KR20070059159A - High strength insulating joints for solid oxide fuel cells and other high temperature applications and method of making - Google Patents

High strength insulating joints for solid oxide fuel cells and other high temperature applications and method of making Download PDF

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KR20070059159A
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metal
mol
joint
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케이. 스콧 웨일
로렌스 에이. 칙
크리스토퍼 에이. 코일
존 에스. 하디
궝웡 시아
케리 디. 마인하르트
빈센트 엘. 스프렌클
딘 엠. 팍스톤
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바텔리 메모리얼 인스티튜트
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Abstract

A seal formed between two parts that will remain gas tight in high temperature operating environments which experience frequent thermal cycling, which is particularly useful as an insulating joint in solid oxide fuel cells. A first metal part is attached to a reinforcing material. A glass forming material in the positioned in between the first metal part and the second part, and a seal is formed between the first metal part and the second part by heating the glass to a temperature suitable to melt the glass forming materials. The glass encapsulates and bonds at least a portion of the reinforcing material, thereby adding tremendous strength to the overall seal. A ceramic material may be added to the glass forming materials, to assist in forming an insulating barrier between the first metal part and the second part and to regulating the viscosity of the glass during the heating step.

Description

고체 산화물 연료전지 및 다른 고온 응용 분야를 위한 고강도 절연 조인트 및 그 제조 방법{HIGH STRENGTH INSULATING JOINTS FOR SOLID OXIDE FUEL CELLS AND OTHER HIGH TEMPERATURE APPLICATIONS AND METHOD OF MAKING}HIGH STRENGTH INSULATING JOINTS FOR SOLID OXIDE FUEL CELLS AND OTHER HIGH TEMPERATURE APPLICATIONS AND METHOD OF MAKING}

본 발명은 미합중국 에너지부에 의해 부여된 약정 DE-FC26-02NT41246 하의 정부 지원을 받아 수행되었다. 정부는 본 발명에 일정한 권리를 갖는다.The invention has been carried out with government support under Arrangement DE-FC26-02NT41246 granted by the United States Department of Energy. The government has certain rights in the invention.

본 발명은 고온 응용 분야에 사용되는 부품 사이에 고강도, 기밀성(gas-tight), 절연성 조인트를 형성하기 위한 시스템 및 방법, 그리고 그로부터 만들어진 조인트에 관한 것이다. 한정하려는 의도는 아니지만, 본 발명은 고체 산화물 연료전지의 제작 및 작동에 사용될 때 특히 유용하다.The present invention relates to systems and methods for forming high strength, gas-tight, insulating joints between components used in high temperature applications, and joints made therefrom. Although not intended to be limiting, the invention is particularly useful when used in the fabrication and operation of solid oxide fuel cells.

고체 산화물 연료전지(SOFC)는 유입되는 연료의 화학적 에너지를 전기화학적 반응을 통해 직접 전기로 변환하는 고체 상태의 장치이다. 그것의 높은 효율과 낮은 열 방출로 인해, SOFC는 장치 및 자동차 산업과 같은 다수의 산업에 점점 흥미를 돋우고 있다. 여러 가지의 SOFC 중에서, 평면 형태가 더 기계적으로 튼튼하고, 높은 전력 밀도를 가지며, 대용량 제조시 더 비용효율적인 디자인을 제공할 것으로 기대된다. SOFC 스택(stack)에서, 음극 면의 연료와 양극 면의 공기 또는 산화제를 물리적으로 분리하기 위해 상호연결부(interconnect)가 사용된다. 그것은 또한 양극판(兩極板, bi-polar plate)으로써 작용하는데, 다수의 세라믹 셀 또는 PEN(양극-전해질-음극, Positive cathode-Electrolyte-Negative anode)이 상기 스택 내에서 직렬로 전기적으로 연결된다. SOFC 스택이 정확히 작동하기 위해서는, 상기 상호연결부는 인접한 구성요소, 즉, 상기 PEN 또는 상기 PEN을 받치고 있는 금속 프레임에 밀봉(hermetically seal)되어야 한다. 인접한 상호연결부 사이의 상기 밀봉(seal)은 쇼트(shorting)를 방지하기 위하여 전기적으로 절연되어야 한다. 상기 전기적으로 절연된 밀봉은 종종 유리-세라믹을 사용하여 수행되며, 다른 밀봉 기술을 통한 것도 역시 고려되고 있다. 구조적인 안정성을 유지하고 SOFC 성능의 하락을 최소화하기 위해서, 상기 밀봉 재료는 상호연결부와 화학적으로 융화성이 있어야 한다.A solid oxide fuel cell (SOFC) is a solid state device that converts chemical energy of incoming fuel directly into electricity through an electrochemical reaction. Due to its high efficiency and low heat dissipation, SOFCs are increasingly interested in many industries such as the device and automotive industries. Among other SOFCs, the planar shape is expected to provide a more mechanically robust, high power density, and more cost-effective design for high volume manufacturing. In SOFC stacks, interconnects are used to physically separate fuel on the cathode side and air or oxidant on the anode side. It also acts as a bi-polar plate, in which a number of ceramic cells or PENs (Positive Cathode-Electrolyte-Negative anodes) are electrically connected in series within the stack. In order for the SOFC stack to work correctly, the interconnects must be hermetically sealed to adjacent components, ie the PEN or a metal frame supporting the PEN. The seal between adjacent interconnects must be electrically insulated to prevent shorting. Such electrically insulated seals are often performed using glass-ceramic, and other sealing techniques are also contemplated. In order to maintain structural stability and minimize degradation of SOFC performance, the sealing material must be chemically compatible with the interconnects.

중간 수준의 온도(700-800℃)에서 작동하는 대부분의 평면 SOFC 스택에서, 상기 상호연결부는 일반적으로 페라이트계 스테인리스 강으로 만들어지고 그것의 인접한 요소에 밀봉 유리로 밀봉된다.In most planar SOFC stacks operating at moderate temperatures (700-800 ° C.), the interconnects are generally made of ferritic stainless steel and sealed with sealing glass to its adjacent elements.

유리 밀봉 중에 발견된 고유의 문제 중 하나는 상기 유리와 상기 금속 구조 요소 사이의 계면에서의 산화제 스케일(scale)의 형성이다. 초기에는 이 스케일 층은 밑에 있는 금속 기판에 잘 붙어있으나, 상기 SOFC 스택의 고온 작동 조건에 장시간 노출된 후에는, 상기 스케일은 두꺼워지고 약해져서, 결국 유리-금속 밀봉 조인트에서, 특히 열 순환시에, 고장의 원인이 된다. 이 문제를 완화하는 한가지 방 법은 상기 금속 기판의 표면을 거칠게 하여 상기 유리 밀봉이 제자리에 기계적으로 고정되도록 하는 것이다. 그러나, 간단한 사포질(sand blasting) 또는 결정입계(grain boundary) 에칭은 SOFC 스택의 일반적인 작동 조건 하에서 고장이 발생하지 않는 밀봉을 형성할 만큼 충분히 "거친" 표면을 제공하지 않는다.One of the inherent problems found during glass sealing is the formation of an oxidant scale at the interface between the glass and the metal structural element. Initially this scale layer adhered well to the underlying metal substrate, but after prolonged exposure to the high temperature operating conditions of the SOFC stack, the scale thickened and weakened, eventually resulting in glass-metal sealing joints, especially during thermal cycling, It may cause a malfunction. One way to alleviate this problem is to roughen the surface of the metal substrate so that the glass seal is mechanically held in place. However, simple sand blasting or grain boundary etching does not provide a surface that is “rough” enough to form a seal that will not fail under normal operating conditions of the SOFC stack.

또 다른 문제는 밀봉 온도에서 유리의 점도를 제어하기가 어렵고, 상기 유리가 매우 유동적이 될 수 있다는 점이다. 만약 상기 유리가 너무 유동적이면, 밀봉 공정 중에 삐져나올 수 있고, 특히 상기 부품들이 정확히 일치하는 것을 확실하게 하기 위해 밀봉 단계에서 하중을 가하거나 압착하는 경우에 그렇다.Another problem is that it is difficult to control the viscosity of the glass at the sealing temperature and the glass can become very fluid. If the glass is too fluid, it may squeeze out during the sealing process, especially if the parts are loaded or squeezed in the sealing step to ensure that the parts match exactly.

따라서, SOFC에서 발견되는 것과 같은 고온 응용 분야에 사용되는 금속 및 세라믹 부품의 결합에 개선된 방법이 필요하다.Thus, there is a need for an improved method for joining metal and ceramic components used in high temperature applications such as those found in SOFCs.

따라서 본 발명의 하나의 목적은 금속 부품과 제2 부품 사이에 빈번한 열 순환을 경험하는 고온 작동 환경에서 기밀성을 유지할 수 있는 밀봉을 형성하는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 하나의 목적은 이 방법에 의해 상기 제1 금속 부품과 제2 부품 사이에 전기적 전도성을 방지하는 절연 특성을 갖는 밀봉을 제공하는 것이다. 본 발명의 이들 및 다른 목적은 먼저 제1 금속 부품 및 제2 부품을 제공함으로써 달성된다. 상기 제2 부품은 세라믹 또는 금속이 될 수 있다. 상기 제2 부품이 금속인 구체예에서, 상기 제2 부품은 상기 제1 금속 부품을 위해 하기에 설명된 방식으로 처리될 수 있다.It is therefore an object of the present invention to provide a method of forming a seal capable of maintaining airtightness in a high temperature operating environment which experiences frequent thermal cycling between the metal part and the second part. Another object of the present invention is to provide a seal having an insulating property which prevents electrical conductivity between the first metal part and the second part by this method. These and other objects of the present invention are first achieved by providing a first metal part and a second part. The second component may be ceramic or metal. In embodiments where the second part is a metal, the second part may be treated in the manner described below for the first metal part.

