(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムの、ハウジングと前記ハウジングの第１の端部から延びる加熱エレメントとを備えるグロープラグを密封する方法であって、
環状ベースと前記環状ベースから延びる管状カラーとを含む密封エレメントに前記加熱エレメントを挿入するステップと、
前記管状カラーを前記加熱エレメントに取り付けるとともに前記環状ベースを前記ハウジングの第１の端部に取り付けることによって前記グロープラグと前記燃料電池システムとの間の流体密結合を形成するステップと、を含み、
前記環状ベースの厚さが前記管状カラーの厚さと実質的に同じになるように、前記密封エレメントをシートメタルから形成する方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、
前記ハウジングの内側に配置される前記加熱エレメントの部分にリード線を取り付けるステップをさらに含み、
前記リード線は、ニッケル−シリコン合金を含む方法。
【請求項３】
請求項２記載の方法において、
前記リード線を取り付けるステップは、前記加熱エレメントにランディングパッドを取り付けることと前記リード線を前記ランディングパッドに取り付けることとを含み、
前記ランディングパッドは、ニッケル−シリコン合金を含む方法。
【請求項４】
請求項３記載の方法において、
前記ランディングパッドは、前記加熱エレメントに取り付けられるカラーと、前記カラーから延びて前記リード線に取り付けられるリード結線とを含む方法。
【請求項５】
請求項１記載の方法において、
前記流体密結合を形成するステップは、活性化ろう付け合金金ろうを用いてろう付けすることを含む方法。
【請求項６】
請求項１記載の方法において、
前記密封エレメントは、オーステナイト系ニッケル−クロム合金を含む方法。
【請求項７】
請求項１記載の方法において、
前記グロープラグを前記燃料電池システムの壁の開口部に配置するステップをさらに含む方法。
【請求項８】
固体酸化物燃料電池システムのためのグロープラグであって、
ハウジングと、
前記ハウジングの第１の端部から延びる加熱エレメントと、
前記ハウジングと前記加熱エレメントとの間に流体密結合を形成するように構成された密封エレメントと、を備え、
前記密封エレメントは、
前記ハウジングの第１の端部に取り付けられる環状ベースと、
前記環状ベースから延びて前記加熱エレメントに取り付けられる管状カラーと、を含み、
前記環状ベースの厚さが前記管状カラーの厚さと実質的に同じになるように、前記密封エレメントをシートメタルから形成するグロープラグ。
【請求項９】
請求項８記載のグロープラグにおいて、
前記密封エレメントは、ろう付けまたはレーザー溶接によって前記ハウジングおよび前記加熱エレメントに取り付けられるグロープラグ。
【請求項１０】
請求項８記載のグロープラグにおいて、
前記密封エレメントは、活性化ろう付け合金金ろうによって前記ハウジングおよび前記加熱エレメントに取り付けられるグロープラグ。
【請求項１１】
請求項８記載のグロープラグにおいて、
前記密封エレメントは、オーステナイト系ニッケル−クロム合金を含むグロープラグ。
【請求項１２】
請求項８記載のグロープラグにおいて、
前記ハウジング内に配置されるランディングパッドをさらに備え、
前記ランディングパッドは、前記加熱エレメントに取り付けられるランディングパッドカラーと、前記ランディングパッドカラーから延びるリード結線とを含むグロープラグ。
【請求項１３】
請求項１２記載のグロープラグにおいて、
前記ランディングパッドは、ニッケル−シリコン合金を含むグロープラグ。
【請求項１４】
請求項１３記載のグロープラグにおいて、
活性化ろう付け合金金ろうを用いて前記リード結線に取り付けられるリード線をさらに備え、
前記リード線は、ニッケル−シリコン合金を含むグロープラグ。
【請求項１５】
請求項８記載のグロープラグにおいて、
ニッケル−シリコン合金を含むとともに平らにされた端部を有するリード線をさらに備え、
前記平らにされた端部は、活性化ろう付け合金金ろうを用いて前記加熱エレメントに取り付けられるグロープラグ。
【請求項１６】
請求項１２記載のグロープラグにおいて、
活性化ろう付け合金金ろうを用いて前記加熱エレメントに取り付けられる中央リード線をさらに備えるグロープラグ。
【請求項１７】
請求項１２記載のグロープラグにおいて、
前記ランディングパッドカラーは、前記環状ベースから直交方向に延びるグロープラグ。
【請求項１８】
請求項１２記載のグロープラグにおいて、
前記加熱エレメントは、セラミック材料を含むグロープラグ。
【請求項１９】
固体酸化物燃料電池システムであって、
ホットボックスハウジングと、
前記ホットボックスハウジング内に配置された燃料電池スタックと、
前記ホットボックスハウジングの開口部を通って延びる請求項８記載のグロープラグと、
を備える固体酸化物燃料電池システム。
【請求項２０】
固体酸化物燃料電池システムのためのグロープラグであって、
ハウジングと、
前記ハウジングの第１の端部から延びる加熱エレメントと、
前記ハウジング内に配置されたランディングパッドと、を備え、
前記ランディングパッドは、前記加熱エレメントに取り付けられたカラーと、前記カラーから延びるリード結線とを含み、
