JP2003506304A - ガラス−セラミック接合材料および接合方法 - Google Patents
ガラス−セラミック接合材料および接合方法Info
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Abstract
Description
ターなどの電気化学デバイスにおける使用、あるいはシール材料に類似する熱膨
張係数を有する材料をシールするためのガラス−セラミック材料および製造方法
である。
導性電解質」という語は、交換可能である。 本明細書に用いられるときは、「ジョイント」という語には「シール」という
語も含まれるが、それは、このガラス−セラミック分野においては、「シール」
は、少なくとも2つの部品を接合するからである。しかし、それによって、「ジ
ョイント」は、「シール」としての役目を果たさないで断続的であってもよい。
く使用されている。しかし、ジョイントが使用中に信頼性を維持するように、セ
ラミックコンポーネントを他のセラミックコンポーネント、金属コンポーネント
、もしくはこれらの組合せ(例、サーメットコンポーネント)に接合および/ま
たはシールする問題は、依然として存在する。例えば、固体酸化物イオン伝導性
電解質は、酸素分離および高温燃料セルに有用である。それらの開発の多くの技
術的挑戦が克服されたが、シールの問題は依然として存在する。平面設計では、
気密シールは、コンポーネントを共に結合し、かつ固体酸化物イオン伝導性電解
質の両側のガス種が混合するのを阻止しなければならない。
に用いられる材料は、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、ドープドセリア
、ドープド酸化ビスマスおよびドープドランタナムガラートである。これらの材
料の熱膨張係数は、ドーパントの型および濃度に応じて10.1x10-6〜14
.3x10-6℃-1の範囲であり得る。使用温度も、どの材料が電解質として選ば
れるかに応じて、700〜1,000℃の範囲であり得る。したがって、シール
材料は、電解質の熱膨張に合うように製作され、200〜1,200℃範囲の温
度で気密シールを維持し、燃料セルコンポーネントと有害な化学相互作用を起こ
さないものでなければならない。さらに、シール材料は、延長期間(>9,00
0時間)の使用温度(800〜1,000℃)で安定であり、電気絶縁性でなけ
ればならない。固体酸化物燃料セルについては、シールは、極端な還元環境に耐
えることができなければならない。
功度でなされてきた。シリカ、硼素、ならびにホスフェート系ガラスおよびガラ
ス−セラミックが、固形酸化物燃料セル用のシール材料1-4として評価されてき
た。P.H.Larsen1等により実施された試験は、ガラスフォーマーとし
て純粋にホスフェートに基づくガラスに関する重要な問題を示す。温度で、ホス
フェートは揮発し、アノードと反応してニッケルホスファイドおよびジルコニウ
ムオキシホスフェートを形成した。さらに、これらのホスフェートガラスは、普
通結晶化してメタ−もしくはピロホスフェートを形成したが、それらは使用温度
で加湿燃料ガス内で低安定度を示した。
があるとみなされてきた。これらのガラスは、C.Gunther等2およびK
.L.Ley等3により固体酸化物燃料セルでの使用について研究されてきた。
しかし、硼素は、加湿水素雰囲気と反応して、使用温度2で気種B2(OH)2お
よびB2(OH)3を形成するだろう。したがって、高硼素シールは、いずれも加
湿水素環境で時間が立つと腐蝕し得る。唯一のガラスフォーマーとしてB2O3を
有するガラスは、加湿水素雰囲気で最高20%の重量損失、ならびに空気および
湿潤燃料ガス1の両方において燃料セルコンポーネント材料との広範な相互作用
を示した。
は、典型的に高耐薬品性を有し、燃料セルコンポーネント材料1と最小の相互作
用を示す。不幸なことに、これらのガラスは、シール材料に必要とされる範囲以
下の熱膨張を有する傾向がある。
晶化後の熱膨張係数が固体酸化物イオン伝導性電解質との適合性を有するような
ガラス組成を有することが、決定的である。ガラスがいったん十分に結晶化する
と、それは、典型的に時間が立っても非常に安定している。さらに、結晶化ガラ