다공성 메쉬(mesh) 또는 일련의 금속 돌기(금속 구체, 입자, 와이어, 스크린 및 섬유를 포함하나 이에 한정되는 것은 아님)와 같은, 금속 강화 재료가 상기 제1 금속 부품에 부착된다. 상기 강화 재료를 상기 금속 부품에 부착하여 상기 스크린 또는 다른 강화 재료와 상기 제1 금속 부품 사이에 내구성이 있고 강한 접속을 형성하기 위한 어떠한 선행기술 방법도 적합하며, 납땜(brazing), 용접(welding), 소결(sintering) 등과 같은 방법을 포함하고 이에 한정되지는 않는다. 그리고 나서, 상기 제1 금속 부품과 제2 부품 사이에 유리 형성 재료가 위치하고, 상기 유리 형성 재료를 연화시키기에 적합한 온도까지 유리를 가열하여 상기 제1 금속 부품과 제2 부품 사이에 밀봉을 형성한다. 이 방식으로, 상기 제1 금속 부품으로 한쪽 면에서 결합되고 상기 제2 부품으로 반대 면에서 결합되는 유리 또는 유리-세라믹 층이 형성된다.Metal reinforcing materials, such as, but not limited to, porous meshes or series of metal protrusions (including but not limited to metal spheres, particles, wires, screens, and fibers) are attached to the first metal part. Any prior art method for attaching the reinforcing material to the metal part to form a durable and strong connection between the screen or other reinforcing material and the first metal part is suitable, and brazing, welding Methods such as, sintering, and the like, are not limited thereto. A glass forming material is then positioned between the first metal part and the second part, and the glass is heated to a temperature suitable for softening the glass forming material to form a seal between the first metal part and the second part. . In this way, a glass or glass-ceramic layer is formed which is bonded at one side with the first metal part and at the opposite side with the second part.

냉각에 앞서, 형성된 녹은 유리(molten glass)는 상기 강화 재료를 통하여 침투할 것이고 그로 인해 상기 부착된 금속 스크린 또는 금속 돌기의 적어도 일부를 캡슐화할 것이다. 이런 식으로, 인장력, 전단력 또는 비틀림력이 상기 조인트에 가해지면, 상당한 부분의 하중이 상기 유리질의(glassy) 매트릭스로부터 상기 강화 재료와 그 밑에 있는 금속 기판 사이의 금속-금속 결합으로 전달된다. 이 금속-금속 결합은 전통적인 유리-금속 조인트에 존재하는 평면의 유리-산화물 스케일-금속 계면들(planar glass-oxide scale-metal interfaces) 보다 실질적으로 더 높은 하중을 견딜 것이다. 두 번째로, 상기 강화 재료는 상기 유리 또는 유리-세라믹 매트릭스 내에서 금속 강화 상으로서 행동하고 이에 따라 다양한 크랙 디플렉션(deflection) 및 크랙 블런팅(blunting) 메커니즘에 의한 유리 기재(base glass material)의 파괴 인성(fracture toughness)을 향상시킨다. 두 가지 효과는 모두 전통적인 유리-금속 밀봉의 경우보다 상기 복합제 밀봉의 강도를 현저하게 증가시킨다.Prior to cooling, the formed molten glass will penetrate through the reinforcing material and thereby encapsulate at least a portion of the attached metal screen or metal projection. In this way, when tensile, shear or torsional forces are applied to the joint, a significant portion of the load is transferred from the glassy matrix to the metal-metal bond between the reinforcing material and the underlying metal substrate. This metal-metal bond will withstand substantially higher loads than planar glass-oxide scale-metal interfaces present in traditional glass-metal joints. Second, the reinforcing material acts as a metal reinforcing phase in the glass or glass-ceramic matrix, and accordingly the base glass material by various crack deflection and crack blunting mechanisms. Improves fracture toughness. Both effects significantly increase the strength of the composite seal than with traditional glass-metal seals.

본 발명의 개발을 위한 동기는 고체 산화물 연료 전지에 튼튼한 절연 조인트를 제공하는 것이었지만, 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 상기 조인트, 및 본 발명의 조인트를 형성하기 위한 상기 방법이, 제1 금속 부품과 제2 부품 사이에 기밀성, 절연 밀봉을 요하는 임의의 환경, 특히 상기 부품들에 대해 고온 작동 환경을 포함하는 응용 분야에 동일하게 적용 가능하다는 것을 인식할 것이다. 따라서, 본 발명은 고체 산화물 연료전지를 포함하는 응용 분야에 한정되는 것으로 해석되면 안 되고, 대신 튼튼한 절연 조인트가 요구되는 임의의 및 모든 응용 분야를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.The motivation for the development of the present invention was to provide a solid insulating joint in a solid oxide fuel cell, but one of ordinary skill in the art would appreciate that the joint of the present invention, and the method for forming the joint of the present invention, It will be appreciated that it is equally applicable to any environment that requires airtightness, insulation sealing between the first metal part and the second part, in particular a high temperature operating environment for the parts. Thus, the present invention should not be construed as being limited to applications including solid oxide fuel cells, but instead should be construed to cover any and all applications in which robust insulating joints are required.

또한, 본 발명의 개발을 위한 동기는 더욱 특별하게는 고체 산화물 연료 전지에서 두 개의 금속 부품 사이에 튼튼한 절연 조인트를 제공하는 것이었지만, 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 상기 조인트, 및 본 발명의 조인트를 형성하기 위한 상기 방법이, 상기 부품 중 단 하나만 금속 부품인 환경에도 동일하게 적용 가능하다는 것을 인식할 것이다. 예를 들어, 한정하고자 하는 의도는 아니지만, 고체 산화물 연료전지를 위한 많은 디자인에는, 금속 부품과 세라믹 부품 사이의 계면도 역시 존재하고, 그것은 기밀성, 절연 밀봉을 요할 수 있다. 따라서, 본 발명은, 고체 산화물 연료전지에서 또는 그 외의 경우에서, 두 금속 부품 사이에 밀봉을 포함하는 응용 분야에 한정되는 것으로 해석되면 안 되고, 대신 상기 부품 중 적어도 하나가 금속인 임의의 두 부품 사이에 튼튼한 절연 조인트가 요구되는 임의의 및 모든 응용 분야를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.In addition, the motivation for the development of the present invention was more particularly to provide a sturdy insulated joint between two metal parts in a solid oxide fuel cell, but those skilled in the art will appreciate that the joint, And the method for forming a joint of the present invention is equally applicable to an environment where only one of the parts is a metal part. For example, although not intended to be limiting, in many designs for solid oxide fuel cells, there is also an interface between the metal part and the ceramic part, which may require airtightness, insulation sealing. Thus, the present invention should not be construed as being limited to an application involving a seal between two metal parts in a solid oxide fuel cell or otherwise, but instead any two parts wherein at least one of the parts is a metal. It should be construed to cover any and all applications where a strong insulated joint is required between.

바람직하게는, 한정하고자 하는 의도는 아니지만, 본 발명에서 사용되는 상기 금속 부품 및 금속 강화 재료는 고온 스테인리스 강 및 고온 초합금(superalloy)으로서 선택된다. 대표적인 고온 스테인리스 강은 듀라포일 (알파-4)(Durafoil (alpha-4)), 페크랄로이(Fecralloy), 알루미나로 코팅된 스테인리스 강 및 크로퍼-22APU(Crofer-22APU)를 포함할 것이다. 대표적인 초합금은 하이네스 214(Haynes 214), 니크로퍼 6025(Nicrofer 6025), 및 듀크랄로이(Ducralloy)를 포함할 것이다. 상기 금속 부품 및 강화 부재(reinforcing components)는 동일한 합금일 필요는 없으나, 밀봉 및 향후 서비스를 위해 계획된 조건 하에서 서로 융화성이 있어야 한다.Preferably, although not intended to be limiting, the metal parts and metal reinforcing materials used in the present invention are selected as hot stainless steel and hot superalloy. Representative high temperature stainless steels will include Durafoil (alpha-4), Fecralloy, stainless steel coated with alumina, and Crofer-22APU. Representative superalloys will include Heynes 214, Nicrofer 6025, and Ducralloy. The metal parts and the reinforcing components need not be identical alloys, but they must be compatible with each other under planned conditions for sealing and future service.

바람직하게는, 한정하고자 하는 의도는 아니지만, 본 발명에 의해 형성된 상기 조인트의 두께는 약 0.1 mm 내지 2 mm 범위 이내이다.Preferably, although not intended to be limiting, the thickness of the joint formed by the present invention is within the range of about 0.1 mm to 2 mm.

본 발명의 조인트를 형성할 때, 세라믹 재료가 상기 제1 금속 부품과 제2 부품 사이에 병렬로 될 것이다. 상기 세라믹 재료는 두 개 이상의 기능을 할 것이다. 예를 들어, 상기 유리 형성 재료로부터 형성된 유리와 일체로 된 상기 세라믹 재료는 상기 제1 금속 부품과 제2 부품 사이에 절연 장벽을 형성하는 데 조력할 것이다. 추가적으로, 상기 세라믹 재료는 가열 단계 중에 유리의 점도를 조절하는 데 조력할 것이다. 바람직하게는, 한정하고자 하는 의도는 아니지만, 상기 세라믹 재료는, 상기 녹아 있는 유리가 충분한 점성을 가지게 되어, 상기 금속 부품과 제2 부품 사이, 상기 금속 부품에 부착된 상기 강화 재료와 상기 제2 부품 사이, 또는 제1 금속 부품에 부착된 상기 강화 재료와 제2 금속 부품에 부착된 상기 강화 재료 사이에 분리를 유지하는 식으로, 상기 녹아 있는 유리를 개조하고, 이로 인해 상기 두 부품 사이에 전기적 통로의 형성을 방지한다.When forming the joints of the invention, ceramic material will be in parallel between the first metal part and the second part. The ceramic material will serve two or more functions. For example, the ceramic material integral with the glass formed from the glass forming material will assist in forming an insulating barrier between the first metal part and the second part. In addition, the ceramic material will help to adjust the viscosity of the glass during the heating step. Preferably, but not intended to be limiting, the ceramic material is such that the molten glass is sufficiently viscous such that the reinforcing material and the second part adhered to the metal part between the metal part and the second part. Modifying the molten glass in such a way as to maintain separation between, or between the reinforcing material attached to the first metal part and the reinforcing material attached to the second metal part, thereby resulting in an electrical passage between the two parts. To prevent its formation.