前記ランディングパッドは、４〜５重量％のシリコンと少なくとも９４重量％のニッケルとを含有するニッケル−シリコン合金を含むグロープラグ。
【請求項２１】
請求項２０記載のグロープラグにおいて、
活性化ろう付け合金金ろうを用いて前記リード結線に取り付けられたリード線をさらに備え、
前記リード線は、ニッケル−シリコン合金を含むグロープラグ。
【請求項２２】
請求項２０記載のグロープラグにおいて、
活性化ろう付け合金金ろうを用いて前記加熱エレメントに取り付けられた中央リード線をさらに備えるグロープラグ。
【請求項２３】
請求項２０記載のグロープラグにおいて、
前記加熱エレメントは、セラミック材料を含むグロープラグ。
【請求項２４】
請求項２０記載のグロープラグにおいて、
ニッケル−シリコン合金を含むとともに平らにされた端部を有するリード線をさらに備え、
前記平らにされた端部は、活性化ろう付け合金金ろうを用いて前記加熱エレメントに取り付けられるグロープラグ。
【請求項２５】
請求項２０記載のグロープラグにおいて、
前記加熱エレメントと前記ハウジングとの間に配置された密封リングをさらに備え、
前記密封リングは、ガラスを含み、活性化金ろうを用いて前記加熱エレメントおよび前記ハウジングに取り付けられるグロープラグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムを対象とし、より具体的には、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）システムのためのグロープラグを対象としている。
【０００２】
関連特許出願の相互参照
本願は、その全体が本願明細書において参照により援用されている、２０１４年４月４日に出願された米国仮特許出願第６１／９７５，２３３号明細書（特許文献１）に関連するとともにこの仮出願に対する優先権を主張する。
【背景技術】
【０００３】
固体酸化物燃料電池などの燃料電池は、燃料に蓄えられているエネルギーを高効率で電気エネルギーに変換することのできる電気化学装置である。高温燃料電池は、固体酸化物燃料電池および溶融炭酸塩燃料電池を含む。これらの燃料電池は、水素および／または炭化水素燃料を用いて動作することができる。入力として電気エネルギーを用いて、酸化されている燃料を還元して酸化されていない燃料に戻す逆操作をも可能にする種類の、固体酸化物再生燃料電池などの燃料電池がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国仮特許出願第６１／９７５，２３３号明細書
【特許文献２】米国特許出願第１３／３４４，３０４号明細書
【発明の概要】
【０００５】
種々の実施形態は、燃料電池システムの、ハウジングとハウジングの第１の端部から延びる加熱エレメントとを備えるグロープラグを密封する方法に関し、この方法は、環状ベースと環状ベースから延びる管状カラーとを含む密封エレメントに加熱エレメントを挿入するステップと、カラーを加熱エレメントに取り付けるとともに環状ベースをハウジングの第１の端部に取り付けることによってグロープラグと燃料電池システムとの間の流体密結合を形成するステップとを含む。
【０００６】
種々の実施形態は、固体酸化物燃料電池システムのためのグロープラグに関し、このグロープラグは、ハウジングと、ハウジングの第１の端部から延びる加熱エレメントと、ハウジングと加熱エレメントとの間の流体密結合を形成するように構成された密封エレメントとを備え、この密封エレメントは、ハウジングの第１の端部に取り付けられた環状ベースと、環状ベースから延びて加熱エレメントに取り付けられた管状カラーとを含む。
【０００７】
種々の実施形態は、固体酸化物燃料電池システムに関し、この固体酸化物燃料電池システムは、ホットボックスハウジングと、ホットボックスハウジング内に配置された燃料電池スタックと、ホットボックスハウジングの開口部を通って延びるグロープラグとを備える。
【０００８】
種々の実施形態は、固体酸化物燃料電池システムのためのグロープラグに関し、このグロープラグは、ハウジングと、ハウジングの第１の端部から延びる加熱エレメントと、ハウジング内に配置されたランディングパッドとを備え、このランディングパッドは、加熱エレメントに取り付けられたカラーとカラーから延びるリード結線とを含む。
【０００９】
種々の実施形態は、固体酸化物燃料電池システムのためのグロープラグに関し、このグロープラグは、ハウジングと、ハウジングから延びる加熱エレメントと、加熱エレメントとハウジングとの間に配置され、かつガラスを含む密封リングとを備える。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】比較例に従うＳＯＦＣシステムのベース部分を示す３次元切り取り図である。
【図１Ｂ】典型的な実施形態に従うＳＯＦＣシステムの横断面の略図である。
【図２】他の１つの典型的な実施形態に従うＳＯＦＣシステムのベース部分を示す３次元切り取り図である。
【図３】他の１つの典型的な実施形態に従うＳＯＦＣシステムのベース部分を示す３次元切り取り図である。
【図４】種々の実施形態に従うＳＯＦＣシステムのベース部分を示す３次元切り取り図である。
