(57)【要約】【課題】第一部材１及び第二部材２に熱膨張係数の差があっても、高いシール性を確保することができ、しかも、材質選択の自由度の高いシール構造を提供すること。【解決手段】熱膨張係数の異なる第一部材１と第二部材２との接合部をシールするシール構造において、第一部材１の接合面に凹部１２を有する一方、第二部材２の接合面に凸部２２を有し、第一部材１の熱膨張係数が第二部材２の熱膨張係数よりも高くされ、第一部材１の凹部１２と第二部材２の凸部２２との間にシール材３を融着させた状態で、第一部材１の凹部１２と第二部材２の凸部２２とが締り嵌め状態で嵌合されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱膨張係数の異なる第一部材と第二部材との接合部をシールするシール構造であって、
前記第一部材の接合面に凹部を有する一方、前記第二部材の接合面に前記第一部材の凹部に嵌合する凸部を有し、
前記第一部材の熱膨張係数が前記第二部材の熱膨張係数よりも高く、
前記第一部材の凹部と前記第二部材の凸部との間にシール材を融着させた状態で、該第一部材の凹部と該第二部材の凸部とが締り嵌め状態で嵌合されていることを特徴とするシール構造。
【請求項２】
３０℃〜７００℃における前記第一部材と前記第二部材との熱膨張係数の差が、５×１０−７／℃以上である請求項１に記載のシール構造。
【請求項３】
前記シール材はガラス材であって、該シール材中にアルカリ土類金属を含む結晶が析出している請求項１または請求項２に記載のシール構造。
【請求項４】
前記シール材を前記第一部材の凹部の奥底面と前記第二部材の凸部の先端面との隙間に介在させたことを特徴とする、請求項１から請求項３の何れかに記載のシール構造。
【請求項５】
前記シール材を前記第一部材の凹部の内壁面と前記第二部材の凸部の外壁面との隙間に介在させたことを特徴とする、請求項１から請求項４の何れかに記載のシール構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シール構造、より詳しくは、熱膨張係数の異なる第一部材と第二部材との接合部をシールするシール構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のとおり、二つの部材の接合部にシール材を介在させ、その接合部を例えば気密にシールすることが一般的に行われている。その際、二つの部材の熱膨張係数の差、或いは各部材とシール材との熱膨張係数の差をより小さくするために各部材やシール材の材質を適宜選択することが行われる。
【０００３】
例えば、下記特許文献１には、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）のシール構造において、円筒形の電池セルとその両端部に嵌め込んだセラミックスブロックとの隙間に、電池セルの固体電解質と同じ材質から成るシール材を介在させることによって、電池作動時にシール部に発生する熱応力を軽減することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−５０３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載のシール構造のように、たとえ電池セルとシール材との熱膨張係数を同じにしても、電池セルとセラミックスブロックとの間に熱膨張係数差があるため、温度変化により両部材間に隙間が生じるおそれがあり、高い気密性を維持することが困難であるという問題があった。特に固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の場合、電池作動時の温度域が６００〜１０００℃と高温であるため、常温で行う点検時との温度変化が大きく、各部材やシール材の熱膨張係数差が小さくても、温度変化時の隙間の発生によるガス漏れをなくすことは困難であった。
【０００６】
また、特許文献１に記載のシール構造においても、電池セル、セラミックスブロック、インターコネクタ等の各構成部材やシール材の熱膨張係数差をより小さくする必要があることは従来と変わらず、各構成部材の材質が限定され、設計の自由度が制限される問題があった。
【０００７】