동시에, 상기 세라믹 재료가, 상기 유리를 상기 부품들에 부착된 강화 재료로 스며들고 침투하도록 하기 위해서, 상기 녹아 있는 유리를 충분한 유동성을 유지하게 하고, 이에 의해 상기 강화 재료 및 하부 금속 기판을 캡슐화하고 상기 강화 재료 및 하부 금속 기판에 직접 부착하는 것이 바람직하다. 이 방식으로, 상기 유리는 상기 부품들에 직접 결합되어, 상기 부품 사이에 기밀성 밀봉(gas tight seal)을 형성하고, 동시에, 상기 강화 재료로 침투하여 대단히 내구성 있는 결합을 형성한다. 바람직하게는, 한정하고자 하는 의도는 아니지만, 상기 세라믹 재료는 지르코니아, 안정화 지르코니아, 알루미나, 산화 니켈, 및 이들의 조합에서 선택된다.At the same time, the molten glass maintains sufficient fluidity to encapsulate and penetrate the glass into the tempered material attached to the parts, thereby encapsulating the tempered material and the underlying metal substrate. It is preferable to attach directly to the reinforcing material and the lower metal substrate. In this way, the glass is bonded directly to the parts, forming a gas tight seal between the parts, and at the same time penetrating into the reinforcing material to form a very durable bond. Preferably, but not intended to be limiting, the ceramic material is selected from zirconia, stabilized zirconia, alumina, nickel oxide, and combinations thereof.

밀봉 중에 삐져나오는 양을 최소화하거나 제어하기 위해서, 본 발명은 작은 모노사이즈(monosize) 세라믹(대표적으로 이트리아 안정화 지르코니아) 구체를 약 2 내지 5 부피%로 상기 밀봉에 사용하기 전에 상기 유리-형성 재료에 넣는 것을 고려하였고, 이는 한정하려는 의도는 아니다. 상기 세라믹 구체는 상기 밀봉 온도에서 기하학적으로 안정하게 잔존하고 그들의 딱딱한 고체 형태를 유지하는고, 반면에 상기 유리는 연화되고 흐른다. 상기 구체는, 밀봉 형성에 채용된 가열 및 압축 단계 중에 상기 두 밀봉 표면 사이에서 유리가 과도하게 삐져나오는 것을 막기 위해, 하중 컬럼(load column) 및 기하학적인 스페이서(spacer)로서 동시에 작용한다. 상기 구체는 또한 상기 셀 프레임(cell frame)에서 가능한 금속과 금속의 접촉을 감소시켜서, 이에 의해 스택이 전기적으로 쇼트(shorting)되는 것을 방지한다.In order to minimize or control the amount of protruding during sealing, the present invention relates to a glass-forming material prior to using a small monosize ceramic (typically yttria stabilized zirconia) sphere at about 2-5% by volume for the sealing. It is considered to put it in, which is not intended to be limiting. The ceramic spheres remain geometrically stable at the sealing temperature and retain their rigid solid form, while the glass softens and flows. The spheres act simultaneously as load columns and geometric spacers to prevent excessive glass from escaping between the two sealing surfaces during the heating and compressing steps employed to form the seal. The spheres also reduce possible metal-to-metal contact in the cell frame, thereby preventing the stack from electrically shorting.

또한 바람직하게는, 한정하고자 하는 의도는 아니지만, 상기 세라믹은 대략 길이가 1 mm이고 직경이 20 ㎛인 작은 섬유(fiber)로 제공되는데, 이는 가열과 밀봉 형성에 앞서 상기 유리 형성 재료 내에 균질하게 분포되어 있다. 이 형태의 적합한 세라믹의 일례는 뉴욕 플로리다의 지르카 지르코니아사(Zircar Zirconia, Inc.)로부터 구입할 수 있는 Type ZYBF 재료이다. 또한 바람직하게는, 한정하고자 하는 의도는 아니지만, 세라믹 또는 미립자를 함유하지 않는 유리 형성 재료가 상기 두 개의 금속 부품 위의 강화 표면의 각각으로, 예를 들어 페이스트(paste)로서, 국부적으로 사용되고 침투된다. 세라믹 섬유, 구체, 또는 다공성 매트(porous matting)를 포함하는 제2 유리 형성 재료는 상기 두 부품 사이에 위치하고 가열하여 밀봉한다. 이렇게, 상기 강화 재료로의 유리 침투 및 전기적 절연 밀봉의 형성 모두 쉽게 보증될 수 있다.Also preferably, but not intended to be limiting, the ceramic is provided in small fibers approximately 1 mm in length and 20 μm in diameter, which is homogeneously distributed in the glass forming material prior to heating and sealing formation. It is. One example of a suitable ceramic of this type is a Type ZYBF material available from Zircar Zirconia, Inc. of Florida, New York. Also preferably, but not intended to be limiting, glass forming materials that do not contain ceramics or particulates are locally used and penetrated into each of the reinforcing surfaces on the two metal parts, for example as a paste. . A second glass forming material comprising ceramic fibers, spheres, or porous matting is placed between the two parts and sealed by heating. Thus, both glass penetration into the reinforcing material and the formation of an electrically insulating seal can be easily assured.

상기 유리 자체는, 약 10 몰% B2O3, 약 35 몰% SiO2, 약 5 몰% Al2O3, 약 35 몰% BaO, 약 15 몰% CaO 및 바륨 알루미노실리케이트 계(family)의 다른 형태의 유리 및 그들의 조합을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 유리는, 오하이오 클리블랜드의 페로사(Ferro Corporation)에서 구입할 수 있는 것과 같은, 유기 바인더 재료(organic binder material)와 혼합되는 것이 바람직하다. 바인더(binder) 및 수반하는 용매(accompanying solvent)의 적절한 선택은 유리 형성 페이스트(glass-forming paste)가 제조되도록 하거나 유리 형성 재료(glass-forming material)의 얇은 시트(sheet) 또는 테이프가 준비되도록 한다. 특히, 페이스트는 상기 유리 형성 재료가 상기 금속 부품 및 제2 부품에 정확한 위치에서, 및 정확한 양으로 적용되도록 하여, 기밀성 밀봉(gas tight seal)이 형성되도록 한다. 그리고 나서 상기 금속 부품 및 제2 부품은 함께 배치되고 충분한 시간 및 충분한 온도에서 가열되어서 완전히 산화 및 기화하고, 따라서 상기 유기 바인더를 제거하고, 상기 유리 형성 재료가 녹아서, 상기 결합된 강화 재료에 침투하고 완전히는 아니지만 적어도 부분적으로 상기 결합된 강화 재료를 캡슐화하는 유리를 형성함에 따라, 본 발명의 기밀성, 절연 조인트를 형성한다. 여기에 설명된 바람직한 재료를 위해, 825 ℃에서 1 시간 동안 가열하는 것이 상기 조인트를 형성하는 데 충분하다.The glass itself comprises about 10 mol% B 2 O 3 , about 35 mol% SiO 2 , about 5 mol% Al 2 O 3 , about 35 mol% BaO, about 15 mol% CaO and barium aluminosilicate family Other forms of glass and combinations thereof, including but not limited to. The glass is preferably mixed with an organic binder material, such as that available from Ferro Corporation, Cleveland, Ohio. Proper selection of binders and accompanying solvents allows glass-forming pastes to be produced or thin sheets or tapes of glass-forming materials to be prepared. . In particular, the paste allows the glass forming material to be applied to the metal part and the second part in the correct position and in the correct amount, such that a gas tight seal is formed. The metal part and the second part are then placed together and heated at a sufficient time and at a sufficient temperature to completely oxidize and vaporize, thus removing the organic binder and melting the glass forming material to penetrate the bonded reinforcing material Forming the glass encapsulating the bonded reinforcing material, but not at least partially, forms the hermetic, insulating joint of the present invention. For the preferred material described herein, heating at 825 ° C. for 1 hour is sufficient to form the joint.

하기의 도면과 함께 해석하면 하기 본 발명의 구체예의 상세한 설명은 더욱 쉽게 이해될 수 있을 것이다.The following detailed description of the embodiments of the present invention will be more readily understood when interpreted in conjunction with the drawings.

도 1은 파단 시험(rupture test) 시편에 대한 SOFC 창틀 부재의 비교도이다(상대 척도로 도시된 것은 아님).FIG. 1 is a comparison of SOFC window frame members against rupture test specimens (not shown on relative scale).

도 2는 카세트(cassette) 대 카세트 밀봉(cassette seal)의 도면이다.FIG. 2 is a diagram of a cassette to cassette seal. FIG.

도 3은 파단 시험 장치의 개략도이다.3 is a schematic diagram of a breaking test apparatus.