【図５】種々の実施形態に従うＳＯＦＣシステムのガスケットおよびフレームの分解図である。
【図６Ａ】種々の実施形態に従う密封部材の側面図である。
【図６Ｂ】種々の実施形態に従う密封部材の平面図である。
【図６Ｃ】種々の実施形態に従う、図６Ａおよび図６Ｂの密封部材を含むグロープラグの平面図である。
【図６Ｄ】種々の実施形態に従う、図６Ａおよび図６Ｂの密封部材を含むグロープラグの側面図である。
【図６Ｅ】図６Ｄの差し込みエリアの側面横断面拡大図である。
【図７Ａ】種々の実施形態に従うランディングパッドの透視図である。
【図７Ｂ】種々の実施形態に従うランディングパッドの平面図である。
【図７Ｃ】種々の実施形態に従う、加熱エレメントに取り付けられた図７Ａおよび図７Ｂのランディングパッドの側面図である。
【図７Ｄ】種々の実施形態に従う、加熱エレメントに取り付けられた図７Ａおよび図７Ｂのランディングパッドの平面図である。
【図７Ｅ】種々の実施形態に従うグロープラグの側面横断面図である。
【図８Ａ】種々の実施形態に従うグロープラグアセンブリの側面横断面図である。
【図８Ｂ】種々の実施形態に従うグロープラグアセンブリの側面横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
高い動作効率を維持するために、燃料電池の所望の温度が動作中終始維持されるべきである。しかし、燃料電池ホットボックスの層内のギャップと計装貫通穴とが、顕著な熱漏れをもたらし、結果として望ましくない温度変動をもたらし得る。さらに、高温動作と温度の変動とは燃料電池コンポーネントに応力と損傷を生じさせ得る。
【００１２】
グロープラグなどのコンポーネントは、貫通穴を通して挿入され得る。グロープラグは、ＳＯＦＣ動作を維持するために熱を供給する加熱エレメントを有する燃料電池コンポーネントである。グロープラグは、通例、反応室に挿入され、しばしばグロープラグアセンブリのハウジングに収容される。グロープラグは貫通穴を通してＳＯＦＣ反応室内に供給されるので、反応室に挿入されたグロープラグまたは加熱エレメントは、エレメントと、エレメントを支持して挿入を容易にするハウジングとの間に生じ得る漏れを防ぐために密封されるべきである。さらに、反応室の中またはその近くにあるコンポーネントは、極端な動作温度および極端な温度変化にさらされ得る。動作温度条件および変化が極端であるために、ハウジングコンポーネントと加熱エレメントとの間の熱膨張係数（ＣＴＥ）の差が、加熱エレメントにミクロ割れ形成を生じさせる応力を引き起こすこともあり、それにより加熱エレメントの寿命を短くし、漏れを生じさせ、ＳＯＦＣの動作信頼性および耐用寿命を減少させることもある。
【００１３】
高温のＳＯＦＣシステムの動作中に温度サイクルまたは変動に対する弾力性を提供するとともにグロープラグ故障を減少させるために、本発明の実施形態は、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）システムと、グロープラグおよび／またはグロープラグアセンブリを密封する方法とに向けられる。さらに、本願明細書で開示する絶縁を用いて高温のＳＯＦＣシステムの動作中安定した温度を維持することにより、このようなシステムにおいて熱効率および電気効率の両方が改善され得るとともにグロープラグ故障の可能性が低減され得る。任意に、実施形態は、熱効率を改善するために注ぎ込み可能な絶縁材料を含むＳＯＦＣシステムに向けられ得る。１つのタイプの注ぎ込み可能な絶縁材料は、ＳＯＦＣハウジングの開口部に注ぎ込まれることができる流体であって、硬化させられると固まって高温耐性材料となる「自由流れ」絶縁材であり得る。あるいは、注ぎ込み可能な絶縁材料は、硬化させられなくてもよい流動可能な絶縁材料である。高温燃料電池システムのベース部分を絶縁させる１つの方法が、その全体が本願明細書において参照により援用されている、２０１２年１月５日に出願された米国特許出願第１３／３４４，３０４号明細書（特許文献２）に開示されている。この方法の結果が図１Ａに示されている。燃料電池スタック（図示せず）は、絶縁材５０１で満たされたベースパン５０２の上に位置するスタック支持ベース５００上に配置される。スタック支持ベース５００は、密封エレメントのうちの１つを不要にするブリッジング管９００を含む。ブリッジング管９００を、セラミックなどの電気絶縁性材料から作ることもできるし、あるいはベースパン５０２の外側でセラミック管に接合される導電性材料から作ってもよい。ブリッジング管９００の使用は、空気漏れ経路をなくす。スタックからの集電装置／電気端子９５０は、ブリッジング管９００内でスタック支持ベース５００の頂部から、微孔性ボードから作られたベース絶縁材５０１を通ってベースパン５０２の外へ通される。管９００をベースパン５０２に固定するためにシートメタルリテーナ５０３を使用することができる。本願明細書において後でさらに詳述する実施形態において、グロープラグのための電気配線の挿入点および経路を提供するために同様の構成を使用することができる。グロープラグが挿入される実施形態では、電気配線は、グロープラグの外側からホットボックスの外側ハウジング３００の側壁３３０を通るかあるいはベースパン５０２を通って延びることができる。
【００１４】