スは、使用温度で機械的に強くなる傾向があり、シール性能を向上させる。
シール材料に対する当業界の需要がある。
J.G.Larsen、Proc.4th Int.Symp.Solid O
xide Fuel Cells、第95巻−1、1995年、pp.69−7
8。
roc.5th Int.Symp.Solid Oxide Fuel Ce
lls、第97巻−18、1997年、pp.746−756。
iserおよびI.Bloom、J.Mat.Res.、第11巻、第6号、(
1996年)、pp.1489−1493。
i、Yoshimi Esaki、Satoshi Ohara、Takehi
sa Fukui、Kaseki Kodera、Yukio Kubo、Pr
oc.5th Int.Symp.Solid Oxide Fuel Cel
ls、第97巻−18、1997年、pp.652−660。
コンポーネントもしくはこれらの組合せ(例、サーメットコンポーネント)に接
合もしくはシールするのに有用なガラス−セラミック化合物および製造方法であ
る。より具体的には、本発明は、第一および第二ガス種にそれぞれ曝露される第
一および第二側を有する少なくとも1つの固体電解質を有する電気化学セルにお
ける接合/シールに有用である。シールは、第一および第二ガス種を分離するの
に必要である。
3を含む。M1は、BaO、SrO、CaO、MgOもしくはこれらの組合せで
ある。M2は、Al2O3であり、化合物中に2〜15モル%の量で存在している
。M3は、50モル%以下のB2O3を有するSiO2である。化合物は、実質的
に固体セラミックコンポーネント、およびセラミック、金属もしくはこれらの組
合せである少なくとも1つの他の固体コンポーネントの熱膨張係数に適合する。
用いられて、合成ガス、汎用化学製品および他の製品の製造のために、管状およ
び平面状セラミック固体酸化物燃料セル、酸素電解器ならびに膜反応器を接合も
しくはシールすることができる。
しくはシールするのに有用な化合物を提供することである。 M1−Al2O3−M3の化合物で作られたジョイント/シールの利点は、ガラ
スから結晶相への実質的に一定な熱膨張係数維持である。
。しかし、組織および使用方法は、そのさらなる利点および目的とともに、付随
する図面に関連してなされる以下の記載によりもっともよく理解されようが、図
面においては、同じ参照記号は、同じ要素を意味する。
方法である。本発明は、少なくとも2つの固体セラミック部品間の接合もしくは
シール、例えば、第一および第二ガス種にそれぞれ曝露される第一および第二側
を有する少なくとも1つの固体電解質を有する電気化学セルにおけるシールに有
用である。本発明は、固体セラミックコンポーネントと金属コンポーネントもし
くはサーメットコンポーネントとの間の接合もしくはシールにも有用である。シ
ールは、使用中、通常高温で、第一および第二ガス種を分離するのに必要である
。
ンポーネント、金属コンポーネントもしくはサーメットコンポーネントなどのこ
れらの組合せである少なくとも1つの他の固体コンポーネントとの間のジョイン
トが含まれる。ジョイントは、M1−M2−M3の少なくとも3つの金属酸化物
を有する。M1は、BaO、SrO、CaO、MgOもしくはこれらの組合せで
ある。M2は、Al2O3である。M3は、50モル%以下のB2O3を有するSi
O2である。ジョイントは、実質的にジョイントを含むコンポーネントの熱膨張
係数に適合する。ジョイントの熱膨張係数は、25〜1,000℃で測定されて
約7x10-6〜約15x10-6℃-1である。
存在し、Al2O3が約2〜約15モル%の量で存在し、M3が約40〜約70モ
ル%の量で存在する範囲内である。M1−Al2O3−M3系の組成範囲は、図1
に示される。
Cr2O3およびこれらの組合せを含む少なくとも1つの追加金属酸化物を含み、
ガラス相もしくは最終結晶化シールの性質を変性してもよい。性質には、それに
限定はされないが、湿潤、ガラス転移温度(Tg)、ガラス軟化温度(Ts)、
熱膨張係数およびこれらの組合せが含まれる。
7×10-6〜13×10-6℃-1である。ガラスセラミックスのガラス転移温度(
