KR20100098556A - 연료 전지용 다층 유리-세라믹 밀봉재 - Google Patents

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쥘르 끄헬
샤일렌드라 에스. 빠리하르
조지 케이. 파커
패트릭 가르니에
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생-고뱅 세라믹스 앤드 플라스틱스, 인코포레이티드
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Abstract

연료 전지는 세라믹 구성요소 및 밀봉 구성요소를 포함한다. 밀봉 구성요소는 세라믹 구성요소 위의 제1 유리-세라믹 층 및 제1 유리-세라믹 층 위의 제2 유리-세라믹 층을 포함하며, 제1 및 제2 유리-세라믹 층 각각은 독립적으로 부피를 기준으로 약 0.5% 내지 약 50%의 유리상(glass phase) 함량을 포함한다. 제1 유리-세라믹 층은 제2 유리-세라믹 층보다 더 높은 유리상 함량을 포함하며, 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 10%의 유리 안정제 성분을 포함한다. 연료 전지의 세라믹 구성요소의 밀봉 방법에서는, 제1 코트가 연료 전지의 제1 세라믹 구성요소 위에 적용되며, 이때, 제1 코트는 SiO2를 포함하고, 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 10%의 유리 안정제 성분을 추가로 포함한다. 제2 코트는 제1 코트 위에 적용되며, 이때, 제2 코트는 SiO2를 포함한다. 제1 및 제2 코트는 가열되어 밀봉 구성요소를 형성하고, 이에 의해, 밀봉 구성요소로 세라믹 구성요소를 밀봉한다. 밀봉 구성요소의 특징은 전술된 바와 같다.

Description

연료 전지용 다층 유리-세라믹 밀봉재{MULTILAYER GLASS-CERAMIC SEALS FOR FUEL CELLS}
관련 출원
본 출원은 2007년 12월 21일자로 출원된 미국 가출원 제61/008,650호의 이득을 주장하며, 이의 교시 내용 전체는 본 명세서에 참조로 포함된다.
배경기술
연료 전지는 화학 반응에 의해 전기를 발생시키는 디바이스이다. 전형적으로, 연료 전지에서는, 산소 기체, 예를 들어 O2는 캐소드에서 산소 이온(O2 -)으로 환원되고, 연료 기체, 예를 들어 H2는 산소 이온에 의해 산화되어 애노드에서 물을 형성한다. 연료 전지의 다양한 유형 중에서도, 고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell, SOFC)가 연료 전지의 구성요소, 예를 들어 애노드, 캐소드, 전해질, 및 상호접속체(interconnect)를 형성하기 위해서 금속 산화물(예를 들어, 칼슘 또는 지르코늄 산화물)의 경질 세라믹 화합물을 사용한다. 일반적으로, 연료 기체는 누설방지 밀봉재(leak-tight seal)에 의해 산소 기체 스트림과 분리된다. 일반적으로, SOFC에서, 연료 기체를 산소 기체와 분리하는 누설방지 밀봉재는 정상 작동 동안 승온(예를 들어, 600 내지 800℃)에 노출된다. 유리 또는 유리-세라믹 재료가 전형적으로 그러한 누설방지 밀봉재용으로 사용되어 왔다.
유리 재료는 일반적으로 그의 유리 전이 온도보다 높은 온도에서 유연성(flexible) 및 순응성(compliant)을 나타내는 것으로 알려져 있다. 그러한 높은 유연성은 밀봉 재료와 세라믹 연료 전지 구성요소(들) - 이는 밀봉 또는 접합되어 있음 - 사이의 열 팽창 계수(thermal expansion coefficient, CTE)의 차이에 의해 야기되는 기계적 응력을 감소시키기 위해서 바람직하다. 그러나, 유리 재료는 일반적으로, 수소 연료 기체 또는 다른 금속이나 세라믹 연료 전지 구성요소에 노출될 때, 화학적으로 안정하지 않다. 추가적으로, 유리 재료는 SOFC의 정상 작동인 승온에 노출될 때, 시간의 경과에 따라 결정화되고 유연성을 잃어버리게 되는 경향이 있다.