管９００はベースにおいてスーパーウール９０１および／または注ぎ込み可能な絶縁材料９０２で絶縁され得る。注ぎ込み可能な絶縁材料は「自由流れ」絶縁材９０２とすることができ、これは、管９００の周りのベース５００の開口部に注ぎ込まれてから、硬化させられると固まって高温耐性材料となる。注ぎ込み可能な絶縁材料９０２は、管９００の周りのベース空洞の１０体積％未満を満たす。１つの代わりの実施形態では、注ぎ込み可能な絶縁材料９０２は乾燥固体粒子から作られる。グロープラグアセンブリとグロープラグアセンブリへの電気結線とのための導管も、グロープラグエレメントに対する熱的変動と熱曝露とを減少させるために、前述したように絶縁させられ得る。
【００１５】
図１Ｂは、ＳＯＦＣシステム１００の第１の実施形態を示す横断面図である。ＳＯＦＣシステム１００は、スタック支持ベース５００上に位置する燃料電池スタック９の１つ以上のコラム１１を含む。各燃料電池スタックは、その全体が本願明細書において参照により援用されている米国特許出願第１３／３４４，３０４号明細書（特許文献２）に記載されているように、１つ以上の燃料電池を含む。燃料マニホルド４０４は、コラム１１において燃料電池スタック９間に配置され得る。燃料電池スタック９のコラム１１は、ベースプレート５００上に置かれ、中央プレナム１５０の周りに配列され得る。中央プレナム１５０は、改質装置および／またはアノードクーラー熱交換器などの熱交換器および／またはアノード排気レキュペレータ（図示せず）などの種々の補助設備コンポーネントを含むことができる。ＳＯＦＣシステム１００の中央プレナム１５０は、燃料流入導管１５２、オキシダント流入導管１５４、燃料／オキシダント排気流出導管１５６（例えば、オキシダント排気により酸化された燃料排気を含むアノード排ガス酸化剤産出物）をも含む。
【００１６】
ＳＯＦＣシステム１００は、燃料電池スタック９のコラム１１の外周の周りに置かれたカソードレキュペレータ２００をも含む。ＳＯＦＣシステム１００を熱損失から絶縁させるために、カソードレキュペレータ２００とＳＯＦＣシステム１００の外側ハウジング３００（例えば、ホットボックス）の側壁３３０との間のギャップに弾力のある絶縁層２１０を設けることができる。ＳＯＦＣシステム１００をさらに絶縁させるために、弾力のある絶縁層２１０とＳＯＦＣシステム１００の外側ハウジング３００の側壁３３０との間のギャップ２５０に柔軟な絶縁層２６０を設けることができる。弾力のある絶縁層２１０を、注ぎ込み可能な材料（例えば、自由流れ材料、または固体粒状材料などの任意の適切な熱絶縁性弾力性材料）から作ることができる。柔軟な層２６０を、耐熱性フェルト、紙、またはウールなどの任意の適切な材料から作ることができる。ここで使用される「柔軟な」材料は、損傷なしで少なくとも１０体積パーセント縮み膨張する材料である。スタック支持ベース５００、ハウジング３００のベースパン５０２の底壁３３２および外側ハウジング３００の側壁３３０により少なくとも部分的に画定されるベース空洞１０２（図３にも示されている）を、後でより詳しく論じるように、微孔性ボード５０１、注ぎ込み可能な絶縁材９０２またはそれらの組み合わせなどのベース絶縁材９０１で満たすことができる。１つの典型的な実施形態では、微孔性ボード５０１は、ハウジング３００のベース空洞１０２の体積の四分の一またはそれ未満を満たす。
【００１７】
ＳＯＦＣの動作中の熱的変動は、薄い外側ハウジング３００（例えば、金属ハウジング）を、ＳＯＦＣシステムのより大きくて重い内部コンポーネント（例えば、スタックなど）よりも迅速に膨張させ、収縮させることができる。これは、絶縁シェル／コンテインメントおよび／または外側ハウジング３００および／またはカソードレキュペレータの疲労および損傷をもたらし得る。さらに、弾力のある絶縁層２１０と外側ハウジングの側壁３３０との間のギャップ２５０に柔軟な絶縁層２６０がないとすると、外側ハウジング３００の側壁３３０がＳＯＦＣシステムの内部コンポーネントより速く膨張すれば、耐圧縮性の（すなわち、弾力のある）注ぎ込み可能な絶縁材２１０がＳＯＦＣシステムから脱出するのを許すのに十分に大きなギャップを生成することができる。しかし、弾力のある絶縁層２１０と外側ハウジングの側壁３３０との間のギャップ２５０への柔軟な絶縁層２６０の追加は、ＳＯＦＣシステムの内部コンポーネントの膨張に起因する応力を吸収し、これによって外側ハウジング３００、カソードレキュペレータ２００、弾力のある層２１０および／または柔軟な絶縁層２６０を保護するとともに、膨張して、外側ハウジング３００がＳＯＦＣシステムの内部コンポーネントより速く膨張したとすれば、形成されるであろうギャップを埋める。他の実施形態では、ベース空洞の、少なくとも５０％などの少なくとも３０体積％（例えば、５０〜７５体積％などの３０〜１００体積％）が注ぎ込み可能な絶縁材で満たされる。
【００１８】