본 발명의 장치와 방법을 설명하기 위하여 및, 본 발명에 의해 형성된 상기 조인트 또는 밀봉을 시험하기 위하여 일련의 실험이 수행되었다. 이 실험들이 본 발명의 일정한 특색과 양상을 설명하기에 유용하지만, 그들이 본 발명의 모든 다양한 양상을 모두 설명하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 분야에서 기술을 가진 자에 의해 인정되는 바와 같이, 재료의 선택 및 그 재료들을 결합하기 위해 사용되는 방법과 작동 파라미터(operating parameters)를 포함하여, 이에 한정됨이 없이, 여기에 설명된 실험으로부터의 중요한 변화를 통해 본 발명의 많은 장점이 쉽게 성취될 수 있다. 따라서, 본 발명은 부가된 청구항에 의해 포함되는 모든 그러한 개량 및 그에 상당하는 것을 포함하는 것으로 넓게 해석되어야 한다.A series of experiments were performed to illustrate the apparatus and method of the present invention and to test the joints or seals formed by the present invention. While these experiments are useful for describing certain features and aspects of the present invention, they should not be construed as describing all of the various aspects of the present invention. As will be appreciated by those skilled in the art, including, but not limited to, the selection of materials and the methods and operating parameters used to combine the materials, from the experiments described herein Through significant changes many of the advantages of the present invention can be readily achieved. Accordingly, the present invention should be construed broadly to include all such improvements and equivalents covered by the appended claims.

이 발명은, 예를 들어, 금속 분말, 금속 와이어(metal wire), 메쉬 스크린(mesh screen) 또는 일련의 금속 돌기(metallic protuberances)인, 강화 재료의 사용을 예정하는데, 상기 금속 돌기는 소결되거나, 에칭되거나 또는 기판(substrate) 또는 그 기판에 단단히 고정되고 이어서 밀봉 유리(sealing glass)로 둘러싸일 수 있는 임의의 기타 형태의 금속으로 기계가공된 것이다. 본 발명의 하나의 개념은, 인장(tensile) 또는 전단(shear) 또는 비틀림(torsion) 힘이 상기 조인트에 가해질 때, 그 하중은 상기 강화 재료 및 상기 기판 사이의 금속-금속 합류지점(metal-to-metal joins)으로 전달된다는 점이다. 이 금속-금속 합류지점은 유리-산화물 스케일-금속 계면(glass-oxide scale-metal interfaces)보다 훨씬 높은 하중을 견딜 것이다.This invention contemplates the use of reinforcing materials, for example metal powders, metal wires, mesh screens or a series of metallic protuberances, the metal protrusions being sintered, It is machined from any other form of metal that can be etched or secured to a substrate or substrate and then surrounded by sealing glass. One concept of the present invention is that when a tensile or shear or torsional force is applied to the joint, the load is a metal-to-metal junction between the reinforcing material and the substrate. -metal joins). This metal-to-metal junction will withstand much higher loads than glass-oxide scale-metal interfaces.

본 발명에 의해 형성된 밀봉의 내구성을 시험하기 위하여, 일련의 부품이 결합되었다. 하나의 구체예에서, 보통의 와셔(washer)와 유사하고, 내경이 15 mm이고 외경이 44 mm인 금속 링을 포함하는 제1 부품이, 직경 25 mm인 평면 디스크를 포함하는 제2 부품과 결합되었다. 다양한 금속들이 선택된 후에, 상기 부품들 사이에 유리 형성 재료를 놓고, 상기 유리 형성 재료가 녹을 정도로 충분한 온도에서 충분한 시간 동안 그들을 가열하고, 그에 의해 그들을 유리로 형성시키고 그 유리가 상기 금속 부품의 표면에 접착되도록 함으로써, 다양한 금속들이 서로 결합되었다. 몇몇 실험에서는, 결합을 형성하기 위하여 오직 상기 유리 형성 재료들만 사용되었고, 다른 실험에서는, 대응하는 금속 부품들과 일반적으로 동일한 형상인 스크린이 여기에 설명된 상기 부품에 먼저 용접되었고, 또 다른 실험에서는, 역시 여기에 설명된 추가적인 세라믹이 상기 유리 형성 재료에 역시 추가되었다.In order to test the durability of the seal formed by the present invention, a series of parts were joined. In one embodiment, a first part, similar to a regular washer, comprising a metal ring having an inner diameter of 15 mm and an outer diameter of 44 mm, engages with a second part comprising a flat disk having a diameter of 25 mm. It became. After the various metals have been selected, a glass forming material is placed between the parts, the glass forming material is heated at a temperature sufficient to melt the glass forming material for a sufficient time, thereby forming them into glass and the glass on the surface of the metal part. By allowing them to bond, various metals were bonded together. In some experiments, only the glass forming materials were used to form a bond, and in other experiments, a screen, generally of the same shape as the corresponding metal parts, was first welded to the part described herein, and in another experiment Also, the additional ceramics described herein have also been added to the glass forming material.

두 번째 구체예에서, 상기 금속 링과 일반적으로 동일한 형상의 금속 스크린이 여기에 설명된 상기 부품 및 세라믹 이중층 디스크(bilayer disk)를 포함하는 제2 부품에 먼저 용접되었는데, 상기 세라믹 이중층 디스크는 상기 디스크의 YSZ면에 앞서 설명한 것처럼 유리로 밀봉된 350 ㎛ 두께의 음극 재료에 부착된 8 ㎛ 두께의 YSZ 층으로 공칭하여(nominally) 구성된다. 비교해보면, SOFC 창틀은 금속 지지판, 유리 형성 재료, 및 음극/전해질로 구성된다. SOFC 카세트는 금속 분리판(separator plate)에 (레이저 용접으로) 결합된, 앞서 설명한 창틀로 구성된다. 세라믹 이중층 디스크 시험 시편에 대한 상기 밀봉된 금속 링은 상기 창틀 부재의 밀봉에 근사시키는 반면, 금속 디스크 시편에 대한 상기 밀봉된 금속 링은 상기 카세트 사이의 밀봉에 근사시키는데, 그것은 완전한 SOFC 스택을 형성할 때 사용된다.In a second embodiment, a metal screen generally shaped the same as the metal ring was first welded to a second part comprising the component described herein and the ceramic bilayer disk, the ceramic double layer disk being the disk. It is constructed nominally with an 8 μm thick YSZ layer attached to a 350 μm thick cathode material sealed with glass, as described above on the YSZ plane of. In comparison, SOFC window frames consist of a metal support plate, a glass forming material, and a cathode / electrolyte. The SOFC cassette consists of the window frame described above, which is coupled (by laser welding) to a metal separator plate. The sealed metal ring for the ceramic double layer disc test specimen approximates the seal of the window frame member, while the sealed metal ring for the metal disc specimen approximates the seal between the cassettes, which will form a complete SOFC stack. When used.

그리고 나서, 상기 제1 부품에서 상기 제2 부품까지 전도성 경로(conductive path)가 있는지 여부를 확인하기 위해, 상기 제1 및 제2 부품들을 시험했다. 마지막으로, 상기 밀봉이 부러지고 상기 제2 부품이 "폭발(popped off)", 즉 파단될 때까지 상기 제1 부품의 구멍을 통해 압력을 가했다. 이 파단 강도 시험은 상기 다양한 밀봉 강도의 절대적인 측정을 제공하지는 않지만, 상기 부품에 사용된 다양한 재료와 같은 변수, 즉 상기 강화 재료의 유무 및 상기 유리 형성 재료에 첨가된 상기 세라믹의 유무 등과 비교하면 상기 밀봉의 상대적인 강도를 훌륭히 측정할 수 있다. 표 1은 본 발명의 시험에 사용된 다양한 시험편, 상기 금속 부재, 상기 밀봉 타입 및 상기 세라믹 부재의 예를 요약한 것이다.The first and second parts were then tested to see if there was a conductive path from the first part to the second part. Finally, pressure was applied through the hole in the first part until the seal broke and the second part "popped off", ie broken. This breaking strength test does not provide an absolute measure of the various seal strengths, but compares the same parameters as the various materials used in the part, i.e. the presence of the reinforcing material and the presence or absence of the ceramic added to the glass forming material. The relative strength of the seal can be measured well. Table 1 summarizes examples of various test pieces, the metal member, the sealing type, and the ceramic member used in the test of the present invention.

표 2는 상기 파단 강도 값을 시험 조건의 함수로 요약한 것이다. 모든 강도 값은 제곱인치 당 파운드(psi)로 기록된다. 상기 밀봉 시편들은 여기에 설명된 것처럼 준비된 20 mil 크로퍼-22APU 및 Ni-YSZ/YSZ 이중층을 사용하여 만들어졌다. 밀봉은 825 ℃에서 1 시간 동안 수행된 후, 상온으로 냉각되기 전에 750 ℃에서 4 시간 동안 어닐링(annealing)되었다. 상온에서 750 ℃로 10 분간 가열하고, 750 ℃에서 10 분간 유지 후, 상온으로 40 분간 냉각함으로써 열 순환 시험(thermal cycle testing)이 수행되었다. 노화 시험(age testing (soaking))은 750 ℃의 정 적(static) 공기 중에서 수행되었다.Table 2 summarizes the breaking strength values as a function of test conditions. All strength values are reported in pounds per square inch (psi). The sealed specimens were made using a 20 mil cropper-22APU and Ni-YSZ / YSZ bilayer prepared as described herein. Sealing was performed at 825 ° C. for 1 hour and then annealed at 750 ° C. for 4 hours before cooling to room temperature. Thermal cycle testing was performed by heating at room temperature to 750 ° C. for 10 minutes, holding at 750 ° C. for 10 minutes, and then cooling to room temperature for 40 minutes. Age testing (soaking) was performed in static air at 750 ° C.