세라믹 재료가 탁월한 장기적인 화학적 및 열적 안정성을 갖더라도, 세라믹 재료는 일반적으로 SOFC의 정상 작동인 승온에서 순응성을 나타내지 않는다. 세라믹 재료로 구성된 밀봉재 및 접합재는 일반적으로 SOFC 작동 동안 전지 구성요소 상에 상당한 열 응력을 유도한다.
따라서, 연료 전지를 위한 새로운 밀봉 및/또는 접합 재료, 특히, 보다 높은 유연성 및 또한 보다 높은 기계적, 화학적, 및 열-물리적 안정성을 가질 수 있는 재료의 개발에 대한 필요성이 있다.
발명의 개요
본 발명은 다층 유리-세라믹 밀봉 구성요소를 포함하는 연료 전지, 및 그러한 다층 유리-세라믹 밀봉 구성요소를 이용함으로써 연료 전지의 세라믹 구성요소를 밀봉하는 방법에 관한 것이다.
일 실시 형태에서, 본 발명은 세라믹 구성요소 및 밀봉 구성요소를 포함하는 연료 전지에 관한 것이다. 밀봉 구성요소는 세라믹 구성요소 위의 제1 유리-세라믹 층 및 제1 유리-세라믹 층 위의 제2 유리-세라믹 층을 포함하며, 제1 및 제2 유리-세라믹 층 각각은 독립적으로 부피를 기준으로 약 0.5% 내지 약 50%의 유리상(glass phase) 함량을 포함한다. 제1 유리-세라믹 층은 제2 유리-세라믹 층보다 더 높은 유리상 함량을 포함하며, 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 10%의 유리 안정제 성분을 포함한다. 일 실시 형태에서, 유리 안정제 성분은 B2O3, Bi2O3, Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, Cs2O, Sb2O3, SnO, La2O3, 및 PbO로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 화합물을 포함한다. 특정 실시 형태에서, 유리 안정제 성분은 B2O3을 포함한다. 다른 특정 실시 형태에서, 제1 유리-세라믹 층은 부피 기준으로 약 10% 내지 약 40%의 유리상 함량을 포함하고, 제2 유리-세라믹 층은 부피 기준으로 약 5% 내지 약 25%의 유리상 함량을 포함한다. 다른 실시 형태에서, 제1 유리-세라믹 층은 중량 기준으로 약 1% 내지 약 5%의 B2O3을 포함한다. 특정 실시 형태에서, 제1 유리-세라믹 층은 중량 기준으로 약 1% 내지 약 2%의 B2O3을 포함한다. 다른 실시 형태에서, 제1 및 제2 유리-세라믹 층 각각은 SiO2를 포함한다. 또 다른 실시 형태에서, 제1 및 제2 유리-세라믹 층 각각은 독립적으로 Al2O3, BaO, CaO, MgO, ZnO, SrO, TiO2, 및 Y2O3으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 화합물을 추가로 포함한다. 특정 실시 형태에서, 제1 유리-세라믹 층은 중량 기준으로 약 2% 내지 12%의 Al2O3, 중량 기준으로 약 35% 내지 약 55%의 BaO, 중량 기준으로 약 30% 내지 약 45%의 SiO2, 및 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 3%의 TiO2를 포함하고, 제2 유리-세라믹 층은 중량 기준으로 약 10% 내지 약 15%의 Al2O3, 중량 기준으로 약 35% 내지 약 55%의 BaO, 중량 기준으로 약 30% 내지 약 45%의 SiO2, 및 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 3%의 TiO2를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 본 발명은 제1 및 제2 유리-세라믹 층 사이에 제3 유리-세라믹 층을 포함하며, 제3 유리-세라믹 층은 제1 유리-세라믹 층보다 더 낮은 유리상 함량을 포함하고, 제2 유리-세라믹 층보다 더 높은 유리상 함량을 포함하는 연료 전지에 관한 것이다. 특정 실시 형태에서, 연료 전지는 제2 유리-세라믹 층 위의 제3 유리-세라믹 층, 및 제1 세라믹 구성요소의 반대쪽에 있으며 제3 유리-세라믹 층 위의 제2 세라믹 구성요소를 포함하며, 제3 유리-세라믹 층은 부피 기준으로 약 0.5% 내지 약 50%의 유리상 함량을 포함하고, 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 10%의 유리 안정제 성분을 포함하고, 제3 유리-세라믹 층의 유리상 함량은 제2 유리-세라믹 층의 유리상 함량보다 더 높다. 일부 실시 형태에서, 연료 전지는 고체 산화물 연료 전지이며, 세라믹 구성요소는 애노드, 캐소드, 전해질 및 상호접속체로 이루어진 군으로부터 선택되는 구성요소를 포함한다. 특정 실시 형태에서, 제1 및 제2 세라믹 구성요소는 애노드, 캐소드, 전해질, 및 상호접속체로 이루어진 군으로부터 선택되는 구성요소를 포함한다.