本発明は、従来のシール構造に上記のような問題があったことに鑑みて為されたもので、接合すべき二つの部材に熱膨張係数の差があっても、高いシール性を確保することができ、しかも材質選択の自由度の高いシール構造を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、熱膨張係数の異なる第一部材と第二部材との接合部をシールするシール構造であって、前記第一部材の接合面に凹部を有する一方、前記第二部材の接合面に前記第一部材の凹部に嵌合する凸部を有し、前記第一部材の熱膨張係数が前記第二部材の熱膨張係数よりも高くされ、前記第一部材の凹部と前記第二部材の凸部との間にシール材を融着させた状態で、該第一部材の凹部と該第二部材の凸部とが締り嵌め状態で嵌合されていることを特徴としている。
【０００９】
また、本発明は、３０℃〜７００℃における前記第一部材と前記第二部材との熱膨張係数の差が、５×１０−７／℃以上であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、前記シール材がガラス材であって、該シール材中にアルカリ土類金属を含む結晶が析出していることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、前記シール材を前記第一部材の凹部の奥底面と前記第二部材の凸部の先端面との隙間に介在させたことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、前記シール材を前記第一部材の凹部の内壁面と前記第二部材の凸部の外壁面との隙間に介在させたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るシール構造によれば、第一部材の熱膨張係数を第二部材の熱膨張係数よりも高くし、第一部材の凹部と第二部材の凸部とを、シール材で融着させて締り嵌め状態で嵌合しているので、例えば固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）が電池作動時の高温状態から点検時の常温状態まで冷える際、第一部材によって第二部材及びシール材を締め付けることができ、高いシール性を保つことができる。
【００１４】
しかも、従来のように第一部材と第二部材との熱膨張係数の差をより小さくする必要がないので、各部材の材質選択の自由度が高い。
【００１５】
また、３０℃〜７００℃における第一部材と第二部材との熱膨張係数差が５×１０−７／℃以上であるシール構造によれば、降温時に第一部材によって第二部材及びシール材をより確実に締め付けることができ、より高いシール性を確保することができる。
【００１６】
また、シール材がガラス材であって、シール材中にアルカリ土類金属を含む結晶が析出しているシール構造によれば、シール材に高い熱膨張係数と耐熱性を持たせることができるので、例えば普通鋼、ステンレス鋼等の金属や、フェライト、ジルコニア等の高い熱膨張係数を有するセラミックスの接合部においても高いシール性を確保することができ、また、長期間高温に晒されてもシール性の低下を招くことがない。
【００１７】
また、シール材を第一部材の凹部の奥底面と第二部材の凸部の先端面との隙間に介在させたシール構造によれば、例えばタブレット状のシール材を第一部材の凹部内に嵌め込む簡単な作業でシール構造を組み立てることができる。
【００１８】
また、シール材を第一部材の凹部の内壁面と第二部材の凸部の外壁面との隙間に介在させたシール構造によれば、例えば筒型タブレット状のシール材を第二部材の凸部の外壁面に嵌め込む簡単な作業でシール構造を組み立てることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態のシール構造の（ａ）接合状態、及び（ｂ）分解状態の斜視図である。
【図２】本実施形態のシール構造の断面図である。
【図３】本発明に係るシール構造の他の実施形態の断面図である。
【図４】本発明に係るシール構造の更に他の実施形態の概略斜視図である。
【図５】本発明に係るシール構造の実施例１〜実施例４の断面図である。
