JP5601855B2 - 燃料電池スタック - Google Patents
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Description
アルカリオキサイドシリケートガラス、マイカガラスセラミック、アルカリ土類オキサイドボロシリケート/シリカボラートガラスおよびアルカリ土類アルミナシリケートを含む、SOFC用に適した多数のガラスシーリング材が記載されている(特許文献1)。この引用は、乾燥ガラス粉末および充填材をベースにしたガラスシーリング材の製法について教示する。ガラス粉末のTECは、7.5・10-6K-1程に小さくなり得、よって、充填材を加えて最終のガラス粉末のTECを増大させ、それで、それが、TEC 9×10-6〜13×10-6K-1を有するインターコネクト平板および燃料電池ユニットのTECに実質的に匹敵するようにする。
よって、本発明者等は、下記の工程を含むプロセスによって得られる固体酸化物型燃料電池スタックを提供する:
(a) 少なくとも1つのインターコネクト平板を少なくとも1つの燃料電池ユニットと交互にし、各々の燃料電池ユニットは、陽極、陰極および陽極と陰極との間に配置した電解質を含み、そしてインターコネクト平板と各々の燃料電池ユニットとの間にガラスシーラントを備えることによって、第一燃料電池スタックアセンブリーを形成し、ガラスシーラントは、下記の組成を有し:
SiO2を50-70重量%、Al2O3を0-20重量%、CaOを10-50重量%、MgOを0-10重量%、(Na2O + K2O)を0-6重量%、B2O3を0-10重量%、ならびにTiO2、ZrO2、F、P2O5、MoO3、Fe2O3、MnO2、La-Sr-Mn-Oペロブスカイト(LSM)およびそれらの組合せから選択する機能要素を0-5重量%;
(b)該第一燃料電池スタックアセンブリーを加熱して温度500°C以上にしそして電池スタックに負荷圧2〜20 kg/cm2を施すことによって、該第一アセンブリーを厚さ5-100μmのガラスシーラントを有する第二アセンブリーに転化し;
(c)工程(b)の第二アセンブリーを冷却して工程(b)の温度より低い温度にすることによって、該第二アセンブリーを最終の燃料電池スタックアセンブリーに転化する。
ガラスシーラントは、B2O3を3-6重量%含有するのが好ましい。
工程(b)において、温度が800°C以上でありそして負荷圧が2〜10kg/cm2であるのが好ましい。故に、好適な実施態様では、本発明者等は、下記の工程を含むプロセスによって得られる固体酸化物型燃料電池スタックを提供する:
SiO2を50-70重量%、Al2O3を0-20重量%、CaOを10-50重量%、MgOを0-10重量%、(Na2O + K2O)を0-6重量%、B2O3を0-10重量%、好ましくは3-6重量%、ならびにTiO2、ZrO2、F、P2O5、MoO3、Fe2O3、MnO2、La-Sr-Mn-Oペロブスカイト(LSM)およびそれらの組合せから選択する機能要素を0-5重量%;
(b)該第一燃料電池スタックアセンブリーを加熱して温度800°C以上にしそして電池スタックに負荷圧2〜20 kg/cm2を施すことによって、該第一アセンブリーを厚さ5-100μmのガラスシーラントを有する第二アセンブリーに転化し;
(c)工程(b)の第二アセンブリーを冷却して工程(b)の温度より低い温度にすることによって、該第二アセンブリーを最終の燃料電池スタックアセンブリーに転化する。
本明細書中、“ガラスシーラント”および“気密のシーラント”なる用語は、互換可能に用いる。
SiO2を50-65重量%、Al2O3を0-20重量%、CaOを15-40重量%、MgOを0-10重量%、(Na2O+K2O) を0-6重量%、B2O3を3-6重量%、ならびにTiO2、ZrO2、F、P2O5、MoO3、Fe2O3、MnO2、La-Sr-Mn-Oペロブスカイト(LSM)およびそれらの組合せから選択する機能要素を0-5重量%。
別の好適なガラスは、組成:SiO2を52-62重量%、Al2O3を12-16重量%, CaOを16-25重量%、MgOを0-5重量%、(Na2O + K2O)を0-2重量%, B2O3を0-10重量%、TiO2を0-1.5重量%、Fe2O3を0.05-0.8重量%、フッ化物を0-1.0重量%有するE-ガラスであり、これは、ASTM standard designation D578-05に該当するE-ガラスに相当する。従って、本発明は、また、組成:SiO2を52-62重量%、Al2O3を12-16重量%、CaOを16-25重量%、MgOを0-5重量%、(Na2O + K2O)を0-2重量%、B2O3を0-10重量%、TiO2を0-1.5重量%、Fe2O3を0.05-0.8重量%、フッ化物を0-1.0重量%有するE-ガラスの、固体酸化物型燃料電池スタックにおけるガラスシーラントとしての使用も包含する。
