JP4892149B2 - 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 Download PDF

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Description

【０００１】
発明の分野
本発明は、特に燃料セル、ガスセンサー、酸素もしくは水素ポンプ／セパレー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。
【０００２】
本明細書に用いられるときは、「固体電解質」もしくは「固体酸化物イオン伝導性電解質」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。
【０００３】
発明の背景
セラミック材料は、自動車のターボチャージャーから試験的燃料セルまで、よく使用されている。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。
【０００４】
限定数の材料が、固体酸化物イオン伝導性電解質として適する。もっとも一般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（＞９，０００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。
【０００５】
固形酸化物イオン伝導性デバイスをシールするための種々の努力が、種々の成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。
【０００６】
ボロシリケートガラスおよびガラス−セラミックも、シール材料として可能性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。
【０００７】
シリカ系ガラスおよびガラス−セラミックは、最大の見込みを与える。それらは、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。
【０００８】
使用温度で、ほとんどのガラスは、時間が立つと結晶化する。したがって、結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。
【０００９】
したがって、約９００℃以下の使用温度で使用でき、８ｘ１０-6〜１５ｘ１０-6℃-1の熱膨張係数を有し、コンポーネントと有害な化学相互作用を起こさないシール材料に対する当業界の需要がある。
【００１０】
背景文献目録
１．Ｐ．Ｈ．Ｌａｒｓｅｎ、Ｃ．Ｂａｇｇｅｒ、Ｍ．ＭｏｇｅｎｓｅｎおよびＪ．Ｇ．Ｌａｒｓｅｎ、Ｐｒｏｃ．４ｔｈ Ｉｎｔ．Ｓｙｍｐ．Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ、第９５巻−１、１９９５年、ｐｐ．６９−７８。
【００１１】
２．Ｃ．Ｇｕｎｔｈｅｒ、Ｇ．ＨｏｆｅｒおよびＷ．Ｋｌｅｉｎｌｅｉｎ、Ｐｒｏｃ．５ｔｈ Ｉｎｔ．Ｓｙｍｐ．Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ、第９７巻−１８、１９９７年、ｐｐ．７４６−７５６。
【００１２】
３．Ｋ．Ｌ．Ｌｅｙ、Ｍ．Ｋｒｕｍｐｅｌｔ、Ｒ．Ｋｕｍａｒ、Ｊ．Ｈ．ＭｅｉｓｅｒおよびＩ．Ｂｌｏｏｍ、Ｊ．Ｍａｔ．Ｒｅｓ．、第１１巻、第６号、（１９９６年）、ｐｐ．１４８９−１４９３。
【００１３】
４．Ｙｏｓｈｉｎｏｒｉ Ｓａｋａｋｉ、Ｍａｓａｔｏｓｈｉ Ｈａｔｔｏｒｉ、Ｙｏｓｈｉｍｉ Ｅｓａｋｉ、Ｓａｔｏｓｈｉ Ｏｈａｒａ、Ｔａｋｅｈｉｓａ Ｆｕｋｕｉ、Ｋａｓｅｋｉ Ｋｏｄｅｒａ、Ｙｕｋｉｏ Ｋｕｂｏ、Ｐｒｏｃ．５ｔｈ Ｉｎｔ．Ｓｙｍｐ．Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ、第９７巻−１８、１９９７年、ｐｐ．６５２−６６０。
【００１４】
発明の概要
本発明は、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。
【００１５】
ガラス−セラミック化合物は、少なくとも３つの金属酸化物、Ｍ１−Ｍ２−Ｍ３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。
【００１６】
本発明によれば、Ｍ１−Ａｌ2Ｏ3−Ｍ３系にある一連のガラス−セラミックが用いられて、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。
【００１７】
本発明の目的は、固体電解質もしくは固体酸化物イオン伝導性電解質を接合も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。
【００１８】
本発明の主題は、特にこの明細書の結論部分に明確に指摘かつ主張されている。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。
【００１９】
好ましい実施態様の説明
本発明は、ガラス−セラミック化合物およびガラス−セラミック化合物を作る方法である。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。
【００２０】
本発明には、固体セラミックコンポーネントと、好ましくは固体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ＳｉＯ2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。
【００２１】
ジョイント／シールの組成は、好ましくはＭ１が約２０〜約５５モル％の量で存在し、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。
【００２２】
ガラス−セラミック化合物は、それに限定はされないが、ＺｒＯ2、ＴｉＯ2、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。
【００２３】
ガラスセラミック及び結晶化ガラスセラミックの両方の熱膨張係数の範囲は、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。
【００２４】
実質的には、同じ熱膨張係数は、本明細書においては、シールされる材料の約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。
【００２５】
ジョイントは、電気化学的試験セルにおいて、酸素イオンポンプ及び試験材料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。
【００２６】
本発明によれば、固体セラミックコンポーネントと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ＳｉＯ2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。
【００２７】
実施例１
本発明のガラスセラミック材料（表Ｅ１−１及びＥ１−２並びに図２において、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。
【００２８】
表Ｅ１−１はいくつかの組成物を示す。主要な結晶化相は、ＢａＯ・２ＳｉＯ2、２ＢａＯ・３ＳｉＯ2、ＢａＯ・ＳｉＯ2、及びＢａＯ・Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2を含むことができる。
【００２９】
【表１】
Figure 0004892149
ガラスＩＤ＃１、３、７ｂ、９、１０、１１、１２、１３及び１ｄは参考例であり、ガラスＩＤ＃１４、１５、１７及び１８は実施例である。
【００３０】
図２は、ガラスセラミック材料が固体電解質に適合されるためにどのようにう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。
【００３１】
表Ｅ１−２は、本発明のガラスセラミック材料の性質を示す。
【００３２】
【表２】
Figure 0004892149
【００３３】
実施例２
ガラスフリットから形成されたシールが、シールされた８ＹＳＺ酸素ポンプを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。
【００３４】
このアセンブリーは、シールされたアセンブリーの外に酸素を汲み出すことによって試験され、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。
【００３５】
むすび
本発明の好適な態様が示され説明される一方で、多くの変更及び改良が、本発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。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるＭ１−Ａｌ2Ｏ3−Ｍ３ジョイント／シール材料の組成範囲を示す相線図である。
【図２】 本発明の固体電解質およびガラス−セラミック材料についての熱膨張係数対温度のグラフである。

