を被着させる際に用いることが可能である。
【００５１】
図６Ｂで示された通り、塗料３は、典型的には、ガラス３粉末および場合より高分子ビヒクルを含み、高分子ビヒクルは、結合剤、可塑剤および分散剤の少なくとも１種を含む。特定の実施形態において、ガラス３粉末はＳｉＯ２を含む。特定の別の実施形態において、ガラス３粉末は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＢａＯ、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２およびＹ２Ｏ３を含む。特定の更なる別の実施形態において、ガラス３粉末は、約１０重量％−約１５重量％の間のＡｌ２Ｏ３、約３５重量％−約５５重量％の間のＢａＯ、約３０重量％−約４５重量％の間のＳｉＯ２、約０．５重量％〜約３重量％の間のＴｉＯ２および約０．５重量％−約５重量％の間のＹ２Ｏ３を含む。高分子ビヒクルを含む塗料１、塗料２および塗料３の各々は、一般に、スラリー状である。特定の実施形態において、塗料１、塗料２および塗料３の各々は、約７０重量％の粉末（例えば、ガラス粉末１、ガラス粉末２またはガラス粉末３）および約３０重量％の高分子ビヒクルを含む。
【００５２】
特定の実施形態において、塗料１、塗料２および塗料３の各々は、結合剤、可塑剤および分散剤の少なくとも１種を含む高分子ビヒクルを含み、塗料１、塗料２および塗料３の加熱工程は３段階で行われる。塗料１、塗料２および塗料３を高分子ビヒクル欠乏層の形成を引き起こすのに十分な第１の温度範囲で維持し、その後、焼結層の形成を引き起こすのに十分な第２の温度範囲で高分子ビヒクル欠乏層を維持し、その後、第１のガラス−セラミック層２０、第２のガラス−セラミック層３０および第３のガラス−セラミック層４０の形成を引き起こすのに十分な第３の温度範囲で焼結層を維持する。塗料１、塗料２および塗料３の熱処理は、図６Ａに関して上述された通りである
【００５３】
ここで、図６Ｃを参照すると、本発明の燃料電池の第２のセラミック部品６０へのセラミック部品１０の結合は、第１のセラミック部品１０上に塗料１を被着させることを含む。塗料２を塗料１上に被着させる。その後、塗料３を塗料２上に被着させ、その後、第２のセラミック部品６０を塗料３上に被着させる。塗料１、塗料２および塗料３の制御された熱処理は、第１のセラミック部品１０と第２セラミック部品６０との間でそれぞれ第１のガラス−セラミック層１０、第２のガラス−セラミック層２０および第３のガラス−セラミック層５０を含む封止用部品１５を形成する。第１のガラス−セラミック層２０、第２のガラス−セラミック層３０および第３のガラス−セラミック層５０の各々の特定の機能を含む機能は、独立して、図２に関して上述された通りである。塗料１および塗料２（ガラス１粉末およびガラス２粉末を含む）の組成および被着の特定の機能を含む機能は、独立して、図６Ａに関して上述された通りである。塗料３（ガラス３粉末を含む）の組成および被着の特定の機能を含む機能は図６Ａの塗料１に関して上述された通りである。高分子ビヒクルを含む塗料１、塗料２および塗料３の各々は、一般に、スラリー状である。特定の実施形態において、塗料１、塗料２および塗料３の各々は、約７０重量％の粉末（例えば、ガラス粉末１、２または３）および約３０重量％の高分子ビヒクルを含む。第２のセラミック部品６０は、一般に、層３を乾燥させる前に塗料３上に被着される。塗料１、塗料２および塗料３の熱処理は図６Ａに関して上述された通りである。
【００５４】
図７は、本発明において用いられ得る熱処理分布の特定の例を示している。特に、図７の熱処理分布は、表１の多層ガラス−セラミックシール／ボンドのために用いることが可能である。
【００５５】
均等物
本発明の実例的な実施形態に関して本発明を詳細に示すとともに記載してきた一方で、添付した特許請求の範囲によって包含された本発明の範囲から逸脱せずに、形態および詳細事項における種々の変更を実施形態においてなし得ることは当業者によって理解されるであろう。
【図１Ａ】
2011519113.tif 000004
【図１Ｂ】
2011519113.tif 000005
【図２】
2011519113.tif 000006
【図３】
2011519113.tif 000007
【図４】
2011519113.tif 000008
【図５】
2011519113.tif 000009
【図６Ａ】
2011519113.tif 000010
【図６Ｂ】
2011519113.tif 000011
【図６Ｃ】
2011519113.tif 000012
【図７】
2011519113.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成22年8月3日(2010.8.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）第１のセラミック部品と、
ｂ）前記セラミック部品上に第１のガラス−セラミック層および前記第１のガラス−セラミック層上に第２のガラス−セラミック層を含む封止用部品であって、前記第１のガラス−セラミック層および前記第２のガラス−セラミック層の各々が、独立して、約０．５体積％−約５０体積％の間のガラス相含有率（前記第１のガラス−セラミック層は前記第２のガラス−セラミック層より高いガラス相含有率を含む）および約０．５重量％−約１０重量％の間のガラス安定剤成分を含む封止用部品と
を含む燃料電池部品。
【請求項２】
