JP2009533310A - Glass ceramic seals for use in solid oxide fuel cells - Google Patents

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Abstract

本発明は、高結晶性フリット焼結ガラスセラミック材料および固体酸化物燃料電池用途に適した、それを用いて製造されたシールに関する。このシールは、70〜130×10-7/℃の範囲、好ましくは85〜115×10-7/℃の範囲の熱膨張係数を有する。そのガラスセラミック材料は結晶質成分およびガラス成分を有し、この結晶質成分はガラスセラミックの50%を超え、ガラス成分は50%未満である。ある好ましい実施の形態において、結晶質成分は75%を超える。結晶質成分のみに関して言えば、ガラスセラミックの結晶質成分の50%を超える結晶が、ワルストロマイト、サイクロウォラストナイト、μ−(Ca,Sr)SiO3、カルシライト、カリオフィライトおよびウォラストナイト(主結晶相)により表される構造群から選択される構造を有し、結晶質成分の残りの50%未満が少なくとも1種類の副結晶相を含む。一般に、本発明のガラスセラミックは、金属対金属、金属対セラミックおよびセラミック対セラミックのシール剤として有用である。The present invention relates to high crystalline frit sintered glass ceramic materials and seals made therewith suitable for solid oxide fuel cell applications. This seal is in the range of 70 to 130 × 10 -7 / ° C., and preferably has a thermal expansion coefficient in the range of 85~115 × 10 -7 / ℃. The glass ceramic material has a crystalline component and a glass component, the crystalline component being greater than 50% of the glass ceramic and the glass component being less than 50%. In certain preferred embodiments, the crystalline component is greater than 75%. In terms of the crystalline component alone, more than 50% of the crystalline component of the glass ceramic is composed of Walstromite, cyclowollastonite, μ- (Ca, Sr) SiO 3 , calcilite, caryophyllite and wollast. It has a structure selected from a structure group represented by knight (main crystal phase), and the remaining less than 50% of the crystalline component contains at least one sub-crystal phase. In general, the glass ceramics of the present invention are useful as metal-to-metal, metal-to-ceramic and ceramic-to-ceramic sealants.

Description

関連出願の説明Explanation of related applications

本出願は、2006年4月11日に出願された、「HIGH THERMAL EXPANSION CYCLOSILICATE GLASS-CERAMICS」と題する同時係属出願の米国特許出願第11/402761号に関し、その優先権を主張するものである。同時係属出願の米国特許出願第11/402761号および本出願には、2006年10月11日に出願された「Glass Ceramic Seals For Use In Solid Oxide Fuel Cells」と題する同時係属出願の米国特許出願第11/546237号と共に、共通の共同発明者であるリンダ・アール・ピンクニー(Linda R. Pinckney)がおり、コーニング社(Corning Incorporated)に共に譲渡されている。   This application claims priority to copending application US patent application Ser. No. 11 / 40,2761, filed Apr. 11, 2006, entitled “HIGH THERMAL EXPANSION CYCLOSILICATE GLASS-CERAMICS”. Co-pending US patent application Ser. No. 11 / 40,2761 and this application include a co-pending US patent application entitled “Glass Ceramic Seals For Use In Solid Oxide Fuel Cells” filed Oct. 11, 2006. Along with 11/546237, there is a common co-inventor, Linda R. Pinckney, which is co-assigned to Corning Incorporated.

本発明は、主結晶相がここに示したような選択された結晶構造を有している、高結晶化されたフリット焼結ガラスセラミックに関し、特に、シール剤としてここに記載したガラスセラミック材料を用いて製造された、固体酸化物燃料電池(「SOFC」)のためのシールに関する。SOFC用途に加え、この材料は、金属対金属、金属対セラミックおよびセラミック対セラミックのシールのためのシール剤として使用できる。   The present invention relates to highly crystallized frit sintered glass ceramics in which the main crystalline phase has a selected crystal structure as shown here, in particular the glass ceramic material described herein as a sealant. The present invention relates to a seal for a solid oxide fuel cell (“SOFC”) manufactured using the same. In addition to SOFC applications, this material can be used as a sealant for metal-to-metal, metal-to-ceramic and ceramic-to-ceramic seals.

ガラスセラミックは、前駆体ガラス物品の制御された結晶化により形成される多結晶性材料である。ガラスセラミックは、ガラスモノリスに、結晶質状態に転化するための熱処理を施すことにより調製される。これは、「バルク」または「モノリスガラスセラミック形成プロセス」と称される。ストーキー(Stookey)の特許文献1には、モノリスガラスセラミック形成技術が記載されている。一般に、通常は核形成剤を含有する原料を溶融させると同時に冷却して、所望の形状のガラスモノリスを形成する。その後、ガラスモノリスに、当該技術分野において「セラミック化」と称される結晶化熱処理を施す。適切な熱処理は典型的に、核形成を誘発するためのおよそ転換範囲辺りでの低温保持を含み、その後に、結晶成長を促進させるためのガラスの軟化点より高い温度での1つ以上の温度保持が行われる。モノリス形成プロセスにおいて、核形成は内部で生じる。バルク形成プロセスによるガラスセラミックの製造は、ガラス物品の形成および製造に用いられる高速自動化製造プロセスに匹敵する。その上、内部核形成の利点の1つは、幅広い範囲の多結晶質微構造を提供できることである。その結果、温度処理形態を調整することにより、最終的なガラスセラミック材料の性質を変えることができる。   A glass ceramic is a polycrystalline material formed by controlled crystallization of a precursor glass article. The glass ceramic is prepared by subjecting a glass monolith to a heat treatment for conversion to a crystalline state. This is referred to as a “bulk” or “monolith glass ceramic formation process”. In Stookey, US Pat. No. 6,057,049 describes a monolithic glass ceramic forming technique. In general, a raw material usually containing a nucleating agent is melted and cooled at the same time to form a glass monolith of a desired shape. Thereafter, the glass monolith is subjected to a crystallization heat treatment referred to in the art as “ceramicization”. Appropriate heat treatment typically involves holding at a low temperature about the transformation range to induce nucleation, followed by one or more temperatures above the softening point of the glass to promote crystal growth. Retention is performed. In the monolith formation process, nucleation occurs internally. The production of glass ceramics by a bulk forming process is comparable to the high speed automated manufacturing process used to form and manufacture glass articles. Moreover, one advantage of internal nucleation is that it can provide a wide range of polycrystalline microstructures. As a result, the properties of the final glass ceramic material can be changed by adjusting the temperature treatment form.

ガラスセラミックは、粉末処理法と称されるガラスフリットの焼成によっても調製される。ガラスを粉末状態(フリット)に粉砕し、次いで、焼成し、ガラスセラミック状態に結晶化する。このプロセスにおいて、ガラス粒子の表面は、結晶相の核形成部位として働く。ガラス組成、粒径、および処理条件は、ガラスが、結晶化前に軟化し、結晶化プロセスが完了する直前に最大密度への粘性焼結を経るように選択される。形状形成法としては、以下に限られないが、押出し、鋳込み成形、テープキャスティング、噴霧乾燥、および静水圧プレス成形が挙げられるであろう。   Glass ceramics are also prepared by firing a glass frit called a powder processing method. The glass is ground into a powder state (frit) and then fired and crystallized into a glass ceramic state. In this process, the surface of the glass particles serves as a nucleation site for the crystalline phase. The glass composition, particle size, and processing conditions are selected such that the glass softens before crystallization and undergoes viscous sintering to maximum density just before the crystallization process is complete. Shape-forming methods may include, but are not limited to, extrusion, casting, tape casting, spray drying, and isostatic pressing.