다른 실시 형태에서, 본 발명은 연료 전지의 세라믹 구성요소의 밀봉 방법에 관한 것이다. 상기 방법에서는, 제1 코트가 연료 전지의 제1 세라믹 구성요소 위에 적용되며, 이때, 제1 코트는 SiO2를 포함하고, 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 10%의 유리 안정제 성분을 추가로 포함한다. 제2 코트는 제1 코트 위에 적용되며, 이때, 제2 코트는 SiO2를 포함한다. 제1 및 제2 코트는 가열되어 밀봉 구성요소를 형성하여, 이에 의해, 밀봉 구성요소로 세라믹 구성요소를 밀봉한다. 형성된 밀봉 구성요소는 세라믹 구성요소 위의 제1 유리-세라믹 층 및 제1 유리-세라믹 층 위의 제2 유리-세라믹 층을 포함하며, 제1 및 제2 유리-세라믹 층 각각은 독립적으로 부피 기준으로 약 0.5% 내지 약 50%의 유리상 함량을 포함하고, 제1 유리-세라믹 층은 제2 유리-세라믹 층보다 더 높은 유리상 함량을 포함한다. 일 실시 형태에서, 유리 안정제 성분은 B2O3, Bi2O3, Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, Cs2O, Sb2O3, SnO, La2O3, 및 PbO로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 화합물을 포함한다. 특정 실시 형태에서, 유리 안정제 성분은 B2O3을 포함한다. 일부 실시 형태에서, 제1 및 제2 코트 각각은 중합체 비히클을 추가로 포함한다. 일부 특정 실시 형태에서, 중합체 비히클은 결합제, 가소제 및 분산제 중 적어도 하나를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 제1 및 제2 코트를 가열하는 것은, 제1 및 제2 코트를 중합체-비히클-결핍 층의 형성을 일으키기에 충분한 제1 온도 범위로 유지하는 단계, 그 후, 중합체-비히클-결핍 층을 소결된 층의 형성을 일으키기에 충분한 제2 온도 범위로 유지하는 단계, 및 그 후, 소결된 층을 제1 및 제2 유리-세라믹 층의 형성을 일으키기에 충분한 제3 온도 범위로 유지하는 단계를 포함한다. 특정 실시 형태에서, 제1 온도 범위는 약 200℃ 내지 약 600℃이고, 제2 온도 범위는 약 700℃ 내지 약 1050℃이고, 제3 온도 범위는 약 800℃ 내지 약 1100℃이다. 다른 실시 형태에서, 층들을 제1, 제2, 및 제3 온도 범위 중 적어도 하나로 유지하는 것은, 층들을 제1 온도로 유지하고, 그 후, 층들을 제1 온도와는 구별되는 제2 온도로 유지하는 것을 포함한다. 또 다른 실시 형태에서, 제1 코트 및 제2 코트는 약 30분 내지 약 300분의 시간 동안 제1, 제2, 및 제3 온도 범위 각각으로 유지된다. 특정 실시 형태에서, 제1 유리-세라믹 층은 부피 기준으로 약 10% 내지 약 40%의 유리상 함량을 포함하고, 제2 유리-세라믹 층은 부피 기준으로 약 5% 내지 약 25%의 유리상 함량을 포함한다. 다른 실시 형태에서, 상기 방법은 SiO2를 포함하는 제3 코트를 제1 코트와 제2 코트 사이에 적용하는 단계, 및 제1, 제2, 및 제3 코트를 가열하여 밀봉 구성요소 - 이는 세라믹 구성요소 위의 제1, 제2, 및 제3 유리-세라믹 층을 포함하며, 제3 유리-세라믹 층은 부피 기준으로 약 0.5% 내지 약 50%의 유리상 함량을 포함하고, 제3 유리-세라믹 층은 제1 유리-세라믹 층보다 더 낮은 유리상 함량을 포함하고, 제2 유리-세라믹 층보다 더 높은 유리상 함량을 포함함 - 를 형성하는 단계를 포함한다. 