【図６】シール構造の比較例１及び比較例２の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本実施形態のシール構造１０は、図１及び図２に示すように、本発明に係るシール構造を、円筒形の固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の接合部に適用したものであり、電池セルの空気極として形成された第一部材１と、電池セルの端部に接合される絶縁体として形成された第二部材２と、第一部材１と第二部材２との間に介在されるシール材３と、から構成されている。これら第一部材１、第二部材２及びシール材３にはそれぞれ、電池セルへ空気を供給するための貫通孔（１１、２１、３１）が予め形成されている。
【００２１】
第一部材１は、接合面に有底丸孔状の凹部１２を有している。本実施形態の第一部材１は、ランタンマンガネート（ＬａＭｎＯ３）粉末に水及びバインダーを加えて粘土状にし、これをプレス成形した後、焼成処理して形成されており、その熱膨張係数は、１００×１０−７／℃である。
【００２２】
第二部材２は、接合面に、第一部材１の凹部１２に嵌合可能な円柱状の凸部２２を有している。本実施形態の第二部材２は、ジルコニア粉末に水及びバインダーを加えて粘土状にし、これをプレス成形した後、焼成処理して形成されており、その熱膨張係数は、９０×１０−７／℃である。
【００２３】
シール構造１０は、第一部材１の熱膨張係数が第二部材２の熱膨張係数より高くされている。第一部材１と第二部材２との３０℃〜７００℃における熱膨張係数の差は、より確実なシール性を得るために、５×１０−７／℃以上であることが好ましく、１０×１０−７／℃以上であることがさらに好ましい。本実施形態では、第一部材１と第二部材２との熱膨張係数差を、１０×１０−７／℃としている。
【００２４】
また、シール構造１０は、第一部材１の凹部１２と第二部材２の凸部２２とが締り嵌め状態で嵌合されている。本実施形態では、電池作動温度（約７００℃）における、第一部材１の凹部１２の内径と第二部材２の凸部２２の外径とを同じにしており、常温において第一部材１の凹部１２と第二部材２の凸部２２とが締り嵌めされている。
【００２５】
シール材３は、図１（ｂ）に示すように、第一部材１の凹部１２の奥底面１２１と第二部材２の凸部２２の先端面２２１との隙間に介在している。このようにシール材３を介在させれば、例えば、シール材３が円盤型のタブレット状の部材である場合、第一部材１の凹部１２内にシール材３を嵌め込む簡単な作業で本発明に係るシール構造を組み立てることができる。
【００２６】
本実施形態のシール材３は、モル％で、ＳｉＯ２  ３０〜５０％、ＭｇＯ  １０〜４５％、ＢａＯ  ５〜４０％、ＣａＯ  ０〜２０％、ＳｒＯ  ０〜１０％、Ｂ２Ｏ３  ０〜１５％、ＺｎＯ  ０〜１５％、Ａｌ２Ｏ３  ０〜６％、ＺｒＯ２  ０〜３％、ＳｎＯ２  ０〜３％の組成を有しており、熱処理するとＭｇＯ系結晶が析出する。熱処理前のシール材３の形態は、ペースト、粉末、グリーンシート、タブレット等の何れの形態でもよい。
【００２７】
上記組成のシール材３は、作動温度が約７００℃の固体酸化物型燃料電池の接合部の気密シールのために採択されたものであり、約８００℃の加熱により軟化流動し、この温度を所定時間保持することによりアルカリ土類金属を含む結晶が析出する。より具体的には、ＭｇＯ系結晶（例えば、２ＭｇＯ‐ＳｉＯ２、ＢａＯ‐２ＭｇＯ‐２ＳｉＯ２、２ＭｇＯ‐Ｂ２Ｏ３）が析出する。電池作動温度の約７００℃において、シール材３は固体状態にあり、第一部材１と第二部材２とを接着するとともに気密にシールする。ＭｇＯ系結晶が析出したシール材３は、高い熱膨張係数を有するとともに優れた耐熱性を有する。
【００２８】
なお、上記実施形態は一例であり、ＭｇＯ系結晶に限らず任意のアルカリ土類金属を含む結晶を析出させて構わない。例えば、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、およびＢａＯの何れか、或いはこれらを組み合わせて含む結晶を析出させても良い。このような結晶によってもシール材３において高い耐熱性を得ることができる。
【００２９】
本実施形態のシール構造１０は、以下の手順により組み立てられる。
【００３０】
まず、第一部材１、第二部材２、及びシール材３をそれぞれ準備し、第一部材１の凹部１２と第二部材２の凸部２２との間にシール材３を介在させた状態で、第一部材１の凹部１２と第二部材２の凸部２２とを締り嵌め状態で嵌合する。次いで、第一部材１と第二部材２との接合部を、約８００℃に加熱することによりシール材３を軟化流動させ、所定時間保持することによりＭｇＯ系結晶を析出させる。そして、シール構造１０を常温まで冷却し、シール材３を固化させることによって、第一部材１及び第二部材２をシール材３で融着し、第一部材１と第二部材２との接合部を気密シールする。こうして本実施形態のシール構造１０が組み立てられる。