Tg)及び軟化温度(Ts)は、650〜800℃の範囲内である。しかし、結
晶化ガラスセラミックは、1000℃以上の軟化温度を有する。
30%以内、好ましくは約16%以内、より好ましくは約5%以内のシール材料
の熱膨張係数として定義される。
を接合するために使用されてもよい。加えて、ジョイントは、酸素ジェネレータ
又は燃料セルにおいて、酸素イオン伝導性電解質(例えば、ジルコニア電解質)
及びインターコネクト(例えば、マンガナイト、クロマイト、金属及びそれらの
組合せ)を接合するために使用されてもよい。
コンポーネントを接合する方法は、以下の工程を有する: (a)固体セラミックコンポーネント及び少なくとも一つの他の固体コンポーネ
ント(好ましくは、別のセラミックコンポーネント、金属コンポーネント又はサ
ーメットコンポーネントなどのそれらの組合せである)の熱膨張係数と実質的に
適合する、M1、Al2O3及びM3のブレンドを提供する工程(M1は、BaO
、SrO、CaO、MgO又はそれらの組合せである。Al2O3は、ブレンド中
に2〜15モル%の量で存在する。M3は、50モル%以下のB2O3を伴うSi
O2である。); (b)プレアセンブリーとして前記固体セラミックコンポーネント及び前記少な
くとも一つの他の固体コンポーネントの界面に前記ブレンドを配置する工程; (c)前記ブレンドをアセンブリーとして前記界面に流し、濡らすのに十分な温
度に、前記プレアセンブリーを加熱する工程;及び (d)前記アセンブリーを冷却し、前記ブレンドを固化し、それによって、前記
固体セラミックコンポーネント及び前記少なくとも一つの他の固体コンポーネン
トを接合する工程。
、単に「ガラス」として示す。)を立証するために実験を行なった。
まく調製されるかを示す。固体電解質材料は8−YSZであり、ガラスセラミッ
ク組成物は#9及び#14(即ち、ガラスID#9及び#14)であった。結晶
化ガラスセラミック材料の熱膨張は、固体電解質材料の膨張の0.06%以内で
あった。
製作するために使用された。完全に稠密な小さな閉端チューブのジルコニアポン
プ及び8モル%安定化ジルコニア平板の試験材料が、70重量%ガラスセラミッ
ク組成物#9及び30重量%ガラスセラミック組成物#14の混合物で、共にシ
ールされて、電気化学的試験セルが組立てられた。このチューブは、その内側と
外側の両方にPtで電極化されて(electroded)酸素ポンプとして機能する。こ
れらPtリード線は、電極に接続された。このプレアセンブリーは、炉中に置か
れ、1150℃に加熱されてシールする。この温度は、シール後、結晶化温度ま
で下げられ、その温度でシールが結晶化するまで保持された。結晶化後、アセン
ブリーは、室温に放冷された。
よって試験され、1000℃で1×10-18atmの酸素分圧に達することがで
きることが見出された。3.7×10-5標準立方センチメートル/秒(sccs
)の酸素漏れ速度は、ポンピング流(pumping current)から計算された。これ
は、固体酸化物燃料セル及び酸素ジェネレータに対して適切である。
明のより広い側面において、本発明から離れることなく行われてもよいことが当
業者に明らかとなる。それゆえ、前記特許請求の範囲は、本発明の真の精神及び
範囲内に存在する全てのそのような変更及び改良をカバーするように意図されて
いる。
相線図である。
度のグラフである。
Claims (21)
- 【請求項1】 固体セラミックコンポーネント及び少なくとも一つの他の固体
コンポーネントの間のジョイントであって、 共に組合された少なくとも3つの金属酸化物M1−M2−M3を含み[M1は
、BaO、SrO、CaO、MgO及びそれらの組合せからなる群から選ばれ、
M2は、Al2O3であり(ここで、M2は、2〜15モル%の量で存在する)、
M3は、50モル%以下のB2O3を伴うSiO2である]、 前記固体セラミックコンポーネント及び前記少なくとも一つの他の固体コンポ
ーネントの熱膨張係数と実質的に適合する、 前記ジョイント。 - 【請求項2】 前記少なくとも一つの他の固体コンポーネントがセラミックで
ある、請求項1に記載のジョイント。 - 【請求項3】 前記少なくとも一つの他の固体コンポーネントが金属である、