前記ガラス安定剤成分が、Ｂ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ、Ｃｓ２Ｏ、Ｓｂ２Ｏ３、ＳｎＯ、Ｌａ２Ｏ３およびＰｂＯからなる群から選択される少なくとも１種の化合物を含む請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記ガラス安定剤成分がＢ２Ｏ３を含む請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第１のガラス−セラミック層および前記第２のガラス−セラミック層の各々がＳｉＯ２を含む請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第１のガラス−セラミック層および前記第２のガラス−セラミック層の各々が、独立して、Ａｌ２Ｏ３、ＢａＯ、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＳｒＯ、ＴｉＯ２およびＹ２Ｏ３からなる群から選択される少なくとも１種の化合物を更に含む請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記第１のガラス−セラミック層と前記第２のガラス−セラミック層との間の第３のガラス−セラミック層であって、前記第１のガラス−セラミック層より低いガラス相含有率を含み、前記第２のガラス−セラミック層より高いガラス相含有率を含む第３のガラス−セラミック層を更に含む請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記第２のガラス−セラミック層上の前記第３のガラス−セラミック層と、前記第１のセラミック部品の反対側で前記第３のガラス−セラミック層上の第２のセラミック部品とを更に含み、前記第３のガラス−セラミック層が約０．５体積％−約５０体積％の間のガラス相含有率を含み、約０．５重量％〜約１０重量％の間の前記ガラス安定剤成分を含み、前記第３のガラス−セラミック層のガラス相含有率が前記第２のガラス−セラミック層のガラス相含有率より高い請求項１に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記燃料電池が固体酸化物燃料電池である請求項１に記載の燃料電池。
【請求項９】
燃料電池のセラミック部品を封止する方法であって、
ａ）ＳｉＯ２を含むとともに約０．５重量％−約１０重量％の間のガラス安定剤成分を更に含む第１の塗料を前記燃料電池の第１のセラミック部品上に被着させる工程と、
ｂ）ＳｉＯ２を含む第２の塗料を前記第１の塗料上に被着させる工程と、
ｃ）前記第１の塗料および前記第２の塗料を加熱して、前記セラミック部品上に第１のガラス−セラミック層および前記第１のガラス−セラミック層上に第２のガラス−セラミック層を含む封止用部品であって、前記第１のガラス−セラミック層および前記第２のガラス−セラミック層の各々が独立して約０．５体積％−約５０体積％の間のガラス相含有率を含み、前記第１のガラス−セラミック層が前記第２のガラス−セラミック層より高いガラス相含有率を含む封止用部品を形成し、それによって前記セラミック部品を前記封止用部品により封止する工程と
を含む方法。
【請求項１０】
前記ガラス安定剤成分が、Ｂ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ、Ｃｓ２Ｏ、Ｓｂ２Ｏ３、ＳｎＯ、Ｌａ２Ｏ３およびＰｂＯからなる群から選択される少なくとも１種の化合物を含む請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の塗料および前記第２の塗料の各々が高分子ビヒクルを更に含む請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の塗料および前記第２の塗料を加熱する工程が、高分子ビヒクル欠乏層の形成を引き起こすのに十分な第１の温度範囲で前記第１の塗料および前記第２の塗料を維持する工程、その後、焼結層の形成を引き起こすのに十分な第２の温度範囲で前記高分子ビヒクル欠乏層を維持する工程、およびその後、前記第１のガラス−セラミック層および前記第２のガラス−セラミック層の形成を引き起こすのに十分な第３の温度範囲で前記焼結層を維持する工程を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の温度範囲が約２００℃−約６００℃の間であり、前記第２の温度範囲が約７００℃−約１０５０℃の間であり、前記第３の温度範囲が約８００℃−約１１００℃の間である請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の塗料と前記第２の塗料との間にＳｉＯ２を含む第３の塗料を被着させ、前記第１の塗料、前記第２の塗料および前記第３の塗料を加熱して、前記第１のガラス−セラミック層、前記第２のガラス−セラミック層および約０．５体積％−約５０体積％の間のガラス相含有率を含み、前記第１のガラス−セラミック層より低いガラス相含有率を含み、前記第２のガラス−セラミック層より高いガラス相含有率を含む第３のガラス−セラミック層を前記セラミック部品上に含む封止用部品を形成する工程を更に含む請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１のセラミック部品の反対側に位置する第２のセラミック部品との間に、第２の塗料の反対側に位置するＳｉＯ２および約０．５重量％−約１０重量％の間のガラス安定剤成分を含む第３の塗料を被着させ、前記第１の塗料、前記第２の塗料ならびに前記第３の塗料を加熱して、前記第１のガラス−セラミック層、前記第２のガラス−セラミック層および約０．５体積％−約５０体積％の間のガラス相含有率を含み、ガラス相含有率が前記第２のガラス−セラミック層より高い第３のガラス−セラミック層を前記セラミック部品上に含む封止用部品を形成する工程を更に含む請求項９に記載の方法。
【国際調査報告】
2011519113.tif 000014
2011519113.tif 000015
2011519113.tif 000016