【００３１】
このように本実施形態のシール構造１０にあっては、第一部材１の熱膨張係数を第二部材２の熱膨張係数よりも高くし、第一部材１の凹部１２と第二部材２の凸部２２とを、シール材３で融着させて締り嵌め状態で嵌合しているので、例えば固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）が電池作動時の高温状態から点検時の常温状態まで冷える際、第一部材１によって第二部材２及びシール材３を締め付けることができ、高いシール性を保つことができる。
【００３２】
しかも、本実施形態のシール構造１０は、従来のように第一部材１と第二部材２との熱膨張係数の差をより小さくする必要がなく、むしろ第一部材１と第二部材２との熱膨張係数差を積極利用しているので、各部材の材質選択の自由度が高い。
【００３３】
また、本実施形態のシール構造１０は、３０℃〜７００℃における第一部材１と第二部材２との熱膨張係数の差が５×１０−７／℃以上であるので、降温時に第一部材１によって第二部材２及びシール材３をより確実に締め付けることができ、より高いシール性を確保することができる。
【００３４】
また、本実施形態のシール構造１０は、シール材３がアルカリ土類金属を含む結晶を析出させたガラス材から成り、高い耐熱性を有するので、長期間高温に晒されてもシール性の低下を招くことがない。さらに、シール材３に析出する上記アルカリ土類金属を含む結晶がＭｇＯ系結晶であるため、高い熱膨張係数を得ることができ、例えば普通鋼、ステンレス鋼等の金属や、フェライト、ジルコニア等の高い熱膨張係数を有するセラミックスの接合部においても高いシール性を確保することができる。
【００３５】
なお、上記では、図１及び図２に示すように、シール材３を第一部材１の凹部１２の奥底面１２１と第二部材２の凸部２２の先端面２２１との隙間に介在させた実施形態を一例として説明したが、シール材３を介在させる箇所は凹部１２と凸部２２との間であれば、任意に変更して構わない。例えば、図３に示すシール構造２０のように、第一部材１の凹部１２の内壁面１２２と第二部材２の凸部２２の外側面２２２との隙間にシール材３を介在させる形態としても良い。このような形態とすれば、例えば、シール材３を円筒型のタブレットで構成した場合、凸部２２の外側面２２２にタブレット状のシール材３を嵌め込む簡単な作業で本発明に係るシール構造を組み立てることができる。
【００３６】
また、シール材３の介在箇所は上記に限らず、例えば、第一部材１の凹部１２の奥底面１２１と第二部材２の凸部２２の先端面２２１との隙間、および第一部材１の凹部１２の内壁面１２２と第二部材２の凸部２２の外側面２２２との隙間の双方にシール材３を介在させても良い。
【００３７】
また、本発明は他の実施形態でも実施することができる。
【００３８】
例えば、上記実施形態では、本発明に係るシール構造を円筒形の固体酸化物型燃料電池の接合部に適用しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、図４に示すように、平板形の固体酸化物型燃料電池の接合部に適用することもできる。
【００３９】
図４に示すシール構造３０は、電池セルの平板状の空気極として形成された第一部材４と、空気供給溝５１を有する平板状の絶縁支持体として形成された第二部材５と、第一部材４と第二部材５との間に介在されたシール材６と、から構成されている。そして、第一部材４の熱膨張係数を第二部材５の熱膨張係数よりも高くし、第一部材４の凹部４２と第二部材５の凸部５２とを、シール材６で融着させて締り嵌め状態で嵌合している。
【００４０】
また、本発明に係るシール構造は、固体酸化物型燃料電池の接合部に適用できる他、例えば、蛍光灯等の放電管におけるガラス管とその開口端部に接合された電極との接合部や、半導体部品の封入管におけるガラス封入管とその開口部に接合された半導体部品の電極との接合部にも適用することができる。
【００４１】
また、上記実施形態では、第一部材１及び第二部材２をプレス成形により形成しているが、例えば切削加工等により各部材を形成してもよい。