일 실시 형태에서, 제1, 제2, 및 제3 코트를 가열하는 것은, 제1, 제2, 및 제3 코트를 중합체-비히클-결핍 층의 형성을 일으키기에 충분한 제1 온도 범위로 유지하는 단계, 그 후, 중합체-비히클-결핍 층을 소결된 층의 형성을 일으키기에 충분한 제2 온도 범위로 유지하는 단계, 및 그 후, 소결된 층을 제1, 제2, 및 제3 유리-세라믹 층의 형성을 일으키기에 충분한 제3 온도 범위로 유지하는 단계를 포함한다. 특정 실시 형태에서, 제1 온도 범위는 약 200℃ 내지 약 600℃이고, 제2 온도 범위는 약 700℃ 내지 약 1050℃이고, 제3 온도 범위는 약 800℃ 내지 약 1100℃이다. 다른 실시 형태에서, 층들을 제1, 제2, 및 제3 온도 범위 중 적어도 하나로 유지하는 것은, 층들을 제1 온도로 유지하고, 그 후, 층들을 제1 온도와는 구별되는 제2 온도로 유지하는 것을 포함한다. 일 실시 형태에서, 제1 코트 및 제2 코트 및 제3 코트는 약 30분 내지 약 300분의 시간 동안 제1, 제2, 및 제3 온도 범위 각각으로 유지된다. 특정 실시 형태에서, 제1 유리-세라믹 층은 부피 기준으로 약 10% 내지 약 40%의 유리상 함량을 포함하고, 제2 유리-세라믹 층은 부피 기준으로 약 5% 내지 약 25% 의 유리상 함량을 포함하고, 제3 유리-세라믹 층은 부피 기준으로 약 10% 내지 약 30%의 유리상 함량을 포함한다. 또 다른 실시 형태에서, 상기 방법은 제3 코트를, 제1 세라믹 구성요소의 반대쪽에 위치된 제2 세라믹 구성요소와, 제2 코트의 반대쪽 사이에 적용하는 단계, 및 제1, 제2, 및 제3 코트를 가열하여 밀봉 구성요소 - 이는 세라믹 구성요소 위의 제1, 제2, 및 제3 유리-세라믹 층을 포함하며, 제3 유리-세라믹 층은 부피 기준으로 약 0.5% 내지 약 50%의 유리상 함량을 포함하고, 제3 유리-세라믹 층의 유리상 함량은 제2 유리-세라믹 층보다 더 높고, 제3 코트는 SiO2를 포함하고, 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 10%의 유리 안정제 성분을 포함함 - 를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 이용되는 다층 유리-세라믹 밀봉재 및 접합재는 세라믹 구성요소에 인접한 제1 유리-세라믹 층, 및 세라믹 구성요소로부터 원위에 있는 제2 유리-세라믹 층을 포함할 수 있다. 제2 유리-세라믹 층의 유리상 함량에 비하여 보다 더 높은 제1 유리-세라믹 층의 유리상 함량은 연료 전지의 정상 작동(예를 들어, 실온 내지 승온의 정상 작동 온도) 동안 반복된 열 사이클을 견디기에 충분히 높은 유연성을 제공할 수 있다. 한편, 제1 유리-세라믹 층의 세라믹-상 함량에 비하여 보다 더 높은 제2 유리-세라믹 층의 세라믹-상 함량은 기계적, 화학적 및/또는 열-물리적 안정성을 제공하여 제1 유리-세라믹 층의 상대적으로 낮은 기계적, 화학적 및/또는 열-물리적 안정성을 보상할 수 있다. 따라서, 본 발명에 이용되는 다층 밀봉재 및 접합재는 당업계에서 높은 유연성과, 동시에 높은 기계적, 화학적 및/또는 열-물리적 안정성을 갖는 밀봉재 및 접합재에 대한 필요성에 대한 해결책을 제공할 수 있다.