ガラスセラミック材料は、そのために他の多くの用途に適するようになる性質を有する。ガラスセラミック材料の最近の用途であり、重要性が増している用途は、固体酸化物燃料電池(「SOFC」)のためのシール剤としての用途である。SOFCは基本的にエネルギー反応装置システムであり、その中で、化学エネルギーが電気エネルギーに転化される。SOFCは蓄電池に似ているが、蓄電池が切れるようには切れないという点で異なる。何故ならば、SOFCには、燃料が連続的に供給され、それゆえ、連続的に電気を供給できるからである。それゆえ、SOFCは、どの通常の発電装置とも同じように、燃料の供給可能量によってしか制限されない。SOFCは、600〜1000℃の範囲の高温で動作するが、現在の研究では、この温度範囲を低くし、燃料電池の機能要素にセラミック材料を使用することが追求されている。   Glass ceramic materials have properties that make them suitable for many other applications. A recent and increasingly important use of glass-ceramic materials is as a sealant for solid oxide fuel cells (“SOFC”). The SOFC is basically an energy reactor system in which chemical energy is converted into electrical energy. SOFCs are similar to storage batteries, but differ in that they do not run out as the storage battery runs out. This is because the fuel is continuously supplied to the SOFC, and therefore electricity can be supplied continuously. Therefore, the SOFC is limited only by the amount of fuel that can be supplied in the same way as any ordinary power generator. While SOFCs operate at high temperatures in the range of 600-1000 ° C., current research seeks to lower this temperature range and use ceramic materials for the functional elements of fuel cells.

一般的な説明として、SOFCは、正極からの酸素イオンを、それらが燃料と化学反応する場所である負極に伝導する固体の不透過性電解質により隔てられた負極および正極からなる。電解質をイオンが通過することにより誘起される電荷が、収集され、燃料電池から使用源に伝導される。各セルはわずかな限られた電圧しか生成しないが、多数のセルを直列に構成して、電圧を有用な出力レベルに増加させることができる。5〜10kWの小さなSOFCユニットが、様々な企業から市販されており、25〜125kWの大型のユニットが、世界中で開発されていたり、テストされている。
米国特許第2900971号明細書
As a general description, an SOFC consists of a negative electrode and a positive electrode separated by a solid impermeable electrolyte that conducts oxygen ions from the positive electrode to the negative electrode, where they chemically react with the fuel. The charge induced by the passage of ions through the electrolyte is collected and conducted from the fuel cell to the source of use. Each cell produces only a limited voltage, but many cells can be configured in series to increase the voltage to a useful output level. Small SOFC units of 5-10 kW are commercially available from various companies, and large units of 25-125 kW are being developed and tested around the world.
US Patent No. 2900971

SOFCを設計する場合、燃料(H2、CH4、C28、COなど)流および空気(O2)流を別々に維持し、ユニットの動作温度が許容範囲内に留まるように熱平衡を維持することが重要である。その両方のことを確実に実施するために、SOFCの設計にセラミック材料が広く用いられてきた。しかしながら、使用可能な量の出力を生成するユニットを製造するために、単セルを多数直列に配置する必要があるので、単セルに関する作動構成部材を別々に維持する(漏出なし)だけでなく、直列のセル内のセル対セルから漏れがない必要がある。シール剤として様々な材料、例えば、中でも、エポキシおよびセメントが用いられてきたが、この分野における改善が必要とされている。 When designing an SOFC, keep fuel (H 2 , CH 4 , C 2 H 8 , CO, etc.) and air (O 2 ) flows separately and maintain thermal equilibrium so that the operating temperature of the unit remains within an acceptable range. It is important to maintain. Ceramic materials have been widely used in SOFC designs to ensure both. However, in order to produce a unit that produces a usable amount of output, it is necessary to place a large number of single cells in series, so that not only the operating components for the single cells are kept separate (no leakage), There must be no leakage from cell-to-cell in series cells. Various materials have been used as sealants, such as, among others, epoxies and cements, but improvements in this area are needed.

本発明は、シール材料として使用できるガラスセラミック材料を開示する。   The present invention discloses a glass ceramic material that can be used as a sealing material.

本発明は、固体酸化物燃料電池のためのシールおよびそのような用途のためのガラスセラミックシール剤を形成するのに適した新規な組成物に関する。   The present invention relates to novel compositions suitable for forming seals for solid oxide fuel cells and glass-ceramic sealants for such applications.

ある態様において、本発明は、固体酸化物燃料電池のための、無ホウ素のガラスセラミックシールであって、50%未満のガラス成分および50%を超える結晶質成分を有するガラスセラミックからなるシールに関する。結晶質成分のみに関して、ガラスセラミックの結晶質成分中の50質量%を超える結晶が、ワルストロマイト、サイクロウォラストナイトおよびμ−(Ca,Sr)SiO3(サイクロケイ酸塩材料)、並びに先のものの混合物(主結晶相)により表される構造群から選択された構造を有する。上述した結晶相に加え、ガラスセラミックのセラミック部分に1種類以上の結晶相(50%未満)が存在しても差し支えなく、そのような結晶相は、ガラスセラミックのセラミック(結晶質)部分の残り(副結晶相)を構成する。そのような追加の結晶相の例としては、制限するものではなく、ウォラストナイト、透揮石、頑火揮石、および苦土橄欖石、またはそれらの混合物により表される構造を有する結晶が挙げられる。これらのガラスセラミックのCTE(25℃〜800℃)は、70〜130×10-7/℃の範囲、好ましくは85〜115×10-7/℃の範囲にある。 In one aspect, the present invention relates to a boron-free glass ceramic seal for a solid oxide fuel cell comprising a glass ceramic having less than 50% glass component and greater than 50% crystalline component. With respect to the crystalline component alone, more than 50% by weight of the crystals in the crystalline component of the glass ceramic are walstromite, cyclowollastonite and μ- (Ca, Sr) SiO 3 (cyclosilicate material), and the tip Having a structure selected from the group of structures represented by a mixture (main crystalline phase) of In addition to the crystalline phase described above, one or more crystalline phases (less than 50%) can be present in the ceramic portion of the glass ceramic, and such crystalline phase is the remainder of the ceramic (crystalline) portion of the glass ceramic. (Sub-crystal phase) is formed. Examples of such additional crystalline phases include, but are not limited to, crystals having a structure represented by wollastonite, dolomite, dolomite, and bituminous meteorite, or mixtures thereof. It is done. These glass-ceramic CTE (25 ℃ ~800 ℃) is in the range of 70 to 130 × 10 -7 / ° C., preferably in the range of 85~115 × 10 -7 / ℃.