"G-18"로 확인된 상기 유리는 약 10 몰% B2O3, 약 35 몰% SiO2, 약 5 몰% Al2O3, 약 35 몰% BaO, 약 15 몰% CaO, 및 바람직한 구체예에 설명된 상기 가열 단계 중에 기화되는 유기 바인더(organic binder)를 포함한다.The glass identified as “G-18” includes about 10 mol% B 2 O 3 , about 35 mol% SiO 2 , about 5 mol% Al 2 O 3 , about 35 mol% BaO, about 15 mol% CaO, and preferred Organic binder vaporized during the heating step described in the embodiments.

실시예로서, 도 1은 본 발명의 시험이 수행되는 방법을 보여준다. 상기 시험은 본질적으로 상기 주요한 연료 전지 부재(component), 즉, 상기 시험 시편으로서 창틀 및 카세트의 축소판을 채용한다. 도 1에 따르면, 금속 와셔(1)는 SOFC의 금속 틀로서 작용한다. 25 mm 직경의 세라믹 이중층 쿠폰(2)(ceramic bi-layer coupon), 즉 금속 디스크는 유리 밀봉(3)에 의해 금속 와셔(1)에 직접 밀봉된다. 비교해 보면, 상기 pSOFC 스택에 사용되는 것과 동일한 구조의 틀(4)은, 직경 15 mm의 중심이 같은 구멍의 외경 44 mm를 나타내는데, 음극으로 지탱되는(anode-supported) 이중층 쿠폰(5)에 유리 밀봉(3)으로 밀봉된다. 실제의 세라믹 pSOFC 셀과 같이, 음극으로 지탱되는 이중층 쿠폰(2 및 5)은 음극으로써 NiO-5YSZ 및 전해질로써 5YSZ로 구성된다. 상기 이중층 쿠폰은 북서태평양국립연구소(Pacific Northwest National Laboratory)에서 개발된 테이프 주조(tape casting) 및 공동 소결(co-sintering) 기술로 제작되었다. 상기 음극 층(anode layer)을 준비하기 위해서, 폴리비닐 부티랄 바인더 및 2-부타논/에틸 알콜 용매의 분산 시스템과 함께, 하루 반 동안 38:25:37 부피 퍼센트 비율에서 NiO(J.T.베이커 사), 5YSZ(지르코니아 세일즈 사), 및 카본 블랙(콜롬비아) 분말이 볼 밀링되었다(ball milled). 슬러리(slurry)는 실 리콘 코팅된 마일라(mylar) 위로 주조되어, 용매가 증발된 후 ~0.4 mm 두께의 테이프를 형성하였다. 상기 전해질 테이프는, 5YSZ를 폴리비닐 부티랄 바인더 및 2-부타논/에틸 알콜의 분산 시스템과 함께 2 일 동안 볼 밀링하고, 약 50 ㎛의 건조 즉시 두께(as-dry thickness)를 갖는 테이프를 형성하기 위해 상기 슬러리를 실리콘 코팅된 마일라 위로 닥터 블레이드 기술(doctor blade technique)에 의해 주조함으로써, 준비되었다. 그리고 나서, 상기 음극 및 전해질 테이프는 100 × 100 mm 크기의 파일(pile)로 레이저 절단되었다. 다수의 음극 테이프 파일이 한 겹의 상기 전해질 테이프와 함께 서로 적층되어 열과 압력이 가해져서 하나의 녹색 이중층 테이프를 형성하였다. 직경이 30 mm인 디스크가 원형 핫 나이프(circular hot knife)를 이용하여 상기 적층 테이프로부터 절단된다. 그리고 나서, 상기 녹색 부품은 1350 ℃ 공기 중에서 1 시간 동안 소결되어, 공칭(nominal) 직경이 25 mm이고 공칭 두께가 600 ㎛이며 평균 전해질 두께가 ~8 ㎛인 마감된(finished) 이중층 부재를 산출했다.As an example, Figure 1 shows how the tests of the present invention are performed. The test essentially employs the principal fuel cell component, i.e., the thumbnail of the window frame and cassette as the test specimen. According to FIG. 1, the metal washer 1 acts as a metal mold of the SOFC. A 25 mm diameter ceramic bi-layer coupon 2, ie a metal disk, is sealed directly to the metal washer 1 by a glass seal 3. In comparison, the framework 4 of the same structure as used for the pSOFC stack exhibits an outer diameter of 44 mm with a center of 15 mm in diameter, which is advantageous for an anode-supported double layer coupon 5. Sealed with a seal (3). Like the actual ceramic pSOFC cell, the double layer coupons 2 and 5 carried by the cathode consist of NiO-5YSZ as the cathode and 5YSZ as the electrolyte. The double layer coupons were produced by tape casting and co-sintering techniques developed at the Pacific Northwest National Laboratory. To prepare the anode layer, NiO (JT Baker) at a 38:25:37 volume percent ratio for a day and a half, with a dispersion system of polyvinyl butyral binder and 2-butanone / ethyl alcohol solvent , 5YSZ (Zirconia Sales, Inc.), and carbon black (Colombia) powder were ball milled. The slurry was cast over a silicon coated mylar to form a tape of ˜0.4 mm thick after the solvent evaporated. The electrolyte tape ball milled 5YSZ with a polyvinyl butyral binder and a 2-butanone / ethyl alcohol dispersion system for 2 days to form a tape having an as-dry thickness of about 50 μm. The slurry was prepared by casting the slurry onto a silicone coated mylar by the doctor blade technique. The negative and electrolyte tapes were then laser cut into piles of 100 × 100 mm size. A plurality of negative electrode tape piles were stacked together with one layer of the above electrolyte tape to apply heat and pressure to form one green double layer tape. A disk 30 mm in diameter is cut from the laminated tape using a circular hot knife. The green part was then sintered in air at 1350 ° C. for 1 hour, yielding a finished bilayer member having a nominal diameter of 25 mm, a nominal thickness of 600 μm and an average electrolyte thickness of ˜8 μm. .

링과 디스크 제작에 채용된 상기 금속 재료는, 다르게 특정되지 않으면, 어닐링 즉시 상태(as-annealed condition)에서 두께가 300 ㎛인 시트로 얻어진다. 평평한 와셔 모양 및 디스크 모양의 시편은 상기 시트로부터 전기 방전 기계가공(electrical discharge machining)을 통해 절단되고 상기 밀봉 표면은 공칭 10 ㎛ 다이아몬드 그리트(grit) 마무리로 광택을 내고, 이온이 제거된 물을 뿌려서 상기 그리트를 제거하고, 아세톤에서 10 분간 초음파 세척하고, 사용 전에 메탄올로 닦는다. 예를 들어 상기 링 및 디스크 조각과 공칭상 동일한 크기와 구조를 갖는 금속 스크린인, 강화 재료가 상응하는 평평한 금속 부품으로 절단되고 점 용접(spot welding)되어 상기 밀봉에서의 유리 매트릭스를 위한 강화 표면을 형성한다.The metal materials employed in the manufacture of rings and discs are obtained as sheets with a thickness of 300 μm in as-annealed conditions, unless otherwise specified. The flat washer and disc shaped specimens were cut from the sheet by electrical discharge machining and the sealing surface was polished to a nominal 10 μm diamond grit finish and sprayed with deionized water. The grit is removed, sonicated for 10 minutes in acetone and washed with methanol before use. The reinforcing material, for example a metal screen nominally the same size and structure as the ring and disc pieces, is cut and spot welded into corresponding flat metal parts to form a reinforcing surface for the glass matrix in the seal. Form.

예를 들어 G-18로 칭하는, 상기 유리 밀봉 조성은 기업 내에서 디자인된 바륨 칼륨 알루미노실리케이트로서 하기 산화물의 혼합물로부터 최초에 녹은 유리를 기초로 한다: 10 몰% B2O3, 35 몰% SiO2, 5 몰% Al2O3, 35 몰% BaO, 및 15 몰% CaO. 상기 G-18 분말은 평균 입자 크기 ~20 ㎛로 분쇄되고 폴리비닐 부티랄 바인더 시스템과 혼합되어, 자동 주사 분배기(automatic syringe dispenser)를 사용하여 0.075 g/linear cm의 일정한 속도로 기판 표면으로 분배될 수 있는 페이스트(paste)를 형성한다. 이 방법으로, 상기 유리 페이스트는 이중층 디스크의 YSZ 면 또는 금속 디스크의 강화 재료 면으로 분배된다. 그리고 나서, 각 디스크는 와셔 시편에 중심이 일치되어 배치되고, 50 g의 중량이 걸리고, 하기 밀봉 스케줄에 따라 공기 중에서 가열된다: 상온에서 850 ℃로 10 ℃/min으로 가열하고, 850 ℃에서 1시간 동안 유지되고, 850 ℃ 까지 5 ℃/min으로 냉각하고, 750 ℃에서 4 시간 동안 유지 후, 상온까지 5 ℃/min으로 냉각한다.The glass sealing composition, referred to as G-18, for example, is based on glass initially melted from a mixture of the following oxides of barium potassium aluminosilicate designed in the industry: 10 mol% B 2 O 3 , 35 mol% SiO 2 , 5 mol% Al 2 O 3 , 35 mol% BaO, and 15 mol% CaO. The G-18 powder was ground to an average particle size ˜20 μm and mixed with a polyvinyl butyral binder system to be dispensed onto the substrate surface at a constant rate of 0.075 g / linear cm using an automatic syringe dispenser. To form a paste. In this way, the glass paste is dispensed to the YSZ side of the double layer disc or the reinforcing material side of the metal disc. Each disc is then placed centered on the washer specimen, weighed 50 g, and heated in air according to the following sealing schedule: heated to 850 ° C. at 10 ° C./min at room temperature and 1 at 850 ° C. It is maintained for hours, cooled to 5 ℃ / min to 850 ℃, and held for 4 hours at 750 ℃, then cooled to 5 ℃ / min to room temperature.