本発明の別の実施態様では、工程(a)におけるガラスシーラントをグラスファイバーのシートとして供する。
再度そしてガラスをグラスファイバーのシートとしてかまたはペーストとして供するかどうかにかかわらず、本発明によって、出発グラスファイバー材を転化させて緻密でありそしてそれによって、ガス-気密な、すなわち密封した最終の燃料電池スタックにおいて薄い、すなわち5-100μm、しばしば5-50μm、好ましくは11-33μmのガラスシーラントにすることが可能である。密封したシーラントは、隣接する燃料電池ユニットにおいて陽極における燃料と陰極におけるオキシダントとの混合を防ぐ働きをするので、これは極めて望ましい。密封性は、加熱工程(b)の間に電池スタック上にかけられる負荷およびしばしばこの工程の間にガラスシーラント軟化点(800°Cを超える)に少なくとも等しい温度の使用によって一緒に圧搾される個々のファイバーの間の完全な凝集の結果であると思われる。それによって、密閉細孔構造または緻密なガラスが得られる。シーラントの相対的に高い軟化温度(800°Cを超える)は、シーラントが高い粘度、例えば燃料電池スタックの作動温度、例えば750-800°Cにおいて109 -1011Pa-sを維持することを可能にする。
内部供給孔および排気孔を有する厚さ300μmの陽極支持型電池は、マニホールド領域にこれらの多孔質構造を通る漏れを最少にするために、デマスクドされた(demasked)接触層を有する。両側を同じ形に打ち抜いたE-グラスファイバーペーパーで覆われている金属ガスケットフレームを、電池の両側にマニホールド孔からの空気を陰極上を通させそして燃料ガスを陽極側面上を通させるようにして置く。電池およびガスケットアセンブリーより上におよびより下に、マニホールド孔を有するインターコネクト平板を置く。E-グラスペーパーは、ファイバーを電池に向いて100 g/m2の量でおよびインターコネクト平板に向いて50 g/m2の量で含有し、それぞれ、本発明に従って温度約880°Cおよび負荷圧約6kg/cm2で処理した後の厚さ40および20μmの緻密な層に対応する。スタックを5電池で構築すると、陽極側と陰極側との間の交差漏れは、2つのスタックにおいて十分に熱サイクルした後に、RTで測定して0.05%および0.09%程に低くなる。陰極側で酸素中2x N2濃度の工程を用いそして作動中に陽極側および陰極側で同じガス圧力を用いて陽極側のN2モル濃度を測定するガスクロマトグラフィーによって、本発明者等は、各々の工程の陽極においてN2モル%の倍増を得、このことは、漏れがあることそして思うに電池の多孔質構造(主に、陽極支持材)を通る拡散により、推進される拡散があることを示す。陰極側のガス圧力を増大させることは、陽極側の交差漏れに何ら影響を与えなかった。
例1の通りであるが、E-ガラスシーラントに1-5μmの大きさのMgO粒子を20-50容積%、PVAを3%およびエタノールを67容積%含有するスラリーを染み込ませた(浸漬コーティングまたはスプレーによって)。
例2の通り:スラリーが1-3μm AISI 316L粉末を20-50容積%含有する。
例2の通り:スラリーが白榴石を20-50容積%含有する。
Claims (15)
- 下記の工程:
(a) 少なくとも1つのインターコネクト平板を少なくとも1つの燃料電池ユニットと交互にし、各々の燃料電池ユニットは、陽極、陰極および陽極と陰極との間に配置した電解質を含み、そしてインターコネクト平板と各々の燃料電池ユニットとの間にガラスシーラントを備えることによって、第一燃料電池スタックアセンブリーを形成し、ガラスシーラントは、下記の組成を有し:
SiO2を50-70重量%、Al2O3を0-20重量%、CaOを10-50重量%、MgOを0-10重量%、(Na2O + K2O)を0-6重量%、B2O3を0-10重量%、ならびにTiO2、ZrO2、F、P2O5、MoO3、Fe2O3、MnO2、La-Sr-Mn-Oペロブスカイト(LSM)およびそれらの組合せから選択する機能要素を0-5重量%;
(b)該第一燃料電池スタックアセンブリーを加熱して温度500°C以上にしそして電池スタックに負荷圧2〜20 kg/cm2を施すことによって、該第一アセンブリーを厚さ5-100μmのガラスシーラントを有する第二アセンブリーに転化し;