ある態様において、本発明は、固体酸化物燃料電池に使用できる高結晶質の、無ホウ素ガラスセラミックシールであって、75%を超える結晶質成分および25%未満のガラス成分を有するシールに関する。好ましい実施の形態において、結晶質成分は90%を超え、ガラス成分は10%未満である。これらのガラスセラミックのCTEは、70〜130×10-7/℃の範囲、好ましくは85〜115×10-7/℃の範囲にある。 In one aspect, the present invention relates to a highly crystalline, boron-free glass ceramic seal that can be used in a solid oxide fuel cell having a crystal component greater than 75% and a glass component less than 25%. In preferred embodiments, the crystalline component is greater than 90% and the glass component is less than 10%. CTE of these glass-ceramics, the range of 70~130 × 10 -7 / ℃, preferably in the range of 85~115 × 10 -7 / ℃.

本発明の別の態様は、無ホウ素のガラスセラミックシールであって、ガラスセラミックが、SiO2、Al23、および少なくとも1種類のMO成分を含有し、ここで、MOはMg、Ca、BaおよびSrのアルカリ土類の酸化物であり、ガラスセラミックの結晶質成分中の50%を超える結晶が、ワルストロマイト、サイクロウォラストナイトおよびμ−(Ca,Sr)SiO3(サイクロケイ酸塩材料)、並びに先のものの混合物(主結晶相)により表される構造群から選択された構造を有するものであるガラスセラミックシールに関する。その上、上述したガラスセラミックシールは、必要に応じて、ZnO、Nb25、Ta25、La23、Y23、Sb23、および遷移金属と希土類の酸化物などの他の酸化物を微量含有しても差し支えない。さらに、ガラスセラミックのセラミック部分中に1種類以上の追加の結晶相が存在しても差し支えなく、そのような結晶相は、ガラスセラミックのセラミック部分の残りを構成する。そのような追加の結晶相の例としては、制限するものではなく、ウォラストナイト、透揮石、頑火揮石、および苦土橄欖石、またはそれらの混合物により表される構造を有する結晶が挙げられる。これらのガラスセラミックのCTE(25℃〜800℃)は、85〜115×10-7/℃の範囲にある。 Another aspect of the present invention is a boron-free glass-ceramic seal, wherein the glass-ceramic contains SiO 2 , Al 2 O 3 , and at least one MO component, where MO is Mg, Ca, Alkaline earth oxides of Ba and Sr, more than 50% of the crystalline components of the glass ceramic are composed of walstromite, cyclowollastonite and μ- (Ca, Sr) SiO 3 (cyclosilicic acid). Salt material) as well as a glass ceramic seal having a structure selected from the group of structures represented by a mixture of the foregoing (main crystalline phase). In addition, the glass-ceramic seals described above may contain ZnO, Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , La 2 O 3 , Y 2 O 3 , Sb 2 O 3 , and transition metal and rare earth oxides as required. A small amount of other oxides may be contained. Furthermore, there may be one or more additional crystalline phases in the ceramic portion of the glass ceramic, such crystalline phases constituting the remainder of the ceramic portion of the glass ceramic. Examples of such additional crystalline phases include, but are not limited to, crystals having a structure represented by wollastonite, dolomite, dolomite, and bituminous meteorite, or mixtures thereof. It is done. The CTE (25 ° C. to 800 ° C.) of these glass ceramics is in the range of 85 to 115 × 10 −7 / ° C.

別の態様において、本発明は、30〜50質量%のSiO2、2〜8質量%のAl23、10〜40質量%のCaO、および少なくとも1種類の0〜40質量%のSrO、0〜35質量%のBaO、0〜10質量%のMgOを含む組成を有する無ホウ素のガラスセラミックシールであって、アルカリ土類酸化物の合計(ΣMO、ここで、Mは、Mg、Ca、BaおよびSrの2種類以上である)が40〜60質量%の範囲にあるガラスセラミックシールに関する。必要に応じて、8質量%までのZnO、10質量%までのNb25、Ta25、La23、Y23、またはSb23(またはそれらの混合物)を前記組成物中に含んでもよい。これらのガラスセラミックのCTEは85〜115×10-7/℃の範囲にある。随意的な酸化物が組成物中に含まれるときに範囲について表して、選択された酸化物の量は、ZnOについては>0〜8質量%であり、Nb25、Ta25、La23、Y23、Sb23については>0〜10%である。 In another aspect, the present invention is, SiO 2 of 30 to 50 wt%, 2-8 wt% of Al 2 O 3, 10 to 40 wt% of CaO, and at least one 0-40 wt% of SrO, A boron-free glass-ceramic seal having a composition containing 0 to 35% by weight of BaO and 0 to 10% by weight of MgO, wherein the total of alkaline earth oxides (Σ MO , where M is Mg, Ca , Ba and Sr) are in the range of 40 to 60% by mass. If necessary, said Nb 2 O 5 up to ZnO, 10 wt% to 8 wt%, Ta 2 O 5, La 2 O 3, Y 2 O 3 or Sb 2 O 3, (or mixtures thereof) It may be included in the composition. The CTE of these glass ceramics is in the range of 85 to 115 × 10 −7 / ° C. Expressed for ranges when optional oxides are included in the composition, the amount of oxide selected is> 0-8 wt% for ZnO, Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , for la 2 O 3, Y 2 O 3, Sb 2 O 3 is> 0 to 10%.

別の態様において、本発明は、50%を超える結晶質成分および50%未満のガラス成分を有する、無ホウ素かつ無亜鉛のガラスセラミックシールであって、結晶質成分のみに関して、ガラスセラミックの50質量%を超える結晶質成分が、アルミノケイ酸カリウムであるカルシライトおよびカリオフィライト、およびウォラストナイトからなる群より選択される結晶相(主結晶相)であるガラスセラミックシールに関する。上述した結晶相に加え、ゲーレナイト、灰長石、キルコアン石、およびコランダムなどの1種類以上の追加の結晶相が存在しても差し支えなく、そのような結晶相はガラスセラミックの結晶質成分の残り(副結晶相)を構成する。これらのガラスセラミックのCTEは、70〜130×10-7/℃の範囲、好ましくは85〜115×10-7/℃の範囲にある。ある実施の形態において、無ホウ素かつ無亜鉛のガラスセラミックシールは、5〜25質量%のAl23、25〜45質量%のCaO、25〜45質量%のSiO2、1〜10質量%のK2Oおよび0〜25質量%のGeO2の組成を有する。別の実施の形態において、無ホウ素かつ無亜鉛のガラスセラミックシールは、10〜20質量%のAl23、30〜40質量%のCaO、30〜40質量%のSiO2、2〜8質量%のK2Oおよび5〜20質量%のGeO2の組成を有する。 In another aspect, the present invention is a boron-free and zinc-free glass-ceramic seal having a crystalline component greater than 50% and a glass component less than 50%, wherein only 50% of the glass ceramic is crystalline with respect to the crystalline component. It relates to a glass-ceramic seal in which the crystalline component in excess of% is a crystalline phase (main crystalline phase) selected from the group consisting of potassium aluminosilicates calcilite and caryophyllite, and wollastonite. In addition to the crystalline phases described above, there can be one or more additional crystalline phases such as gehlenite, anorthite, kirkoanite, and corundum, and such crystalline phase is the remainder of the crystalline component of the glass ceramic ( Sub-crystalline phase). CTE of these glass-ceramics, the range of 70~130 × 10 -7 / ℃, preferably in the range of 85~115 × 10 -7 / ℃. In certain embodiments, the glass-ceramic seal boron-free and zinc-free is 5 to 25 wt% of Al 2 O 3, 25 to 45 wt% of CaO, SiO 2 of 25 to 45 wt%, 1 to 10 mass% Of K 2 O and 0 to 25% by weight of GeO 2 . In another embodiment, the glass-ceramic seal-free boron-free and zinc, 10 to 20 wt% of Al 2 O 3, 30 to 40 wt% of CaO, 30 to 40 wt% of SiO 2, 2 to 8 mass having a% of K 2 O and the composition of GeO 2 5 to 20 wt%.