도 2에 나타난 것과 같이, 상기 SOFC 카세트는 상기 SOFC 스택의 반복 단위이다. 그것은 금속 틀(12)로 밀봉된 세라믹 PEN(10)(양극 층이 적용된 이중층)으로 구성되어, 앞서 설명한 창틀을 형성하는데, 이는 금속 분리판(14)에 (레이저 용접으로) 결합된다. GFM 개념에서는, 상기 강화 재료(16)(예를 들어 메쉬)는 각 카세 트의 밀봉 표면에 먼저 결합되어 있고, 각 매니폴드 개구(18)(manifold opening) 주위의 표면 및 상기 카세트(20)의 외부 표면을 포함한다. 카세트 사이에 전기적 절연을 확실하게 하기 위해서 일반적으로 세라믹 스페이서(spacer) 재료(섬유, 구체(spheres), 미립자 등)을 포함하는, 유리 형성 재료(22)가 인접한 카세트를 서로 완전히 밀봉하기 위해 사용된다. 상기 카세트의 전체 스택은 일반적으로 한번의 밀봉 작업으로 결합된다.As shown in FIG. 2, the SOFC cassette is a repeating unit of the SOFC stack. It consists of a ceramic PEN 10 (double layer with an anode layer applied) sealed with a metal mold 12 to form the window frame described above, which is bonded (by laser welding) to the metal separator 14. In the GFM concept, the reinforcing material 16 (eg mesh) is first bonded to the sealing surface of each cassette, and the surface around each manifold opening 18 and of the cassette 20 External surface. In order to ensure electrical insulation between the cassettes, glass forming materials 22, including ceramic spacer materials (fibers, spheres, particulates, etc.) are generally used to completely seal adjacent cassettes to each other. . The entire stack of cassettes is generally combined in one sealing operation.

파단 시험에 사용되는 실험의 개략도가 도 3에 도시되어있다. 시험 샘플이 바닥 플랜지(30)(bottom flange) 및 꼭대기 플랜지(32)(top flange)로 구성된 고정물(fixture) 안에 놓여지고, 연결장치(34)가 상기 두 플랜지(30, 32)를 고정시키고 중심에 두고, O-링(36)이 상기 와셔의 바닥 표면에 대하여 압착한다. 공기 라인(40)을 따라 펌핑된 압축 공기가 최대로 평가되는 압력인 150 psi까지 상기 와셔 시편의 뒷면에 압력을 가하기 위해 사용된다. 디지털 조절기(38)(digital regulator)는 결합된 이중층 디스크(33) 뒷편으로 주어진 설정 값까지 압력을 천천히 증가하게 한다. 이 압축 기체의 부피는 상기 시편과 밸브 사이에 고립될 수 있어서, 압력 감소에 의한 상기 밀봉에서의 누출 확인을 가능하게 할 수 있다. 이렇게, 상기 장치는 상기 밀봉의 파괴를 야기하지 않고 주어진 밀봉의 구성(configuration)의 기밀성을 측정하는 데 사용될 수 있다. 반대로, 압력을 시편이 파단되는 점까지 증가시킴으로써, 상기 시편이 견딜 수 있는 최대 압력을 압력 게이지(42)를 사용하여 측정할 수 있다. 각 결합 조건을 위해 최소 6개 시편을 시험하였다.A schematic of the experiment used for the fracture test is shown in FIG. 3. The test sample is placed in a fixture consisting of a bottom flange 30 and a top flange 32, and a connector 34 fixes and centers the two flanges 30, 32. On, the O-ring 36 is pressed against the bottom surface of the washer. Compressed air pumped along air line 40 is used to apply pressure to the backside of the washer specimen up to 150 psi, the maximum rated pressure. A digital regulator (38) causes the pressure to slowly increase to a given set value behind the coupled double layer disk (33). The volume of this compressed gas can be isolated between the specimen and the valve, allowing for leak checking in the seal due to pressure reduction. In this way, the device can be used to measure the airtightness of a given seal's configuration without causing breakage of the seal. Conversely, by increasing the pressure to the point at which the specimen breaks, the maximum pressure that the specimen can withstand can be measured using the pressure gauge 42. At least six specimens were tested for each binding condition.

도 1에 따른 시편 구성. 모든 금속 기판은 20 mil 두께이다.Specimen configuration according to FIG. 1. All metal substrates are 20 mils thick. 시편Psalter 링 부재Ring member 밀봉 타입Sealing type 디스크 부재Disc member 430-G18T-Bi430-G18T-Bi 430 스테인리스 강430 stainless steel 링 모양으로 제단된 얇은 주조 테이프(유기 바인더를 사용하여 준비됨)로써 적용된, G-18 유리G-18 glass, applied as a thin cast tape (prepared with an organic binder) cut into ring shapes NiO-YSZ 음극이 지지된 이중층Double Layer Supported by NiO-YSZ Cathode 430-G18T-APU430-G18T-APU 430 스테인리스 강430 stainless steel G-18 테이프(상동)G-18 tape (same as above) 크로퍼-22 APUCroper-22 APU 430-G18DF-Bi430-G18DF-Bi 430 스테인리스 강430 stainless steel 페이스트(YSZ 섬유 8% 함유)로서 조제된 G-18 유리G-18 glass prepared as paste (containing 8% YSZ fiber) NiO-YSZ 음극이 지지된 이중층Double Layer Supported by NiO-YSZ Cathode OxAPU-G18T-BiOxAPU-G18T-Bi 밀봉 전에 800 ℃에서 2 시간 동안 산화된 크로퍼-22 APUOxidized Croper-22 APU at 800 ° C. for 2 hours before sealing G-18 테이프(상동)G-18 tape (same as above) NiO-YSZ 음극이 지지된 이중층Double Layer Supported by NiO-YSZ Cathode APU-G18DGFM-BiAPU-G18DGFM-Bi 점 용접된 크로퍼-22 APU 메쉬(100×100 평직(plain weave), 와이어 직경 0.006")가 있는 크로퍼-22 APU 기판Cropper-22 APU board with spot-welded cropper-22 APU mesh (100 × 100 plain weave, wire diameter 0.006 ") 페이스트(YSZ 섬유 8% 함유)로서 조제된 G-18 유리G-18 glass prepared as paste (containing 8% YSZ fiber) NiO-YSZ 음극이 지지된 이중층Double Layer Supported by NiO-YSZ Cathode APU-G18DGFM- APUAPU-G18DGFM- APU 점 용접된 크로퍼-22 APU 메쉬(100×100 평직, 와이어 직경 0.006")가 있는 크로퍼-22 APU 기판Cropper-22 APU Board with Spot Welded Croper-22 APU Mesh (100 × 100 Plain Weave, Wire Diameter 0.006 ") 페이스트(YSZ 섬유 8% 함유)로서 조제된 G-18 유리G-18 glass prepared as paste (containing 8% YSZ fiber) 점 용접된 크로퍼-22 APU 메쉬(100×100 평직, 와이어 직경 0.006")가 있는 크로퍼-22 APU 기판Cropper-22 APU Board with Spot Welded Croper-22 APU Mesh (100 × 100 Plain Weave, Wire Diameter 0.006 ")

밀봉 타입Sealing type 시험 조건Exam conditions 평균 강도Average intensity 최소 강도Strength 최대 강도Strength 430-G18T-Bi430-G18T-Bi 밀봉 즉시Sealed immediately 2323 1818 2727 430-G18T-Bi430-G18T-Bi 열 순환 3회3 thermal cycles 2121 1414 2828 430-G18T-APU430-G18T-APU 밀봉 즉시Sealed immediately 3333 2828 3838 430-G18T-APU430-G18T-APU 열 순환 3회3 thermal cycles 2525 2121 2727 430-G18DF-Bi430-G18DF-Bi 밀봉 즉시Sealed immediately 2121 1515 3131 430-G18DF-Bi430-G18DF-Bi 열 순환 5회5 thermal cycles 1717 99 2727 OxAPU-G18T-BiOxAPU-G18T-Bi 밀봉 즉시Sealed immediately 2929 2323 4343 OxAPU-G18T-BiOxAPU-G18T-Bi 열 순환 5회5 thermal cycles 1818 1313 2323 APU-G18DGFM-BiAPU-G18DGFM-Bi 밀봉 즉시Sealed immediately 121121 8787 132** 132 ** APU-G18DGFM-BiAPU-G18DGFM-Bi 열 순환 5회5 thermal cycles 129129 114114 134** 134 ** APU-G18DGFM-BiAPU-G18DGFM-Bi 열 순환 10회10 thermal cycles 128128 114114 134** 134 ** APU-G18DGFM-BiAPU-G18DGFM-Bi 열 노화 100 시간100 hours of heat aging 124124 110110 134** 134 ** APU-G18DGFM-APUAPU-G18DGFM-APU 밀봉 즉시Sealed immediately 133133 132** 132 ** 136** 136 ** APU-G18DGFM-APUAPU-G18DGFM-APU 열 순환 5회5 thermal cycles 133133 131** 131 ** 135** 135 ** APU-G18DGFM-APUAPU-G18DGFM-APU 열 순환 10회10 thermal cycles 134134 131** 131 ** 136** 136 ** APU-G18DGFM-APUAPU-G18DGFM-APU 열 노화 100 시간100 hours of heat aging 133133 132** 132 ** 136** 136 **

본 발명의 시스템 및 방법에서, 그것의 기초적인 가르침에 벗어남이 없이 다양한 변경, 첨가 또는 삭제가 구체화될 수 있다는 점은 명백하다. 또한, 여기에 설명된 상기 다양한 요소 및 단계는 바람직한 구체예로 현재 고려되는 구체예의 예시이고, 이들의 동등물을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.In the systems and methods of the present invention, it is evident that various changes, additions or deletions can be made without departing from the basic teaching thereof. In addition, the various elements and steps described herein are illustrative of the embodiments currently contemplated as preferred embodiments and should be construed to include equivalents thereof.