図２は、ＳＯＦＣシステムの他の１つの典型的な実施形態を示す。この実施形態では、スタック支持ベース５００の下のベースパン５０２内のベース空洞１０２は、注ぎ込み可能な絶縁材料９０２で完全に満たされる。絶縁材料９０２は、ＳＯＦＣホットボックスのベースに挿入されている管類（例えば、管９００）または計装の周りに絶縁材が流れるので、「自己回復性」であり得る。この方法で、絶縁材料９０２は、ＳＯＦＣに管類または計装を導入するために作られる貫通穴に起因する漏れを防止する。１つの典型的な実施形態では、側部絶縁材（例えば、層２１０および／または２６０）とベースとの間の空洞は、ベース空洞１０２を単一の工程で絶縁材料９０２で満たすためにアクセスされる。１つの典型的な実施形態では、弾力のある絶縁層２０１は、絶縁材料９０２と同じ材料で作られ、柔軟な絶縁層２６０を形成した後に１つの充填工程で形成される。絶縁材料９０２を、システムの外側ハウジング３００の側壁３３０の開口部３３４（例えば、ベースパン５０２の開口部３３４）を介して空洞１０２に供給することができる。
【００１９】
図３は、ベース空洞を注ぎ込み可能な絶縁材料で満たす方法の他の１つの典型的な実施形態を示す。充填管３３６の一端部は、ハウジング３００の側壁３３０の開口部３３４を通ってハウジング３００の外へ延びる。他方の端部は、ベース空洞１０２内でベース空洞１０２の頂部の近くに位置する。例えば、他方の端部は、ベース空洞１０２の中央部分の近くに（すなわち、中央プレナム１５０の下に）配置され得る。この実施形態では、例えばカソードレキュペレータ２００とハウジング３００との間のギャップを通してベース空洞１０２を絶縁材料９０２で満たすのを促進するために充填管３３６に真空を用いることができる。
【００２０】
他の１つの典型的な実施形態が図４に示されている。この実施形態では、ベース空洞１０２の中央部分が、微孔性ボード９０４などの固体絶縁材料で満たされる。ベース空洞１０２の残りの部分は、注ぎ込み可能な絶縁材料９０２で満たされる。
【００２１】
図５は、他の１つの典型的な実施形態を示す。この実施形態では、グロープラグ挿入および付随配線のための開口部を含む、外側ハウジング３００を通る燃料流入もしくはオキシダント流入パイプもしくは導管、ブリッジング管９００、および／または計装貫通などの配管の密封を助けるためにガスケット６０２およびフレーム６０４が設けられる。ガスケット６０２は、シリコンでコーティングされたガラス繊維などの任意の適切な材料で作られ得る。ガラス繊維は高温耐性を提供し、シリコンコーティングは絶縁材料９０２の微細な粒子がベース空洞１０２から外へ流出するのを防ぐ。いくつかの実施形態では、ガスケット６０２は、可撓性材料から作られ、ＳＯＦＣシステムの動作中、外側ハウジング３００の側壁３３０の膨張および収縮に適応して僅かに伸縮することができる。
【００２２】
ガスケット６０２を外側ハウジング３００の側壁３３０（例えば、外側ハウジング３００のベースパン５０２部分の側壁）に固定するためにフレーム６０４を設けることができる。例えば、フレーム６０４を側壁３３０にボルト止めする間に、フレーム６０４と側壁３３０との間にガスケット６０２を配置することができる。例えば、グロープラグもしくは加熱エレメントおよび付随する配線、（熱電対など）、パイプ、管などを含む計装は、１つまたは複数のガスケット６０２の開口部６０６を貫通する。
【００２３】
図６Ａ〜図６Ｅは、本願明細書に開示された種々の実施形態に従うグロープラグ８０６のエレメントを示す。具体的には、図６Ａおよび図６Ｂは密封エレメント８００の側面図および平面図をそれぞれ示し、図６Ｃおよび図６Ｄはグロープラグ８０６の平面図および側面図をそれぞれ示し、図６Ｅは図６Ｄのグロープラグ８０６の拡大された１つの部分を示す。
【００２４】
図６Ａおよび図６Ｂを参照すると、密封エレメント８００は、シルクハット状、漏斗状などであり得る。密封エレメント８００を、薄いシートメタルから形成することができる。例えば、密封エレメント８００を、オーステナイト系ニッケル−クロム合金、ガラス、またはそれらの組み合わせから形成することができる。特に、密封エレメント８００を、優れた高温酸化耐性を提供するために、インコネル合金から形成することができる。密封エレメント８００は、実質的に平らな環の形状を有するベース８０４を有することができる。密封エレメント８００は、ベース８０４から延びる管状カラー８０２をさらに有することができる。カラー８０２は、ベース８０４から直交方向に延びることができる。特に、密封エレメント８００は、カラー８０２とベース８０４とが結合される個所で湾曲することができる。
【００２５】
カラー８０２の少なくとも一部分の内径を、カラーが加熱エレメント８０８とぴったり番うことができるように、図６Ｃ、図６Ｄ、および図６Ｅに示されている加熱エレメント８０８の外径と一致するように設定することができる。カラー８０２の内面と加熱エレメント８０８との間に追加の密封が望まれるならば、それらの間に密封材料の仕上げ厚さと一致する間隔、またはその間隔に密封材料が流入できるようにする間隔を設けることができる。密封エレメント８００の利点は、その漏斗またはシルクハット形状寸法がろう付けまたはレーザー溶接などによって密封を改善できるようにすることである。
【００２６】
図６Ｃおよび図６Ｄを参照すると、グロープラグ８０６は加熱エレメント８０８と、加熱エレメント８０８がそこから延びるところのハウジング８１２とを含むことができる。加熱エレメント８０８をセラミック材料から形成することができる。ハウジング８１２を金属または合金から形成することができる。ハウジング８１２は反応室と番うように構成された第１の端部を有することができ、ＳＯＦＣシステムの反応室（例えば、ホットボックスの内側）への加熱エレメント８０８の挿入を容易にする。特に、ハウジング８１２の一部分は、反応室の対応するねじ部分と番うねじ山を有することができる。ハウジング８１２は、加熱エレメント８０８への電気的接続を容易にするように構成された反対側の第２の端部をさらに有することができる。