Claims (19)

  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、
    少なくとも３つの金属酸化物Ｍ１−Ｍ２−Ｍ３を含み［Ｍ１はＢａＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ及びそれらの組合せからなる群から選ばれ、Ｍ１は約２０モル％〜約５５モル％の量で存在し；Ｍ２はＡｌ２Ｏ３であり、Ｍ２は２〜１５モル％の量で存在し；Ｍ３は５０モル％以下のＢ２Ｏ３を伴うＳｉＯ２であり、Ｍ３は約４０モル％〜約７０モル％の量で存在する。］、
    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。
  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。
  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。
  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。
  5. シールである、請求項１に記載のジョイント。
  6. 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１に記載のジョイント。
  7. 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。
  8. 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７に記載のジョイント。
  9. 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。
  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、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。
  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、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。
  12. 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及びそれらの組合せからなる群から選ばれ、Ｍ１は約２０モル％〜約５５モル％の量で存在し；Ｍ２はＡｌ２Ｏ３であり、Ｍ２は２〜１５モル％の量で存在し；Ｍ３は５０モル％以下のＢ２Ｏ３を伴うＳｉＯ２であり、Ｍ３は約４０モル％〜約７０モル％の量で存在する。］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、
    を含む方法。
  13. 前記接合する工程がシールする工程である、請求項１２に記載の方法。
  14. 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１２に記載の方法。
  15. 少なくとも一つの追加の金属酸化物を更に含む、請求項１２に記載の方法。
  16. 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１５に記載の方法。
  17. 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１２に記載の方法。
  18. 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。
  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、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１２に記載の方法。
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