본 발명은 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템에 사용될 수 있다. SOFC는 저배출(low emission) 및 저노이즈(low noise) 작동과 함께, 고효율 전기 발생에 대한 잠재성을 제공한다. SOFC는 또한 전기 효율, 열전병합(co-generation) 효율 및 연료 가공 간소성의 유리한 조합을 제공하는 것으로 보여지고 있다. SOFC에 대한 사용의 일례는 주택 또는 다른 건물에서이다. SOFC는 주택을 난방하는 데 사용되는 것과 동일한 연료, 예를 들어 천연 가스를 사용할 수 있다. SOFC 시스템은 주택에 동력을 공급하기 위한 전기를 발생시키기 위해서 연장된 기간 동안 작동될 수 있으며, 과잉량이 발생될 경우에는, 과잉량은 전력망(electric grid)에 판매될 수 있다. 또한, SOFC 시스템에서 발생된 열은 주택에 온수를 제공하는 데 사용될 수 있다. SOFC는 전기 서비스가 믿을 만하지 않거나 존재하지 않는 지역에서 특히 유용할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 2개의 유리-세라믹 층으로 밀봉된 연료 전지 구성요소의 개략도이다.
도 1b는 본 발명의 3개의 유리-세라믹 층으로 밀봉된 연료 전지 구성요소의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 3개의 유리-세라믹 층을 사용하여 함께 접합된 2개의 연료 전지 구성요소의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 밀봉 구성요소를 포함하는 연료 전지의 개략도이다.
도 4는 평면형 연료 전지의 구성요소들의 분해도이다.
도 5는 관형 연료 전지의 구성요소들의 개략도이다.
도 6a는 연료 전지의 세라믹 구성요소를 2개의 유리-세라믹 층으로 밀봉하기 위한 본 발명의 방법의 블록도이다.
도 6b는 연료 전지의 세라믹 구성요소를 3개의 유리-세라믹 층으로 밀봉하기 위한 본 발명의 방법의 블록도이다.
도 6c는 2개의 연료 전지 구성요소를 다중 유리-세라믹 층으로 접합하기 위한 본 발명의 방법의 블록도이다.
도 7은 본 발명의 유리-세라믹 층을 3단계를 사용하여 가열하는 방법의 도면이다.
상기는 첨부되는 도면들에 예시된 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시 형태에 대한 하기의 더욱 상세한 설명으로부터 명백할 것이며, 이들 도면에서, 유사한 참조 문자는 다른 관점에 걸쳐 동일한 부분을 지칭한다. 이들 도면은 반드시 일정한 비율인 것은 아니며, 그 대신에 본 발명의 실시 형태들을 예시하는 데 역점을 둔다.
본 발명에 이용되는 밀봉 구성요소는 복수의 유리-세라믹 층을 포함한다. 일반적으로, 밀봉 구성요소는 밀봉될 세라믹 구성요소에 근접한 최고 유리상 함량(즉, 최저 세라믹상 함량)을 갖는 유리-세라믹 층, 및 세라믹 구성요소로부터 원위에 있는 최저 유리상 함량(즉, 최고 세라믹상 함량)을 갖는 유리-세라믹 층을 포함하여, 유리상 함량의 구배(즉, 세라믹상 함량의 구배)를 발생시킨다. 본 명세서에 사용될 때, 용어 "유리상"은 당업계에서 그 용어에 일반적으로 부여된 의미를 가지며, 예를 들어, 무정형의, 무기의, 일반적으로 적어도 부분적으로 투명한 고체를 의미한다. 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "세라믹 상" 또한 당업계에서 그 용어에 일반적으로 부여된 의미를 가지며, 예를 들어, 적어도 부분적으로 결정화된 상을 의미한다. 일반적으로, 유리상 또는 세라믹상의 함량은 부모 유리(즉, 100% 유리상을 갖는 유리)의 제어된 결정화에 의해 제어되어 원하는 세라믹 상(결정화된 상) 함량을 획득할 수 있다. 전형적으로, 유리-세라믹 층은 각각 독립적으로 부피 기준으로 약 0.5% 내지 약 50%의 유리상 함량을 갖는다. 일례에서, 유리-세라믹 층은 각각 독립적으로 부피 기준으로 약 1% 내지 약 50%의 유리상 함량을 갖는다. 다른 예에서, 유리-세라믹 층은 각각 독립적으로 부피 기준으로 약 5% 내지 약 50%의 유리상 함량을 갖는다.