SiO2、Al23、および少なくとも1種類のMO成分を含有する(a)無ホウ素かつ無亜鉛のガラスセラミック、(b)無ホウ素のガラスセラミック、および(c)無ホウ素のガラスセラミックの選択された実施の形態において、結晶質成分の主結晶相は、結晶質成分の75%を超え、副結晶相は、存在する場合には、25%未満である。さらに別の実施の形態において、結晶質成分の主結晶相は、結晶質成分の90%を超え、副結晶相は、存在する場合には、10%未満である。 Selection of (a) boron-free and zinc-free glass ceramic, (b) boron-free glass ceramic, and (c) boron-free glass ceramic containing SiO 2 , Al 2 O 3 and at least one MO component In a given embodiment, the main crystalline phase of the crystalline component is greater than 75% of the crystalline component and the subcrystalline phase, if present, is less than 25%. In yet another embodiment, the main crystalline phase of the crystalline component is greater than 90% of the crystalline component and the subcrystalline phase, if present, is less than 10%.

ここに用いたように、指定の結晶質成分または相およびガラス成分の百分率を含む全ての組成物は、嵩質量パーセント(質量%)で表されている。明白にするために、当該技術分野において理解されている「ガラスセラミック」という用語は、その材料が、ガラス相または成分およびガラス中全体に均質に分散した結晶相または成分を有することを意味する。本発明の組成物は微量成分を含有し得、ここで微量とは0.4質量%未満、好ましくは0.1質量%未満を意味することを理解すべきである。   As used herein, all compositions containing the specified crystalline component or phase and percentage of glass component are expressed in bulk percent by mass (% by weight). For clarity, the term “glass ceramic” as understood in the art means that the material has a glass phase or component and a crystalline phase or component that is homogeneously dispersed throughout the glass. It should be understood that the compositions of the present invention may contain minor components, where trace means less than 0.4% by weight, preferably less than 0.1% by weight.

一例としてここに理解されるように、「ガラスセラミックの結晶質成分の50%を超える結晶は、ワルストロマイト、サイクロウォラストナイトおよびμ−(Ca、Sr)SiO3により表される群から選択される構造を有する」への言及は、ワルストロマイト、サイクロウォラストナイトおよびμ−(Ca、Sr)SiO3の「名称」により表される結晶質材料の化学式ではなく構造に関する。例えば、ワルストロマイトおよびサイクロウォラストナイトの伝統的な(端成分)化学式は、それぞれ、Ca2BaSi39およびα−CaSiO3である。ここに記載されたシール材料は、固溶体中の構造において追加の成分を含有してもよい(表1の実施例1〜7を参照のこと)が、結晶相中の50%を超える結晶は、ワルストロマイトおよびサイクロウォラストナイトの構造を有し、そのような追加の成分を含んでもよい。結晶質成分中の結晶の残り(すなわち、50%未満)は、そのような相が存在する場合には、副結晶相を構成する。ここに挙げられた様々な構造に関する伝統的な(端成分)化学式は:ワルストロマイト[Ca2BaSi39]、サイクロウォラストナイト[α−CaSiO3]、ウォラストナイト[β−CaSiO3]、透揮石[CaMgSi26]、オケルマン石[Ca2MgSi27]、ハージストン石[Ca2MgSi27]、頑火揮石[MgSiO3]、苦土橄欖石[Mg2SiO4]、ゲーレナイト[Ca2Al2SiO7]、灰長石[Ca2Al2Si28]、キルコアン石[Ca6(SiO4)(Si310)]、およびコランダム[Al23]である。 As understood herein by way of example, “greater than 50% of the crystalline component of the glass ceramic is selected from the group represented by Walstromite, cyclowollastonite and μ- (Ca, Sr) SiO 3 Reference to “having a structure as defined” relates to the structure rather than the chemical formula of the crystalline material represented by the “name” of Walstromite, cyclowollastonite and μ- (Ca, Sr) SiO 3 . For example, the traditional (end-component) chemical formulas of wolstromite and cyclowollastonite are Ca 2 BaSi 3 O 9 and α-CaSiO 3 , respectively. The sealing materials described herein may contain additional components in the structure in solid solution (see Examples 1-7 in Table 1), but more than 50% of the crystals in the crystalline phase are It has the structure of walstromite and cyclowollastonite and may contain such additional ingredients. The remainder of the crystals (ie, less than 50%) in the crystalline component constitutes a subcrystalline phase if such a phase is present. The traditional (edge) chemical formulas for the various structures listed here are: Walstromite [Ca 2 BaSi 3 O 9 ], cyclowollastonite [α-CaSiO 3 ], wollastonite [β-CaSiO 3 ], Dolomite [CaMgSi 2 O 6 ], ochermanite [Ca 2 MgSi 2 O 7 ], Herstone stone [Ca 2 MgSi 2 O 7 ], dolomite [MgSiO 3 ], and dolomite [Mg 2 SiO] 4 ], gehlenite [Ca 2 Al 2 SiO 7 ], anorthite [Ca 2 Al 2 Si 2 O 8 ], kircoanite [Ca 6 (SiO 4 ) (Si 3 O 10 )], and corundum [Al 2 O 3 ].

本発明は、固体酸化物燃料電池のための無ホウ素のガラスセラミックシールであって、ガラス成分および結晶質成分を有するガラスセラミックからなるシールに関する。ある実施の形態において、ガラスセラミックの結晶質成分は50質量%を超え、ガラス成分は50%未満である。別の実施の形態において、ガラスセラミックの結晶質成分は75質量%を超え、ガラス成分は25%未満である。別の実施の形態において、ガラスセラミックの結晶質成分は90質量%を超え、ガラス成分は10%未満である。さらに別の実施の形態において、本発明は、固体酸化物燃料電池のための無ホウ素かつ無亜鉛のガラスセラミックシールであって、ガラス成分および結晶質成分を有するガラスセラミックからなり、ガラスまたはセラミックの各成分の百分率が、この段落において、無ホウ素のガラスセラミックシールの実施の形態において先に述べられているようなものであるシールに関する。   The present invention relates to a boron-free glass ceramic seal for a solid oxide fuel cell comprising a glass ceramic having a glass component and a crystalline component. In some embodiments, the crystalline component of the glass ceramic is greater than 50% by weight and the glass component is less than 50%. In another embodiment, the crystalline component of the glass ceramic is greater than 75% by weight and the glass component is less than 25%. In another embodiment, the crystalline component of the glass ceramic is greater than 90% by weight and the glass component is less than 10%. In yet another embodiment, the present invention is a boron-free and zinc-free glass-ceramic seal for a solid oxide fuel cell, comprising a glass-ceramic having a glass component and a crystalline component, wherein the glass or ceramic The percentage of each component relates to the seal as described above in this paragraph in the embodiment of the boron-free glass-ceramic seal.