【実施例】
【００４２】
以下、本発明に係るシール構造の実施例について説明する。
【００４３】
「実施例１」
実施例１は、図５（ａ）に示すように、第一部材１の熱膨張係数を第二部材２の熱膨張係数よりも高くし、第一部材１の凹部１２の奥底面１２１と第二部材２の凸部２２の先端面２２１との隙間にシール材３を介在させたものである。
【００４４】
「実施例２」
実施例２は、図５（ｂ）に示すように、第一部材１の熱膨張係数を第二部材２の熱膨張係数よりも高くし、第一部材１の凹部１２の内壁面１２２と第二部材２の凸部２２の外側面２２２との隙間にシール材３を介在させたものである。
【００４５】
「実施例３」
実施例３は、図５（ｃ）に示すように、第一部材１の熱膨張係数を第二部材２の熱膨張係数よりも高くし、第一部材１のサイズを第二部材２のサイズよりも小さくしたものである。
【００４６】
「実施例４」
実施例４は、図５（ｄ）に示すように、第一部材１の熱膨張係数を第二部材２の熱膨張係数よりも高くし、第一部材１のサイズを第二部材２のサイズよりも大きくしたものである。
【００４７】
「比較例１」
比較例１は、図６（ａ）に示すように、第一部材１の熱膨張係数を第二部材２の熱膨張係数よりも高くし、第一部材１の凹部のない平坦な接合面１３と、第二部材２の凸部のない平坦な接合面２３との隙間にシール材３を介在させたものである。
【００４８】
「比較例２」
比較例２は、図６（ｂ）に示すように、第一部材１の熱膨張係数を第二部材２の熱膨張係数よりも高くし、第一部材１の接合面に設けた凸部１４と第二部材２の接合面に設けた凹部２４との隙間にシール材３を介在させたものである。
【００４９】
これら実施例１〜実施例４、比較例１、比較例２についてそれぞれ、第一部材１、第二部材２の材質、及びシール材３の組成を表１の通り変えて、シール試験１〜４を行った結果を表２に示す。なお、表１では各成分の含有量をｍｏｌ％にて示す。
【００５０】
【表１】
2013092200.tif 000003
【００５１】
【表２】
2013092200.tif 000004
【００５２】
試験１では、第一部材１がマグネシア、第二部材２がジルコニアから成り、試験２では、第一部材１がニッケル、第二部材２がステンレス鋼から成り、試験３では、第一部材１がランタンマンガネート（ＬａＭｎＯ３）、第二部材２がアルミナから成り、試験４では、第一部材１がフェライト、第二部材２が普通鋼から成る。各試験におけるシール材の焼成条件は、常温から８００℃まで５℃／分で昇温し、８００℃で２０分間保持した後、常温まで５℃／分で降温した。
【００５３】
表２に示すように、本発明に係る実施例１〜実施例４は、第一部材１、第二部材２及びシール材３の熱膨張係数の差に関わらず、シール材と各部材とが剥離することなくシール性を保ることができた（○表示）。他方、比較例１及び比較例２は、シール材と各部材とが剥離してしまいシール性を保つことができなかった（×表示）。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明に係るシール構造は、熱膨張係数の異なる第一部材と第二部材との接合部をシールするシール構造として各種分野において利用することができ、特に、普通鋼、ステンレス鋼等の金属や、フェライト、ジルコニア等の高い熱膨張係数を有するセラミックスの接合部のシール構造として好適である。また、電池作動時と点検時との温度変化の大きい固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）における電池セル、セラミックスブロック、インターコネクタ等の各構成部品の接合部を気密シールするシール構造として好適である。
【符号の説明】
【００５５】
１０  シール構造
１  第一部材
１２  凹部
１２１  奥底面
１２２  内壁面
２  第二部材
２２  凸部
２２１  先端面
２２２  外壁面
３  シール材
【図１】
2013092200.tif 000005
【図２】
2013092200.tif 000006
【図３】
2013092200.tif 000007
【図４】
2013092200.tif 000008
【図５】
2013092200.tif 000009
【図６】
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