Claims (40)

a. 제1 금속 부품 및 제2 부품을 제공하는 단계;a. Providing a first metal part and a second part; b. 상기 금속 부품에 강화 재료를 부착하는 단계;b. Attaching a reinforcing material to the metal part; c. 상기 제1 금속 부품 및 상기 제2 부품 사이에 배열된 유리 형성 재료(glass forming material)를 제공하는 단계; 및c. Providing a glass forming material arranged between the first metal part and the second part; And d. 상기 유리 형성 재료가 상기 강화 재료에 침투하여, 상기 강화 재료의 적어도 일부를 캡슐화(encapsulating)하고 상기 강화 재료의 적어도 일부에 결합하고, 더 나아가 상기 제1 금속 부품 및 상기 제2 부품 사이에 기밀성 밀봉(gas tight seal)을 형성하도록 상기 제2 부품, 상기 강화 재료, 및 상기 유리 형성 재료를 가열하는 단계d. The glass forming material penetrates into the reinforcing material, encapsulating at least a portion of the reinforcing material and bonding to at least a portion of the reinforcing material, further sealing an airtight between the first metal part and the second part. heating the second component, the tempered material, and the glass forming material to form a gas tight seal 를 포함하는 밀봉 제조 방법.Seal manufacturing method comprising a. 청구항 1에 있어서, 상기 금속 부품들은 고온 스테인리스 강 및 고온 초합금(superalloy)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the metal parts are selected from the group consisting of high temperature stainless steel and high temperature superalloy. 청구항 2에 있어서, 상기 고온 스테인리스 강은 듀라포일(알파-4)(Durafoil (alpha-4)), 페크랄로이(Fecralloy), 알루미나로 코팅된 스테인리스 강 및 크로퍼-22APU(Crofer-22APU)로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.The stainless steel of claim 2 wherein the high temperature stainless steel is Durafoil (alpha-4), Fecralloy, stainless steel coated with alumina, and Crofer-22APU. Method selected from the group consisting of. 청구항 2에 있어서, 상기 고온 초합금은 하이네스 214(Haynes 214), 니크로퍼 6025(Nicrofer 6025), 및 듀크랄로이(Ducralloy)로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 2, wherein the high temperature superalloy is selected from the group consisting of Haynes 214, Nicrofer 6025, and Ducralloy. 청구항 1에 있어서, 상기 밀봉은 약 0.1 mm 내지 2 mm 범위 내의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the seal has a thickness in the range of about 0.1 mm to 2 mm. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 금속 부품 및 상기 제2 부품 사이에 병렬로 배치된 상기 유리 형성 재료에 세라믹 재료를 추가하는 단계를 더 포함하여, 그로 인해 상기 제1 금속 부품 및 상기 제2 부품 사이에 절연 장벽(insulating barrier)을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.2. The method of claim 1, further comprising adding a ceramic material to the glass forming material disposed in parallel between the first metal part and the second part, thereby between the first metal part and the second part. Forming an insulating barrier in the substrate. 청구항 6에 있어서, 상기 세라믹 재료는 지르코니아, 안정화된 지르코니아, 알루미나 및 산화 마그네슘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 6, wherein the ceramic material is selected from the group consisting of zirconia, stabilized zirconia, alumina and magnesium oxide. 청구항 1에 있어서, 상기 유리 형성 재료는 약 10 몰% B2O3, 약 35 몰% SiO2, 약 5 몰% Al2O3, 약 35 몰% BaO, 약 15 몰% CaO, 및 상기 가열 단계 중에 기화되는 유기 바인더(organic binder)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.The glass forming material of claim 1, wherein the glass forming material comprises about 10 mol% B 2 O 3 , about 35 mol% SiO 2 , about 5 mol% Al 2 O 3 , about 35 mol% BaO, about 15 mol% CaO, and the heating. And an organic binder which is vaporized during the step. 청구항 1에 있어서, 상기 제2 부품은 금속 부품인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the second part is a metal part. 청구항 1에 있어서, 상기 제2 부품은 세라믹 부품인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the second part is a ceramic part. 제1 금속 부품 및 제2 부품 사이의 조인트(joint)로서,As a joint between the first metal part and the second part, a. 강화 재료가 부착된 제1 금속 부품,a. A first metal part with reinforcing material attached, b. 제2 부품, 및b. A second component, and c. 유리 밀봉(glass seal)으로서, 한쪽에서 상기 제1 금속 부품에 결합되고 반대쪽에서 상기 제2 부품에 결합되며, 상기 유리가 상기 강화 재료의 적어도 일부를 캡슐화(encapsulate)하고 상기 강화재료의 적어도 일부에 결합하고 상기 제1 금속 부품 및 상기 제2 부품 사이에 기밀성 밀봉을 형성하는 유리 밀봉,c. A glass seal, bonded to the first metal part on one side and to the second part on the other side, wherein the glass encapsulates at least a portion of the reinforcing material and at least a portion of the reinforcing material. A glass seal that bonds and forms an airtight seal between the first metal part and the second part, 을 포함하는 조인트.Joint comprising a. 청구항 11에 있어서, 상기 금속 부품은 고온 스테인리스 강 및 고온 초합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 조인트.The joint according to claim 11, wherein the metal part is selected from the group consisting of high temperature stainless steel and high temperature superalloy. 청구항 12에 있어서, 상기 고온 스테인리스 강은 듀라포일(알파-4), 페크랄로이, 알루미나로 코팅된 스테인리스 강 및 크로퍼-22APU로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 조인트.The joint of claim 12, wherein the high temperature stainless steel is selected from the group consisting of Durafoil (alpha-4), pecralloy, stainless steel coated with alumina, and Croper-22APU. 청구항 12에 있어서, 상기 고온 초합금은 하이네스 214, 니크로퍼 6025, 및 듀크랄로이로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 조인트.13. The joint of claim 12, wherein the high temperature superalloy is selected from the group consisting of highness 214, nickroper 6025, and ducralloy. 청구항 11에 있어서, 상기 밀봉은 약 0.1 mm 내지 2 mm 범위 내의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 조인트.The joint of claim 11, wherein the seal has a thickness in the range of about 0.1 mm to 2 mm. 청구항 11에 있어서, 상기 제1 금속 부품 및 상기 제2 금속 부품 사이에 병렬로 배치된 세라믹 재료를 더 포함하여, 그로 인해, 상기 유리 형성 재료로부터 형성되는 유리와 일체로 된, 상기 제2 부품 및 상기 제1 금속 부품 사이에 절연 장벽을 형성하는 것을 특징으로 하는 조인트.12. The method of claim 11, further comprising a ceramic material disposed in parallel between the first metal part and the second metal part, whereby the second part is integral with glass formed from the glass forming material; A joint formed between said first metal component. 청구항 16에 있어서, 상기 세라믹 재료는 지르코니아, 안정화된 지르코니아, 알루미나 및 산화 마그네슘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 조인트.The joint of claim 16 wherein the ceramic material is selected from the group consisting of zirconia, stabilized zirconia, alumina and magnesium oxide. 청구항 11에 있어서, 상기 유리는 약 10 몰% B2O3, 약 35 몰% SiO2, 약 5 몰% Al2O3, 약 35 몰% BaO, 및 약 15 몰% CaO를 포함하는 것을 특징으로 하는 조인트.The glass of claim 11, wherein the glass comprises about 10 mol% B 2 O 3 , about 35 mol% SiO 2 , about 5 mol% Al 2 O 3 , about 35 mol% BaO, and about 15 mol% CaO. Joint to be made. 청구항 11에 있어서, 상기 제2 부품은 금속 부품인 것을 특징으로 하는 조인트.12. The joint of claim 11 wherein said second part is a metal part. 청구항 11에 있어서, 상기 제2 부품은 세라믹 부품인 것을 특징으로 하는 조인트.12. The joint of claim 11 wherein said second component is a ceramic component. 고체 산화물 연료 전지 내의 절연 조인트로서,As an insulated joint in a solid oxide fuel cell, a. 적어도 제1 금속 부품 및 제2 부품을 가지는 고체 산화물 연료 전지,a. A solid oxide fuel cell having at least a first metal part and a second part, b. 강화 재료가 부착된 상기 제1 금속 부품, 및b. The first metal part to which the reinforcing material is attached, and c. 유리 밀봉으로서, 한쪽에서 상기 제1 금속 부품에 결합되고 반대쪽에서 상기 제2 부품에 결합되며, 상기 유리가 상기 강화 재료의 적어도 일부를 캡슐화하고 상기 강화 재료의 적어도 일부에 결합하는 것인, 유리 밀봉,c. Glass seal, wherein the glass seal is coupled to the first metal part on one side and to the second part on the other side, wherein the glass encapsulates at least a portion of the reinforcement material and binds to at least a portion of the reinforcement material. , 을 포함하는 조인트.Joint comprising a. 청구항 21에 있어서, 상기 금속 부품은 고온 스테인리스 강 및 고온 초합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 조인트.The joint according to claim 21, wherein the metal part is selected from the group consisting of high temperature stainless steel and high temperature superalloy. 청구항 22에 있어서, 상기 고온 스테인리스 강은 듀라포일(알파-4), 페크랄로이, 알루미나로 코팅된 스테인리스 강 및 크로퍼-22APU로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 조인트.The joint according to claim 22, wherein the high temperature stainless steel is selected from the group consisting of Durafoil (alpha-4), pecralloy, stainless steel coated with alumina and Croper-22APU. 