ガラスセラミックの結晶質成分のみに関して、以後主結晶相と称することもある、50質量%以上の結晶質成分は、上述した結晶構造のワルストロマイト、サイクロウォラストナイトおよびμ−(Ca,Sr)SiO3並びにそれらの固溶体と混合物からなる群、またはアルミノケイ酸カリウムのカルシライトとカリオフィライト[KAlSiO4]、ウォラストナイト、並びにそれらの混合物からなる群より選択される構造を有する。上述した主結晶相に加え、ガラスセラミックの結晶質成分中に1種類以上の追加のまたは副結晶相(結晶質成分の残りの50%未満)も存在してよく、そのような結晶相は、ガラスセラミックの結晶質成分の残りを構成する。そのような副結晶相の例としては、制限するものではなく、オケルマン石、ハージストン石、ウォラストナイト、透揮石、頑火揮石、および苦土橄欖石が挙げられる。例えば、結晶質成分中の主結晶相が75%のサイクロウォラストナイトである場合、残りの副結晶相は、マグネシウムが存在する場合にはオケルマン石、または亜鉛が存在する場合には、ハージストン石であってよい。当業者には、副結晶相の正確な性質および量はガラスの組成に依存することが理解されよう。 With respect to only the crystalline component of the glass ceramic, the crystalline component of 50% by mass or more, sometimes referred to as the main crystalline phase, is composed of the above-mentioned crystal structure of walstromite, cyclowollastonite and μ- (Ca, Sr). It has a structure selected from the group consisting of SiO 3 and solid solutions and mixtures thereof, or a group consisting of potassium aluminosilicate calcilite and caryophyllite [KAlSiO 4 ], wollastonite, and mixtures thereof. In addition to the main crystalline phase described above, there may also be one or more additional or subcrystalline phases (less than the remaining 50% of the crystalline component) in the crystalline component of the glass ceramic, It constitutes the remainder of the crystalline component of the glass ceramic. Examples of such sub-crystalline phases include, but are not limited to, ochermanite, Herstone stone, wollastonite, peridotite, dolomite, and dolomite meteorite. For example, when the main crystalline phase in the crystalline component is 75% cyclowollastonite, the remaining subcrystalline phase is ochermanite in the presence of magnesium, or Herstone stone in the presence of zinc. It may be. One skilled in the art will appreciate that the exact nature and amount of the subcrystalline phase depends on the composition of the glass.

シールは、固体酸化物燃料電池(SOFC)平板デザインの一体部分である。そのシールにより、燃料と空気の混合が避けられ、また燃料がスタックまたは個々のセルから漏れなくなる。シール(それゆえ、シール剤またはそれを形成するのに用いられる材料)の要件は厳しい。例えば、シールは、1000℃までの高温への曝露、および酸化性環境と還元性環境の両方への曝露に耐えることができなければならない。その上、シールは、低い蒸気圧を有さなければならず、また50,000時間を超えることもあるスタックの寿命に亘り密封性および絶縁性を維持しなければならない。さらに、シールは、スタックの熱サイクルにより、または時間の経過による粘度および化学組成の変化により、劣化してはならない。これらの後者の変化は、特定の種の揮発性から、並びに電極やステンレス鋼製のインターコネクト器などの他のセル構成部材との反応から、結果として生じ得る。最後に、シールは、それ自体、他のスタックの構成部材、特に、セルの電極の動作に悪影響を与える汚染物源であってはならない。   The seal is an integral part of the solid oxide fuel cell (SOFC) flat plate design. The seal avoids fuel and air mixing and prevents fuel from leaking from the stack or individual cells. The requirements for the seal (and hence the sealant or material used to form it) are severe. For example, the seal must be able to withstand exposure to high temperatures up to 1000 ° C. and exposure to both oxidizing and reducing environments. In addition, the seal must have a low vapor pressure and must maintain hermeticity and insulation over the life of the stack, which can exceed 50,000 hours. Furthermore, the seal must not degrade due to thermal cycling of the stack or due to changes in viscosity and chemical composition over time. These latter changes can result from certain types of volatility and from reactions with other cell components such as electrodes and stainless steel interconnectors. Finally, the seal itself should not be a source of contaminants that adversely affect the operation of other stack components, particularly the cell electrodes.

最も一般に用いられるシール剤はセメント、ガラス、およびガラスセラミックである。セメントシールは、密封性シールを通常は形成せず、ガラスシールは要求される密封性を提供できるが、それらを使用できる上限温度は一般に限られている。ガラスセラミックをシール剤として使用することにより、これらの問題の全てではなくともほとんどを回避することができる。   The most commonly used sealants are cement, glass, and glass ceramic. Cement seals usually do not form hermetic seals and glass seals can provide the required hermeticity, but the upper temperature at which they can be used is generally limited. By using glass ceramic as a sealant, most if not all of these problems can be avoided.

粉末加工された(フリット焼結された)ガラスセラミックが、金属対金属、金属対セラミック、およびセラミック対セラミックのシール材料、並びに金属とセラミックのための高性能コーティングとしてよく知られている。ガラスと比較すると、ガラスセラミックは、高い使用温度、優れた機械的性質と耐食性、および非常に広い範囲の熱膨張係数(CTE)を提供し、これらの性質のために、多くの異なる合金のための膨張適合シールとしてガラスセラミックが使用可能になる。ガラスセラミックを形成する結晶化中の溶融ガラスの粘性流により凹角および複雑な内部形状を充填する能力のために、ガラスセラミック材料が、高強度の系が重要である用途に特に適する。   Powder processed (frit sintered) glass-ceramics are well known as metal-to-metal, metal-to-ceramic, and ceramic-to-ceramic sealing materials, and high performance coatings for metals and ceramics. Compared to glass, glass-ceramics provide high service temperatures, excellent mechanical and corrosion resistance, and a very wide range of coefficients of thermal expansion (CTE), because of these properties, for many different alloys Glass ceramic can be used as an expansion compatible seal. Glass ceramic materials are particularly suitable for applications where high-strength systems are important due to the ability to fill concave angles and complex internal shapes with the viscous flow of the crystallizing molten glass forming the glass ceramic.

それにもかかわらず、さらに多くのガラスセラミックシール、特に、かなりのガラス質成分および/または小さなアルカリイオンなどの容易に拡散する陽イオンを含有するガラスセラミックシールは、SOFC構成部材との反応を過度に受け易く、デバイスのその後の劣化が時間の経過と共に生じ得る。ある実施の形態において、本発明は、SOFC用途に特にうまく適している、残留ガラスが25%未満である(>75/<25の結晶質成分対ガラス成分の比)高結晶性ガラスセラミックシールに関する。別の実施の形態において本発明は、SOFC用途に特にうまく適している、残留ガラスが20%未満である(>80/<20の結晶質成分対ガラス成分の比)高結晶性ガラスセラミックシールに関する。さらに別の実施の形態において、本発明は、残留ガラスが10%未満である(>90/<10の結晶質成分対ガラス成分の比)高結晶性ガラスセラミックシールに関する。全体的にガラスセラミックシールは、燃料電池の電解質およびインターコネクト器の熱膨張に密接に適合した熱膨張を有し、最終微構造中に残っているガラス質成分が、隙間といくつかの粒子の境界に制限され、シールにより連続路を形成しない。   Nevertheless, more glass-ceramic seals, especially glass-ceramic seals containing significant glassy constituents and / or easily diffusing cations such as small alkali ions, can cause excessive reaction with SOFC components. Susceptible and subsequent degradation of the device may occur over time. In certain embodiments, the present invention relates to highly crystalline glass-ceramic seals that are particularly well suited for SOFC applications and have a residual glass of less than 25% (ratio of crystalline component to glass component of> 75 / <25). . In another embodiment, the present invention relates to a highly crystalline glass-ceramic seal that is particularly well suited for SOFC applications, with a residual glass of less than 20% (> 80 / <20 ratio of crystalline component to glass component). . In yet another embodiment, the present invention relates to a highly crystalline glass-ceramic seal having less than 10% residual glass (> 90 / <10 ratio of crystalline component to glass component). The overall glass-ceramic seal has a thermal expansion that closely matches the thermal expansion of the fuel cell electrolyte and interconnector, and the vitreous component remaining in the final microstructure is bounded by gaps and some particle boundaries. The continuous path is not formed by the seal.