【００２７】
図６Ｅに示されているように、密封エレメント８００を、加熱エレメント８０８およびハウジング８１２に結合することができる。密封エレメント８００、加熱エレメント８０８、およびハウジング８１２を、例えば活性化ろう合金（「ＡＢＡ」）金ろう付け材料、レーザー溶接などを用いるろう付けによるなどの種々の方法により流体密シールを形成するように結合することができる。特に、密封エレメント８００のカラー８０２の内面８１６を加熱エレメント８０８に付着させることができ、密封エレメント８００のベース８０４の底面８１４をハウジング８１２に付着させることができる。ＡＢＡ金ろう付け材料は、重量で９６．４％の金、３．０％のニッケル、および０．６％のチタンを含むモルガンアドバンストマテリアル社により製造される金、ニッケル、およびチタンの高純度活性ろう合金であり得る。
【００２８】
代わりにあるいは加えて、ハウジング８１２内で、加熱エレメント８０８の周りに密封リング８０９を配置することができる。種々の実施形態において、これらの密封エレメントは、反応室内の加熱エレメント８０８の作業端部を孤立させるように作用することができる。
【００２９】
密封エレメント８００は、熱膨張に起因する加熱エレメントのミクロ割れの形成を低減するために、加熱エレメント８０８のＣＴＥと適合するように設定された熱膨張係数（ＣＴＥ）を有することができる。例えば、密封エレメント８００と加熱エレメント８０８とのＣＴＥ差は約１０％未満（例えば、約０〜５％）であり得る。ここで、「ＣＴＥ」は、一定圧力での温度の１度の変化あたりの寸法の分数変化を指す。体積ＣＴＥ、面積ＣＴＥ、および線ＣＴＥなどのいくつかのタイプのＣＴＥを挙げることができる。適合するために、加熱エレメント８０８および密封エレメント８００のそれぞれのＣＴＥを、これらのエレメントが曝される動作温度範囲にわたって前述したようにぴったりと整合させることができる。例えば、縦軸に沿って半径方向における加熱エレメント８０８のＣＴＥは、半径方向の膨張が、対応する半径方向における密封エレメント８００のＣＴＥに起因する密封エレメント８００の膨張を超えないように、セットされるべきである。加熱エレメント８０８および密封エレメント８００の線、面積、および体積の方面におけるそれぞれのＣＴＥのうちの１つ以上も、前述したように整合させられるべきである。追加のあるいは代わりの実施形態では、密封エレメント８００およびハウジング８１２の固定に起因して、ハウジング８１２などの追加のコンポーネントのＣＴＥを考慮することができる。さらに、種々の実施形態において、ろう付け材料などのどんな密封材料のＣＴＥをも考慮することができる。
【００３０】
種々の実施形態において、密封エレメント８００は、ろう付けまたは溶接操作が行われるときに加熱エレメント８０８にかかる応力を低減するように、十分に薄い。在来のグロープラグでは、通例は銅から作られる固体金属リングが加熱エレメントとハウジングとの間にろう付けされ得る。対照的に、密封エレメント８００を、加熱エレメント８０８にミクロ割れを生じさせずに熱サイクルの間に加熱エレメント８０８の直径または形状の変化に順応するように十分に柔軟な薄いシートメタルから形成することができる。密封エレメント８００を、その特性を改善するために合金からさらに有利に形成することができる。例えば、密封エレメント８００を、優れた高温酸化耐性を提供するためにインコネル合金などのオーステナイト系ニッケル−クロム合金から形成することができる。
【００３１】
密封エレメントのために銅の代わりにインコネル合金を利用することにより、密封エレメント８００をろう付けするために融点がより高いろう付け材料を用いることができ、これによりコンポーネントの信頼性を高めることができる。さらに、銅と比べると、インコネルは優れた高温酸化耐性を有する。ろう付けサイクルの数を、例えば２から１へ、減らすことにより、典型的グロープラグのための組み立て工程をさらに改善することができる。
【００３２】
実施形態のグロープラグへの結線を作るときにさらなる難題が生じ得る。種々の実施形態において、ろう付けは、いくつかのまたは全てのろう付け接合部でＡＢＡ金ろうを利用することができる。ろう付け接合部でＡＢＡ金ろうを利用することにより、グロープラグの寿命を増大させることができる。在来のグロープラグアセンブリはＡｇＣｕ２８ろうを利用し、これはＴｉ２ペーストを含む。高ＳＯＦＣホットボックス動作温度において、セラミック加熱エレメントおよびリード線の腐食および／または故障をもたらすことがあるＴｉ活性に起因して大きなコンポーネント故障率を経験することがある。ＡｇＣｕ２８ろうおよび／またはＴｉ２ペーストは、７７９℃以上の温度で反応し、時間が経過するとセラミック加熱エレメントの腐食をもたらす。対照的に、ＡＢＡ金ろうはより高い温度に定格され、１，０３０℃より低い温度ではリフローしない。１，０００℃以下の温度で流動しない他のろうを使用することもできる。
【００３３】