請求項1に記載のジョイント。 - 【請求項4】 前記少なくとも一つの他の固体コンポーネントがサーメットで
ある、請求項1に記載のジョイント。 - 【請求項5】 シールである、請求項1に記載のジョイント。
- 【請求項6】 前記熱膨張係数が、25℃〜1000℃で測定して、約7×1
0-6℃-1〜約15×10-6℃-1である、請求項1に記載のジョイント。 - 【請求項7】 前記M1が約20モル%〜約55モル%の量で存在し、前記M
3が約40モル%〜約70モル%の量で存在する、請求項1に記載のジョイント
。 - 【請求項8】 少なくとも一つの追加の金属酸化物を更に含む、請求項1に記
載のジョイント。 - 【請求項9】 前記少なくとも一つの追加の金属酸化物がZrO2、TiO2、
Cr2O3及びそれらの組合せからなる群から選ばれる、請求項8に記載のジョイ
ント。 - 【請求項10】 前記固体セラミックコンポーネント及び前記少なくとも一つ
の他の固体コンポーネントが、電気化学的試験セルにおける、酸素イオンポンプ
及び試験材料である、請求項1に記載のジョイント。 - 【請求項11】 前記固体セラミックコンポーネント及び前記少なくとも一つ
の他の固体コンポーネントが、酸素ジェネレータにおける、酸素イオンコンダク
ター及びインターコネクトである、請求項1に記載のジョイント。 - 【請求項12】 前記固体セラミックコンポーネント及び前記少なくとも一つ
の他の固体コンポーネントが、燃料セルにおける、酸素イオンコンダクター及び
インターコネクトである、請求項1に記載のジョイント。 - 【請求項13】 固体セラミックコンポーネント及び少なくとも一つの他の固
体コンポーネントを接合する方法であって、 (a)前記固体セラミックコンポーネント及び前記少なくとも一つの他の固体コ
ンポーネントの熱膨張係数と実質的に適合する、M1−M2−M3のブレンド[
M1は、BaO、SrO、CaO、MgO及びそれらの組合せからなる群から選
ばれ、M2は、Al2O3であり(ここで、M2は、2〜15モル%の量で存在す
る)、M3は、50モル%以下のB2O3を伴うSiO2である]を提供する工程
、 (b)プレアセンブリーとして前記固体セラミックコンポーネント及び前記少な
くとも一つの他の固体コンポーネントの界面に前記ブレンドを配置する工程、 (c)前記ブレンドをアセンブリーとして前記界面に流すのに十分な温度に、前
記プレアセンブリーを加熱する工程、及び (d)前記アセンブリーを冷却し、前記ブレンドを固化し、それによって、前記
固体セラミックコンポーネント及び前記少なくとも一つの他の固体コンポーネン
トを接合する工程、 を含む方法。 - 【請求項14】 前記接合する工程がシールする工程である、請求項13に記
載の方法。 - 【請求項15】 前記熱膨張係数が、25℃〜1000℃で測定して、約7×
10-6℃-1〜約15×10-6℃-1である、請求項13に記載の方法。 - 【請求項16】 前記M1が約20モル%〜約55モル%の量で存在し、前記
M3が約40モル%〜約70モル%の量で存在する、請求項13に記載の方法。 - 【請求項17】 少なくとも一つの追加の金属酸化物を更に含む、請求項13
に記載の方法。 - 【請求項18】 前記少なくとも一つの追加の金属酸化物がZrO2、TiO2 、Cr2O3及びそれらの組合せからなる群から選ばれる、請求項17に記載の方
法。 - 【請求項19】 前記固体セラミックコンポーネント及び前記少なくとも一つ
の他の固体コンポーネントが、電気化学的試験セルにおける、酸素イオンポンプ
及び試験材料である、請求項13に記載の方法。 - 【請求項20】 前記固体セラミックコンポーネント及び前記少なくとも一つ
の他の固体コンポーネントが、燃料セルにおける、酸素イオンコンダクター及び
インターコネクトである、請求項13に記載の方法。 - 【請求項21】 前記固体セラミックコンポーネント及び前記少なくとも一つ
の他の固体コンポーネントが、酸素ジェネレータにおける、酸素イオンコンダク
ター及びインターコネクトである、請求項13に記載の方法。
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