本発明の高結晶性ガラスセラミックシール材料の利点として以下が挙げられる:
・ シール材料は、一時的なガラス相の有利な焼結特徴により、低応力密封シールへの経路を提供する。
・ ほぼゼロの気孔率および不連続ガラス相:どの残留ガラスも、隙間を占め、材料の大部分に亘り連続路を形成しない。これにより、高温でのガラス相を通る陽イオンの移行が最小になり、それによって、基体とフリットとの間の任意の連続反応が抑制される。
・ 残留ガラスが最小であるために、熱サイクル中のガラスセラミックシールの軟化または永久的な寸法変化が生じない。
・ シールは、機械的および熱的に安定性である。
・ 結晶化シールの熱膨張は、SOFC構成部材の熱膨張に適合する。
Advantages of the highly crystalline glass-ceramic sealing material of the present invention include:
The sealing material provides a path to a low stress hermetic seal due to the advantageous sintering characteristics of the temporary glass phase.
• Nearly zero porosity and discontinuous glass phase: any residual glass occupies gaps and does not form a continuous path over most of the material. This minimizes cation migration through the glass phase at high temperatures, thereby inhibiting any continuous reaction between the substrate and the frit.
• Residual glass is minimal so that no softening or permanent dimensional changes of the glass-ceramic seal occur during thermal cycling.
• The seal is mechanically and thermally stable.
The thermal expansion of the crystallization seal is compatible with the thermal expansion of the SOFC component.

高結晶性ガラスセラミックSOFCシールの要件は、それらが、ほぼ完全な結晶化を経て、それゆえ、SOFC用途に要求される高熱膨張を提供するようなほぼ化学量論的組成を有することである。これらの基準を満たすガラスセラミックとしては、結晶相中の結晶が、ワルストロマイト、サイクロウォラストナイトおよびμ−(Ca,Sr)SiO3構造により表される構造から選択される構造を有し、その副結晶相の構造が、以下に限られないが、ウォラストナイト、透揮石、オケルマン石、ハージストン石、頑火揮石、および苦土橄欖石の構造を含む構造に基づくものであるガラスセラミックが挙げられる。 The requirement for highly crystalline glass ceramic SOFC seals is that they have an almost stoichiometric composition that undergoes almost complete crystallization and thus provides the high thermal expansion required for SOFC applications. As a glass ceramic that satisfies these criteria, the crystal in the crystal phase has a structure selected from the structure represented by the structure of Walstromite, cyclowollastonite and μ- (Ca, Sr) SiO 3 , Glass ceramics whose subcrystalline phase structure is based on structures including, but not limited to, the structures of wollastonite, dolomite, ochermanite, hergestone, dolomite, and dolomite Is mentioned.

本発明の別の態様において、ガラスセラミックの50質量%を超える結晶質成分は、アルミノケイ酸カリウムのカルシライトおよびカリオフィライトからなる群より選択され、副結晶相としては、以下に限られないが、ウォラストナイト、ゲーレナイト、灰長石、キルコアン石およびコランダムが挙げられる。これらのガラスセラミックのCTEは、70〜130×10-7/℃の範囲、好ましくは85〜115×10-7/℃の範囲にある。 In another aspect of the present invention, the crystalline component of the glass ceramic in excess of 50% by mass is selected from the group consisting of potassium aluminosilicate calcilite and caryophyllite, and the subcrystalline phase is not limited to the following: , Wollastonite, gelenite, anorthite, kirkoanite and corundum. CTE of these glass-ceramics, the range of 70~130 × 10 -7 / ℃, preferably in the range of 85~115 × 10 -7 / ℃.

以下の表1および2は、SOFC用途のためのシールとして使用できる、質量パーセントで表された組成のいくかを例示している。表1に例示されたガラスセラミック材料から製造されたシールは、SiO2、Al23およびMOを含有し、ここで、MOは、Mg、Ca、BaおよびSrのアルカリ土類の酸化物である。表1に例示したガラスセラミックの主(>50%)結晶相は、ワルストロマイト、サイクロウォラストナイトおよびμ−(Ca,Sr)SiO3の内の少なくとも1つであり、副(<50%)結晶相は、ウォラストナイト、透揮石、オケルマン石、頑火揮石、苦土橄欖石、およびハージストン石、並びにその固溶体または混合物である。 Tables 1 and 2 below illustrate some of the compositions expressed in weight percent that can be used as seals for SOFC applications. Seals made from the glass ceramic materials illustrated in Table 1 contain SiO 2 , Al 2 O 3 and MO, where MO is an alkaline earth oxide of Mg, Ca, Ba and Sr. is there. The main (> 50%) crystalline phase of the glass ceramic exemplified in Table 1 is at least one of Walstromite, cyclowollastonite and μ- (Ca, Sr) SiO 3 , and minor (<50%) ) The crystalline phase is wollastonite, dolomite, ochermanite, dolomite, dolomite, and Herstone stone, and solid solutions or mixtures thereof.

表1に例示されたSOFCとして有用なガラスセラミック材料の組成は、SiO2、Al23およびMOを含有し、ここで、MOは、Mg、Ca、BaおよびSrのアルカリ土類の酸化物であり、MがMg、Ca、BaおよびSrの内の2つ以上である場合、アルカリ土類酸化物の合計(ΣMO)が40〜60質量%の範囲にあり、Al23は2〜4質量%の範囲にあり、SiO2は36〜58質量%の範囲にある。 The composition of the glass-ceramic material useful as SOFC illustrated in Table 1 contains SiO 2 , Al 2 O 3 and MO, where MO is an alkaline earth oxide of Mg, Ca, Ba and Sr And when M is two or more of Mg, Ca, Ba and Sr, the total of the alkaline earth oxides (ΣMO) is in the range of 40 to 60% by mass, and Al 2 O 3 is 2 to 2. In the range of 4% by mass, SiO 2 is in the range of 36-58% by mass.