청구항 22에 있어서, 상기 고온 초합금은 하이네스 214, 니크로퍼 6025, 및 듀크랄로이로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 조인트.23. The joint of claim 22, wherein the high temperature superalloy is selected from the group consisting of highness 214, nickroper 6025, and ducralloy. 청구항 21에 있어서, 상기 밀봉은 약 0.1 mm 내지 2 mm 범위 내의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 조인트.The joint of claim 21 wherein the seal has a thickness in the range of about 0.1 mm to 2 mm. 청구항 21에 있어서, 상기 제1 금속 부품 및 상기 제2 부품 사이에 병렬로 배치된 세라믹 재료를 더 포함하여, 그로 인해, 상기 유리 형성 재료로부터 형성되는 유리와 일체로 된, 상기 제2 부품 및 상기 제1 금속 부품 사이에 절연 장벽을 형성하는 것을 특징으로 하는 조인트.22. The method of claim 21, further comprising a ceramic material disposed in parallel between the first metal part and the second part, whereby the second part and the one being integral with glass formed from the glass forming material. And forming an insulating barrier between the first metal parts. 청구항 26에 있어서, 상기 세라믹 재료는 지르코니아, 안정화된 지르코니아, 알루미나 및 산화 마그네슘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 조인트.The joint of claim 26 wherein the ceramic material is selected from the group consisting of zirconia, stabilized zirconia, alumina and magnesium oxide. 청구항 21에 있어서, 상기 유리는 약 10 몰% B2O3, 약 35 몰% SiO2, 약 5 몰% Al2O3, 약 35 몰% BaO, 및 약 15 몰% CaO를 포함하는 것을 특징으로 하는 조인트.The glass of claim 21, wherein the glass comprises about 10 mol% B 2 O 3 , about 35 mol% SiO 2 , about 5 mol% Al 2 O 3 , about 35 mol% BaO, and about 15 mol% CaO. Joint to be made. 청구항 21에 있어서, 상기 제2 부품은 금속 부품인 것을 특징으로 하는 조인트.The joint of claim 21 wherein the second part is a metal part. 청구항 21에 있어서, 상기 제2 부품은 세라믹 부품인 것을 특징으로 하는 조인트.The joint of claim 21 wherein the second part is a ceramic part. a. 제1 금속 부품 및 제2 부품을 제공하는 단계;a. Providing a first metal part and a second part; b. 상기 금속 부품에 강화 재료를 부착하는 단계;b. Attaching a reinforcing material to the metal part; c. 상기 제1 금속 부품 및 상기 제2 부품 사이에 배열된 유리 형성 재료 내에 분산된 YSZ 구(YSZ spheres)를 제공하는 단계; 및c. Providing YSZ spheres dispersed in a glass forming material arranged between the first metal part and the second part; And d. 상기 유리 형성 재료가 상기 강화 재료에 침투하여, 상기 강화 재료의 적어도 일부를 캡슐화하고 상기 강화 재료의 적어도 일부에 결합하고, 더 나아가 상기 제1 금속 부품 및 상기 제2 부품 사이에 기밀성 밀봉을 형성하도록 상기 제1 금속 부품, 상기 제2 부품, 상기 강화 재료, 및 상기 유리 형성 재료를 가열하는 단계d. The glass forming material penetrates into the reinforcing material to encapsulate at least a portion of the reinforcing material and couple to at least a portion of the reinforcing material, further forming an airtight seal between the first metal part and the second part. Heating the first metal part, the second part, the reinforcing material, and the glass forming material. 를 포함하는 금속-세라믹 밀봉(metal-to-ceramic seals) 제조 방법.Metal-to-ceramic seals manufacturing method comprising a. 청구항 31에 있어서, 상기 금속 부품은 고온 스테인리스 강 및 고온 초합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.32. The method of claim 31, wherein the metal part is selected from the group consisting of high temperature stainless steel and high temperature superalloy. 청구항 32에 있어서, 상기 고온 스테인리스 강은 듀라포일(알파-4), 페크랄로이, 알루미나로 코팅된 스테인리스 강 및 크로퍼-22APU로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 32, wherein the high temperature stainless steel is selected from the group consisting of durafoil (alpha-4), pecralloy, stainless steel coated with alumina, and Croper-22APU. 청구항 32에 있어서, 상기 고온 초합금은 하이네스 214, 니크로퍼 6025, 및 듀크랄로이로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.33. The method of claim 32, wherein the high temperature superalloy is selected from the group consisting of highness 214, nicroper 6025, and ducralloy. 청구항 31에 있어서, 상기 밀봉은 약 0.1 mm 내지 2 mm 범위 내의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 31, wherein the seal has a thickness in the range of about 0.1 mm to 2 mm. 청구항 31에 있어서, 상기 제1 금속 부품 및 상기 제2 부품 사이에 병렬로 배치된 상기 유리 형성 재료에 세라믹 재료를 추가하는 단계를 더 포함하여, 그로 인해, 상기 유리 형성 재료로부터 형성되는 유리와 일체로 된, 상기 제2 부품 및 상기 제1 금속 부품 사이에 절연 장벽을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.32. The method of claim 31, further comprising adding a ceramic material to the glass forming material disposed in parallel between the first metal part and the second part, thereby integrally with the glass formed from the glass forming material. Forming an insulating barrier between the second component and the first metal component. 청구항 36에 있어서, 상기 세라믹 재료는 지르코니아, 안정화된 지르코니아, 알루미나 및 산화 마그네슘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.37. The method of claim 36, wherein the ceramic material is selected from the group consisting of zirconia, stabilized zirconia, alumina and magnesium oxide. 청구항 31에 있어서, 상기 유리 형성 재료는 약 10 몰% B2O3, 약 35 몰% SiO2, 약 5 몰% Al2O3, 약 35 몰% BaO, 약 15 몰% CaO, 및 상기 가열 단계 중에 기화되는 유기 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 31, wherein the glass forming material comprises about 10 mol% B 2 O 3 , about 35 mol% SiO 2 , about 5 mol% Al 2 O 3 , about 35 mol% BaO, about 15 mol% CaO, and the heating. A method comprising the organic binder vaporized during the step. 청구항 31에 있어서, 상기 제2 부품은 금속 부품인 것을 특징으로 하는 방법.32. The method of claim 31, wherein the second part is a metal part. 청구항 31에 있어서, 상기 제2 부품은 세라믹 부품인 것을 특징으로 하는 방법.32. The method of claim 31, wherein the second part is a ceramic part.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080290138A1 (en) * 2007-05-22 2008-11-27 David Myron Lineman Method for bonding refractory ceramic and metal
US7691488B2 (en) 2007-06-11 2010-04-06 Battelle Memorial Institute Diffusion barriers in modified air brazes
KR101046233B1 (en) * 2009-10-12 2011-07-04 주식회사 루트제이드 Containers of energy storage
US9296644B2 (en) 2010-02-15 2016-03-29 Schott Ag High-temperature glass solder and its uses
DE102010035251B4 (en) * 2010-02-15 2013-09-26 Schott Ag High-temperature glass solder and its use
WO2012128307A1 (en) * 2011-03-24 2012-09-27 株式会社村田製作所 Bonding material for solid oxide fuel cell, solid oxide fuel cell and solid oxide fuel cell module
WO2012133086A1 (en) * 2011-03-25 2012-10-04 株式会社村田製作所 Bonding member for solid oxide fuel cell, solid oxide fuel cell, and solid oxide fuel cell module
WO2012133087A1 (en) * 2011-03-30 2012-10-04 株式会社村田製作所 Bonding member for solid oxide fuel cell, solid oxide fuel cell, and solid oxide fuel cell module
JP5705636B2 (en) * 2011-04-26 2015-04-22 日本特殊陶業株式会社 Solid oxide fuel cell
JP5686190B2 (en) * 2011-07-21 2015-03-18 株式会社村田製作所 Joining material for solid oxide fuel cell, method for producing solid oxide fuel cell, method for producing solid oxide fuel cell module, solid oxide fuel cell and solid oxide fuel cell module
EP2875537B1 (en) * 2012-07-23 2021-09-01 MO-SCI Corporation Viscous sealing glass compositions in a solid oxide fuel cell
US9208929B2 (en) 2013-09-20 2015-12-08 Schott Corporation GTMS connector for oil and gas market
US20160096771A1 (en) * 2014-10-01 2016-04-07 Saint-Gobain Ceramics And Plastics, Inc. Methods of forming a glass composition
EP3650415B1 (en) * 2018-11-07 2024-02-07 Schott Ag Joint connection comprising a crystallised glass, its use, crystallisable and at least partially crystallised glass and its use

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0982274A3 (en) * 1998-08-14 2000-08-02 Corning Incorporated Sealing frits
JP2003206184A (en) * 1998-08-26 2003-07-22 Ngk Insulators Ltd Jointed body, high-pressure discharge lamp and method for producing the same
DE69940420D1 (en) * 1998-12-15 2009-04-02 Topsoe Fuel Cell As Heat-resistant sealing material
US6541146B1 (en) * 2000-11-07 2003-04-01 Hybrid Power Generation Systems, Llc Composite sealant materials based on reacting fillers for solid oxide fuel cells
DE10135235C2 (en) * 2001-07-24 2003-05-28 Forschungszentrum Juelich Gmbh Process for producing a gas-tight connection between a metallic and a ceramic substrate
KR100590968B1 (en) * 2004-01-05 2006-06-19 현대자동차주식회사 Sealing materials containing glass/ceramic fibers for solid oxide fuel cell and its preparing method

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