図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれランディングパッド１０００の透視図および平面図である。図７Ｃおよび図７Ｄは、それぞれ、加熱エレメント８０８に取り付けられたランディングパッド１０００の側面図および平面図である。図７Ａ〜図７Ｄを参照すると、ランディングパッド１０００をニッケルシリコン合金（Ｎｉｓｉｌ）から形成することができる。典型的なＮｉｓｉｌ合金は、約４．４重量％シリコンなどの４〜５重量％のシリコンと、９５〜９６重量％ニッケルなどの少なくとも９４重量％のニッケルとを含有する。
【００３４】
ランディングパッド１０００は、カラー１００２と、カラー１００２から延びるリード結線１００４とを有することができる。カラー１００２は、加熱エレメント８０８を少なくとも部分的に囲むように半円形に形成され得る。ランディングパッド１０００は、Ｎｉｓｉｌリード線１０１８と結合されることができる。特に、ＡＢＡ金ろうを用いて、リード線１０１８はリード結線１００４にろう付けされることができ、ランディングパッド１０００のカラー１００２は加熱エレメント８０８にろう付けされることができる。図７Ａ〜図７Ｃには示されていないけれども、加熱エレメント８０８に第２ののリード線を取り付けることができる。
【００３５】
ランディングパッド１０００および／またはＡＢＡ金ろう付けは、例えば熱サイクルの間のミクロ割れ形成のリスクを軽減することにより、グロープラグの信頼性を高めるように作用することができる。在来のリード材料を利用する使用済みグロープラグのコイル状リード線領域の横断面がＣＴＥ不一致に起因してミクロ割れの形成および成長を示すことが観察されている。ランディングパッド１０００およびリード線にＮｉｓｉｌを用いることにより、熱膨張に起因して加熱エレメント８０８にかかる応力を軽減することができ、リード線をろう付けするために改善された金属表面を提供することができる。
【００３６】
在来のグロープラグリード線では、よく選択される材料は、銅、ニッケルメッキされた銅、およびニッケルである。しかし、高温では、これらの在来の材料は急速に酸化してグロープラグの故障をもたらす。対照的に、ランディングパッド１０００およびリード線にＮｉｓｉｌを利用することにより、高温動作および高温での例外的耐食性を提供することができる。さらに、Ｎｉｓｉｌは、ランディングパッド１０００およびリード線に優れた導電率を提供する。なおさらに、Ｎｉｓｉｌランディングパッド１０００は、加熱エレメント８０８の熱膨張に起因する応力を軽減することができるとともに、ＳＯＦＣシステムの動作中のセラミック加熱エレメントの自然膨張および収縮に順応する柔軟な層を提供することができる。
【００３７】
代わりの実施形態では、Ｎｉｓｉｌリード線１０１８を加熱エレメント８０８に直接ろう付けすることができる。特に、ろう付けの前に加熱エレメント８０８との接触点でリード線１０１８を平らにして電気接触面積を大きくすることができる。
【００３８】
さらなる実施形態では、図７Ｅに示されているように、グロープラグ８０７は、ハウジング８１２から延びる加熱エレメント８０８を含むことができる。加熱エレメント８０８は、作業端部８０８ａおよび反対側の電気結合端部８０８ｂを含むことができる。加熱エレメント８０８の作業端部８０８ａは、ＳＯＦＣの反応室に挿入されて反応室内で燃料と相互作用して燃焼を促進することができる。加熱エレメント８０８の電気結合端部８０８ｂを、本願明細書に記載されているように密封により反応室から隔離することができる。示されてはいないけれども、グロープラグ８０７は、密封エレメント８００をさらに含むことができる。
【００３９】
加熱エレメント８０８の電気結合端部８０８ｂにリード線１１１２を結合させることができる。ハウジング８１２を密封するために、金属リングなどの密封リング１１００が加熱エレメント８０８およびハウジング８１２の両方にろう付けされる。種々の実施形態において、リード線１１１２はＮｉｓｉｌリード線とすることができ、これを、加熱エレメント８０８の電気結合端部８０８ｂの内側でＡＢＡ金ろう付けにより結合させることができる。加熱エレメント８０８の電気結合端部８０８ｂは、リード線１１１２との結合のために凹所、中空コア、くぼみ、あるいは同様のフィーチャを備えることができる。
【００４０】
グロープラグは、加熱エレメント８０８の電気結合端部８０８ｂの外面に結合された第２のリード線１１１４を含む。例えば、リード線１１１４を、加熱エレメント８０８の電気結合端部８０８ｂの周りに巻くことができる。リード線１１１４を巻くことにより、加熱エレメント８０８の表面とリード線１１１４との間の追加の結合表面積を提供して結合の弾力性および完全性を高めることができる。このリード線１１１４の構成およびその結果としての結合は、さらに接続部に或る程度の応力軽減をもたらすことができ、それにより、温度サイクルが繰り返された後などの接続部の信頼性を高めることができる。リード線１１１４はＮｉｓｉｌリード線とすることができ、これをＡＢＡ金ろう付けにより加熱エレメント８０８の接続端部の近くの外面に結合させることができる。いくつかの実施形態では、ランディングパッド１０００を用いてリード線１１１４を取り付けることができるし、あるいは、前述したように、取り付けの前にリード線１１１４の端部を平らにすることもできる。