(c)工程(b)の第二アセンブリーを冷却して工程(b)の温度より低い温度にすることによって、該第二アセンブリーを最終の燃料電池スタックアセンブリーに転化する
を含むプロセスによって得られる固体酸化物型燃料電池スタック。 - B2O3の含有率が3-6重量%である、請求項1記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
- 工程(b)において、温度が800°C以上であり、そして負荷圧が2〜10 kg/cm2である、請求項1または2記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
- SiO2、Al2O3、CaOおよびMgOの含有率が、ガラスシーラント組成物の85-95重量%を占め、Na2O+K2OおよびB2O3の含有率が、ガラスシーラント組成物の3-8重量%を占める、そしてTiO2、F、ZrO2、P2O5、MoO3、Fe2O3、MnO2、La-Sr-Mn-Oペロブスカイト(LSM)およびそれらの組合せから選択する機能要素が0-5重量%を占める、請求項1〜3のいずれか一に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
- ガラスシーラントが、組成:SiO2を52-62重量%、Al2O3を10-15重量%、CaOを18-25重量%、MgOを0.5-4重量%、Na2Oを0.25-2重量%、B2O3を3.5-5.5重量%有するガラスである、請求項1〜4のいずれか一に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
- ガラスシーラントが、組成:SiO2を52-62重量%、Al2O3を12-16重量%、CaOを16-25重量%、MgOを0-5重量%、(Na2O+K2O)を0-2重量%、B2O3を0-10 重量%、TiO2を0-1.5重量%、Fe2O3を0.05-0.8重量%、F(フッ化物)を0-1.0重量%有するガラスである、請求項2〜4のいずれか一に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
- 工程(a)におけるガラスシーラントをグラスファイバーのシートとして供する、請求項1〜6のいずれか一に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
- グラスファイバーのシートが、ファイバーを電池に向いて70-100 g/m2の量でおよびインターコネクト平板に向いて30-60 g/m2の量で含有する、請求項1〜7のいずれか一に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
- 工程(a)におけるガラスシーラントに、MgO、スチール粉末、石英、白榴石およびそれらの組合せの形態の充填材を装填する、請求項1〜8のいずれか一に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
- ガラスシーラントが、請求項1〜4のいずれか一に記載の組成を有するガラス粉末にバインダーおよび有機溶媒を混合することによって形成されるペーストである、固体酸化物型燃料電池スタック。
- ガラス粉末がMgO、スチール粉末、石英、白榴石およびそれらの組合せの形態の充填材と混合される、請求項10記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
- 組成:SiO2を52−56重量%、Al2O3を12−16重量%、CaOを16−25重量%、MgOを0−6重量%、Na2O+K2Oを0−6重量%、B 2 O 3 を3−6重量%、TiO2を0−1.5重量%、Fを0−1重量%有するガラスの、固体酸化物型燃料電池スタックにおけるガラスシーラントとしての使用。
- 組成:SiO2を52-62重量%、Al2O3を10-15重量%、CaOを18-25重量%、MgOを0.5-4重量%、Na2Oを0.25-2重量%、B2O3を3.5-5.5重量%有するE-ガラスの、固体酸化物型燃料電池スタックにおけるガラスシーラントとしての使用。
- ガラスがグラスファイバーのシートとして供する、請求項12または13記載の使用。
- グラスファイバーのシートが、ファイバーを電池に向いて70-100 g/m2の量でおよびインターコネクト平板に向いて30-60 g/m2の量で含有する、請求項14記載の使用。
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