表2に例示されたガラスセラミック材料から製造された無ホウ素かつ無亜鉛のシールは、SiO2、Al23およびCaO、並びにR2Oを含有し、ここで、Rはアルカリイオン、好ましくはカリウム(K)である。表2に例示されたガラスセラミックの結晶質成分は、その構造が、カリオフィライトおよびカルシライト構造からなる群より選択される主結晶相を有し、さらに、以下に限られないが、ウォラストナイト、ゲーレナイト、およびコランダムを含む副結晶相を有して差し支えない。表2の無ホウ素かつ無亜鉛のガラスセラミックシールは、5〜25質量%のAl23、25〜45質量%のCaO、25〜45質量%のSiO2、1〜10質量%のK2Oおよび0〜25質量%のGeO2の組成範囲を有する。好ましい実施の形態において、この無ホウ素かつ無亜鉛のガラスセラミックシールの組成範囲は、10〜20質量%のAl23、30〜40質量%のCaO、30〜40質量%のSiO2、2〜8質量%のK2Oおよび5〜20質量%のGeO2である。

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Boron-free and zinc-free seals made from the glass ceramic materials exemplified in Table 2 contain SiO 2 , Al 2 O 3 and CaO, and R 2 O, where R is an alkali ion, preferably Potassium (K). The crystalline component of the glass ceramic exemplified in Table 2 has a main crystal phase whose structure is selected from the group consisting of caryophyllite and calcilite structures, and is not limited to the following. It may have a subcrystalline phase including knight, gehlenite, and corundum. The boron-free and zinc-free glass-ceramic seals of Table 2 are 5-25% by weight Al 2 O 3 , 25-45% by weight CaO, 25-45% by weight SiO 2 , 1-10% by weight K 2. having O and composition range of GeO 2 0 to 25 wt%. In a preferred embodiment, the boron-free and the composition range of the glass-ceramic seal-free zinc, 10 to 20 wt% of Al 2 O 3, 30-40 wt% of CaO, SiO 2 of 30 to 40 wt%, 2 ˜8 mass% K 2 O and 5-20 mass% GeO 2 .
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本発明によるガラスセラミックを調製するのに使用したガラス組成物は、成分材料を容器、例えば、白金坩堝内において1450〜1650℃の範囲の温度で2〜5時間の範囲の期間に亘り溶融することによって調製した。出発材料は、ガラスの調製に有用であることが当該技術分野において知られている、ここに記載された金属の酸化物、炭酸塩、硝酸塩、水酸化物および他の形態であってよい。ある実施の形態において、溶融は、1600±50℃の温度で2.5〜4時間の範囲の期間に亘り行った。各組成物について、溶融ガラス組成物から小さな約5cmの小片を成形し、750±40℃の温度でアニールした。これらのサンプルは、全体的なガラスの安定性の視覚的指標として働いた。各坩堝内の残りのガラスは、水中に注ぎ入れて粒状化し、10〜20μmの範囲(325メッシュ)の平均粒径に粉砕した。得られたフリット(フリット=粉末ガラス)粉末を、当該技術分野で公知の技法を用いて、物品(ペレット、棒材、ロッドなど)に成形した。例えば、ここに記載したテスト目的のために、フリットを、12.76cm(0.5インチ)の直径のペレットおよび/または10×0.6×0.6cm(4×0.25×0.25インチ)のCTE棒材に乾式プレスし、次いで、850℃から1000℃の範囲の温度で1〜2時間の範囲の期間に亘り焼成(焼結)した。   The glass composition used to prepare the glass ceramic according to the present invention melts the component materials in a container, such as a platinum crucible, at a temperature in the range of 1450-1650 ° C. for a period in the range of 2-5 hours. It was prepared by. The starting material may be in the form of oxides, carbonates, nitrates, hydroxides and other forms of metals described herein that are known in the art to be useful for the preparation of glasses. In one embodiment, melting was performed at a temperature of 1600 ± 50 ° C. for a period ranging from 2.5 to 4 hours. For each composition, a small ˜5 cm piece was molded from the molten glass composition and annealed at a temperature of 750 ± 40 ° C. These samples served as visual indicators of overall glass stability. The remaining glass in each crucible was poured into water and granulated, and crushed to an average particle size in the range of 10 to 20 μm (325 mesh). The resulting frit (frit = powder glass) powder was formed into articles (pellets, rods, rods, etc.) using techniques known in the art. For example, for the test purposes described herein, the frit may be 0.5 inch diameter pellets and / or 10 × 0.6 × 0.6 cm (4 × 0.25 × 0.25). Inch) CTE bars and then fired (sintered) at temperatures ranging from 850 ° C. to 1000 ° C. for periods ranging from 1 to 2 hours.

本発明のガラスセラミック組成物は、70〜130×10-7/℃の範囲、好ましくは85〜115×10-7/℃の範囲の熱膨張係数を有する。SOFCシールとして使用するために、ある好ましい実施の形態において、高結晶化ガラスセラミックシールは、75質量%を超える結晶相および25質量%未満のガラス相を有する。さらに別の実施の形態において、結晶相は90質量%を超え、ガラス相は10質量%未満である。 Glass-ceramic composition of the present invention is in the range of 70 to 130 × 10 -7 / ° C., and preferably has a thermal expansion coefficient in the range of 85~115 × 10 -7 / ℃. For use as a SOFC seal, in certain preferred embodiments, the highly crystallized glass ceramic seal has a crystal phase of greater than 75 wt% and a glass phase of less than 25 wt%. In yet another embodiment, the crystalline phase is greater than 90% by weight and the glass phase is less than 10% by weight.

ここに述べられた結晶質形態に関する相および構造の情報は、Phase Diagrams for Ceramistsおよび当業者に公知に他の文献から得られる。例えば、XRD情報は、JCPDSデータベースで見つけることができ、ガラスセラミック中に存在する結晶質形態を特定するために使用できる。   Phase and structural information regarding the crystalline forms described herein can be obtained from Phase Diagrams for Ceramists and other literature known to those skilled in the art. For example, XRD information can be found in the JCPDS database and can be used to identify the crystalline morphology present in the glass ceramic.

本発明を限られた数の実施の形態に関して記載してきたが、この開示の恩恵を受けた当業者には、ここに開示した本発明の範囲から逸脱しない他の実施の形態も考え出せることが理解されよう。したがって、発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ制限されるべきである。   Although the invention has been described with respect to a limited number of embodiments, those skilled in the art having the benefit of this disclosure may devise other embodiments that do not depart from the scope of the invention disclosed herein. It will be understood. Accordingly, the scope of the invention should be limited only by the attached claims.

Claims (13)