【００４１】
図７Ｅに示されているように、ＡＢＡ金ろうは、金属密封リング１１００をグロープラグのセラミック加熱エレメント８０８に結合させるか、金属密封リングを燃料電池システムのハウジング８１２に結合させるか、中央リード線１１１２（例えば、Ｎｉｓｉｌ合金ワイヤ）をセラミック加熱エレメント８０８の中空内側部分に結合させるか、および／または巻かれたリード線１１１４（例えば、Ｎｉｓｉｌ合金ワイヤ）をセラミック加熱エレメント８０８の外側部分に結合させるかのうちの少なくとも１つの結合をする。
【００４２】
ＡＢＡ金ろうを用いることの１つの利点は、初めにセラミックを金属化することを必要とせずにセラミック材料を金属に付着させ得ることである。ろう接合部でＡｇＣｕ２８＋Ｔｉ２ペーストではなくてＡＢＡ金ろうを利用することにより、約７７９℃より高い温度での加熱エレメント８０８の腐食を防止することができる。さらに、ＡＢＡ金ろうは、グロープラグの組み立ての間に単一のろう材料を用いることを可能にする。さらに、ＡＢＡ金ろうを用いれば、ろう付けサイクルの数を、例えば３から１へ、減らすことができる。
【００４３】
図８Ａに示されているように、グロープラグ８０７を密封するために追加のまたは代わりのガラス密封リング１１００を用いることができる。密封リング１１００は、加熱エレメント８０８と協働して密封する内側密封部分１１０８を含むことができる。密封リング１１００は、ハウジング８１２と協働して密封する外側密封部分１１１０をさらに含むことができる。密封リング１１００を、グロープラグ８０７のための内部シールを提供するためにガラス材料から形成することができる。密封リング１１００は、グロープラグ８０７がＳＯＦＣのケーシングに挿入される個所でホットボックスの内側から外部環境へ燃料または空気が漏れないことを保証することができる。
【００４４】
密封リング１１００をガラス材料で形成することにより、独特の利点を提供することができる。例えば、ＳＯＦＣおよびホットボックスの動作温度で、ハウジング８１２およびセラミック加熱エレメント８０８は、熱膨張に起因して膨張するかまたは「大きく」なり得る。対応する温度上昇に伴って、ガラス密封リング１１００は、ガラス材料が少なくとも部分的に可塑化するのに十分な程度に軟化し得る。温度上昇およびグロープラグコンポーネントの対応する膨張に伴って軟化することにより、ガラス密封リング１１００は、ハウジング８１２および加熱エレメント８０８に付着し続けながら、形状寸法の変化に従い、順応するかあるいは撓むことができる。ガラス材料は、Ｓｉ−Ｏ分子結合網の密度に起因して一般的に不活性である。従って、密封リング１１００は、ガラス材料から形成されるので、潜在的に故障の原因となり得るセラミック加熱エレメント８０８との化学反応を妨げることができる。前に論じられたように、在来のグロープラグは、密封のためにＡｇＣｕ２８およびＴｉ２ペーストを用いる。約７７９℃より高い温度では、ＡｇＣｕ２８およびＴｉ２ペーストの中のチタンはセラミック加熱エレメントと反応してセラミック加熱エレメントを腐食し得る。
【００４５】
密封リング１１００にガラス材料を利用することにより、従来のろう付けで可能であるより簡単なプロセスで流体密シールを達成することができる。さらに、ガラス材料は、金属表面およびセラミック表面の両方に有利に付着させられ得る。なおさらに、ガラス材料は動作温度が高まると軟化し、これにより熱サイクルの間、セラミック加熱エレメント８０８の中でのミクロ割れ形成のリスクを低下させる。従って、ガラスのＣＴＥを加熱エレメント８０８のものと整合させることができる。
【００４６】
本願明細書に記載された種々の実施形態において、図８Ｂに示されているように、空気／燃料の流れ１１０６が存在し得る比較的に高温の反応ゾーン１１０４と比較的に低温の結合ゾーン１１０２との間にシールを提供することができる。
【００４７】
如上は具体的な好ましい実施形態に言及しているけれども、本発明はそのように限定されないことを理解すべきである。当業者であれば、開示された実施形態に対して種々の改変を成し得ることやそのような改変が本発明の範囲内にあるべく意図されていることに想到することができるはずである。ここで引用された刊行物、特許出願および特許の全ては、その全体が本願明細書において参照により援用されている。
【図１Ａ】
0006691485.tif 000002
【図１Ｂ】
0006691485.tif 000003
【図２】
0006691485.tif 000004
【図３】
0006691485.tif 000005
【図４】
0006691485.tif 000006
【図５】
0006691485.tif 000007
【図６Ａ−６Ｂ】
0006691485.tif 000008
【図６Ｃ−６Ｅ】
0006691485.tif 000009
【図７Ａ】
0006691485.tif 000010
【図７Ｂ】
0006691485.tif 000011
【図７Ｃ−７Ｄ】
0006691485.tif 000012
【図７Ｅ】
0006691485.tif 000013
【図８Ａ】
0006691485.tif 000014
【図８Ｂ】
0006691485.tif 000015