ガラス成分および結晶質成分を有するガラスセラミックからなるガラスセラミックシールであって、
前記ガラスセラミックはホウ素を含まず、
該ガラスセラミックの前記結晶質成分が、前記ガラスセラミックシールの50%を超え、前記ガラス成分が50%未満であり、
前記結晶質成分のみについて言うと、該結晶質成分の50質量%より多くが主結晶相からなり、ここで、該主結晶相の結晶が、ワルストロマイト、サイクロウォラストナイト、μ−(Ca,Sr)SiO3、カルシライト、カリオフィライトおよびウォラストナイトからなる群により表される構造から選択される構造を有し、
前記結晶質成分の残りの50%未満が、少なくとも1種類の副結晶相からなり、
前記ガラスセラミックが70〜130×10-7/℃の範囲のCTEを有することを特徴とするガラスセラミックシール。
A glass ceramic seal comprising a glass ceramic having a glass component and a crystalline component,
The glass ceramic does not contain boron,
The crystalline component of the glass ceramic is greater than 50% of the glass ceramic seal and the glass component is less than 50%;
Speaking only of the crystalline component, more than 50% by mass of the crystalline component is composed of a main crystalline phase, where the crystals of the main crystalline phase are composed of walstromite, cyclowollastonite, μ- (Ca , Sr) SiO 3, having a structure selected from structures represented Karushiraito by the group consisting of potash office light and wollastonite,
The remaining less than 50% of the crystalline component comprises at least one subcrystalline phase;
A glass-ceramic seal, wherein the glass-ceramic has a CTE in the range of 70 to 130 × 10 −7 / ° C.
前記ガラスセラミックが、質量パーセントで表して、30〜50質量%のSiO2、2〜8質量%のAl23、10〜40質量%のCaO、および少なくとも1種類の0〜40質量%のSrO、0〜35質量%のBaOまたは0〜10質量%のMgOを含み、アルカリ土類金属酸化物の合計(ΣMO)が40〜60質量%の範囲にあることを特徴とする請求項1記載のガラスセラミックシール。 The glass ceramic is expressed in terms of mass percent, 30-50 mass% SiO 2 , 2-8 mass% Al 2 O 3 , 10-40 mass% CaO, and at least one kind of 0-40 mass%. 2. SrO, 0 to 35% by mass of BaO or 0 to 10% by mass of MgO, wherein the total of alkaline earth metal oxides (ΣMO) is in the range of 40 to 60% by mass. Glass ceramic seal. 前記ガラスセラミックが、>0〜8質量%のZnO、>0〜10質量%のNb25、Ta25、La23、Y23、またはSb23、もしくはそれらの混合物を含有することを特徴とする請求項2記載のガラスセラミックシール。 The glass ceramic is> 0-8 wt% ZnO,> 0-10 wt% Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , La 2 O 3 , Y 2 O 3 , or Sb 2 O 3 , or their The glass-ceramic seal according to claim 2, comprising a mixture. >0〜6質量%の範囲の量の酸化亜鉛を含有することを特徴とする請求項3記載のガラスセラミックシール。   4. The glass-ceramic seal according to claim 3, comprising zinc oxide in an amount in the range of> 0 to 6% by weight. 前記ガラスセラミックの前記結晶質成分が75質量%を超え、前記ガラス成分が25質量%未満であり、前記主結晶相が前記結晶質成分の75質量%を超えることを特徴とする請求項1記載のガラスセラミックシール。   The crystalline component of the glass ceramic is more than 75% by mass, the glass component is less than 25% by mass, and the main crystalline phase is more than 75% by mass of the crystalline component. Glass ceramic seal. 前記ガラスセラミックの前記結晶質成分が90質量%を超え、前記ガラス成分が10質量%未満であることを特徴とする請求項1記載のガラスセラミックシール。   2. The glass ceramic seal according to claim 1, wherein the crystalline component of the glass ceramic is more than 90% by mass and the glass component is less than 10% by mass. 前記ガラスセラミックが85〜115×10-7/℃の範囲のCTEを有することを特徴とする請求項1記載のガラスセラミックシール。 The glass-ceramic seal according to claim 1, wherein the glass-ceramic has a CTE in the range of 85 to 115 x 10-7 / ° C. 前記結晶質成分が、ワルストロマイト、サイクロウォラストナイトおよびμ−(Ca,Sr)SiO3からなる構造の群から選択される構造を有する、50%を超える主結晶相を有し、
前記結晶質成分の残りの50%未満が少なくとも1種類の副結晶相を含むことを特徴とする請求項1記載のガラスセラミックシール。
The crystalline component has a main crystalline phase of more than 50%, having a structure selected from the group consisting of wolstromite, cyclowollastonite and μ- (Ca, Sr) SiO 3 ;
The glass ceramic seal according to claim 1, wherein the remaining less than 50% of the crystalline component contains at least one subcrystalline phase.
前記副結晶相が、ウォラストナイト、透揮石、頑火揮石、苦土橄欖石およびそれらの固溶体または混合物からなる構造の群から選択される構造を有することを特徴とする請求項1記載のガラスセラミックシール。   The said sub-crystalline phase has a structure selected from the group of structures consisting of wollastonite, dolomite, dolomite, dolomite and their solid solutions or mixtures. Glass ceramic seal. 50%未満のガラス成分および50%を超える結晶質成分を有する無ホウ素かつ無亜鉛のガラスセラミックからなるガラスセラミックシールであって、
前記結晶質成分のみについて言うと、該結晶質成分の50質量%より多くが50%を超える主結晶相からなり、ここで、該主結晶相の結晶が、カルシライト、カリオフィライトおよびウォラストナイト並びにそれらの固溶体または混合物からなる群により表される構造から選択される構造を有し、
前記結晶質成分の残りの50%未満が、オケルマン石、ハージストン石、コランダム、ゲーレナイト、灰長石、ウォラストナイト、透揮石、頑火揮石、および苦土橄欖石、並びにそれらの混合物からなる群により表される構造から選択される副結晶相からなり、
前記ガラスセラミックが70〜130×10-7/℃の範囲のCTEを有し、
5〜25質量%のAl23、25〜45質量%のCaO、25〜45質量%のSiO2、1〜10質量%のK2Oおよび0〜25質量%のGeO2を含むことを特徴とする無ホウ素かつ無亜鉛のガラスセラミックシール。
A glass ceramic seal comprising a boron-free and zinc-free glass ceramic having a glass component of less than 50% and a crystalline component of greater than 50%,
Speaking only of the crystalline component, more than 50% by mass of the crystalline component consists of more than 50% of the main crystalline phase, wherein the crystals of the main crystalline phase are calcilite, caryophyllite and wollast Having a structure selected from the structure represented by the group consisting of knights and their solid solutions or mixtures;
The remaining less than 50% of the crystalline component is a group consisting of Okermanite, Hergistone, Corundum, Gehlenite, Anorthite, Wollastonite, Peridotite, Peridotite, and Blastite meteorite, and mixtures thereof Comprising a subcrystalline phase selected from the structure represented by
The glass ceramic has a CTE in the range of 70-130 × 10 −7 / ° C .;
5-25 wt% of Al 2 O 3, 25 to 45 wt% of CaO, SiO 2 of 25 to 45 wt%, that it contains 1 to 10 wt% of K 2 O and 0 to 25 wt% of GeO 2 A boron-free and zinc-free glass-ceramic seal.
10〜20質量%のAl23、30〜40質量%のCaO、30〜40質量%のSiO2、2〜8質量%のK2Oおよび5〜20質量%のGeO2を含むことを特徴とする請求項10記載のガラスセラミックシール。 10-20 wt% Al 2 O 3, 30 to 40 wt% CaO, SiO 2 of 30 to 40 wt%, to include 2-8 wt% K 2 O and 5-20 wt% of GeO 2 The glass ceramic seal according to claim 10, wherein 85〜115×10-7/℃の範囲のCTEを有することを特徴とする請求項10記載のガラスセラミックシール。 11. A glass ceramic seal according to claim 10, having a CTE in the range of 85-115 × 10 −7 / ° C. 前記結晶質成分の前記主結晶相がカリオフィライトおよびウォラストナイトからなる群より選択され、前記副結晶相がウォラストナイト、ゲーレナイトおよびコランダムからなる群より選択されることを特徴とする請求項10記載のガラスセラミックシール。   The main crystalline phase of the crystalline component is selected from the group consisting of caryophyllite and wollastonite, and the sub-crystalline phase is selected from the group consisting of wollastonite, gehlenite and corundum. 10. The glass ceramic seal according to 10.
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