이제, 도 1a를 참조하면, 밀봉될 제1 세라믹 구성요소(10)는 제1 유리-세라믹 층(20) 및 제2 유리-세라믹 층(30)을 포함하는 밀봉 구성요소(15)를 지지하며, 여기서, 제1 유리-세라믹 층(20)은 제2 유리-세라믹 층(30)보다 더 높은 유리상 함량을 포함한다. 제1 세라믹 구성요소(10)는 연료 전지, 구체적으로는 SOFC의 애노드, 캐소드, 전해질, 또는 상호접속체 구성요소를 포함할 수 있다.
전형적으로, 제1 및 제2 유리-세라믹 층(20 및 30) 각각은 독립적으로 부피 기준으로 약 0.5% 내지 약 50%의 유리상 함량을 포함한다. 특정 실시 형태에서, 제1 및 제2 유리-세라믹 층(20 및 30) 각각은 독립적으로 부피 기준으로 약 1% 내지 약 50%의 유리상 함량을 포함한다. 다른 특정 실시 형태에서, 제1 및 제2 유리-세라믹 층(20 및 30) 각각은 독립적으로 부피 기준으로 약 5% 내지 약 50%의 유리상 함량을 포함한다. 또 다른 특정 실시 형태에서, 제1 유리-세라믹 층(20)은 부피 기준으로 약 10% 내지 약 40%의 유리상 함량을 포함하고, 제2 유리-세라믹 층(30)은 부피 기준으로 약 5% 내지 약 25%의 유리상 함량을 포함한다.
전형적으로, 제1 유리-세라믹 층(20)은 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 10%의 유리 안정제를 포함하며, 이 유리 안정제는 하나 이상의 유리 안정제를 포함한다. 특정 실시 형태에서, 유리 안정제 성분의 함량은 약 1% 내지 약 5%, 또는 약 1% 내지 약 2%이다. 본 명세서에 사용될 때, 용어 "유리 안정제"는 당업계에서 그 용어에 일반적으로 부여된 의미를 가지며, 예를 들어 온도 변화, 기계적 충격 및/또는 화학적 부식에 대한 유리의 내성을 증가시키는 물질을 의미한다. 적합한 유리 안정제의 예는 B2O3, Bi2O3, Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, Cs2O, Sb2O3, SnO, La2O3, 및 PbO를 포함한다. 이들 유리 안정제의 하나 이상이 본 발명에 사용될 수 있다. 특정 실시 형태에서, 유리 안정제 성분은 B2O3을 포함한다. 추가의 특정 실시 형태에서, 유리 안정제 성분은 중량 기준으로 약 1% 내지 약 5%의 B2O3를 포함한다. 다른 추가의 특정 실시 형태에서, 유리 안정제 성분은 중량 기준으로 약 1% 내지 약 2%의 B2O3을 포함한다.
전형적으로, 제1 및 제2 유리-세라믹 층(20 및 30) 각각은 독립적으로 SiO2를 포함하며, 독립적으로 Al2O3, BaO, CaO, MgO, ZnO, SrO, TiO2, 및 Y2O3으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 화합물을 추가로 포함할 수 있다. 특정 실시 형태에서, 제1 및 제2 유리-세라믹 층(20 및 30) 각각은 독립적으로 SiO2, Al2O3, BaO, SiO2, TiO2 및 Y2O3을 포함한다. 추가의 특정 실시 형태에서, 제1 유리-세라믹 층(20)은 중량 기준으로 약 2% 내지 12%의 Al2O3, 중량 기준으로 약 35% 내지 약 55%의 BaO, 중량 기준으로 약 30% 내지 약 45%의 SiO2, 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 3%의 TiO2, 및, 선택적으로, 중량 기준으로 약 0.5% 및 약 25%의 Y2O3을 포함한다. 다른 추가의 특정 실시 형태에서, 제2 유리-세라믹 층(30)은 중량 기준으로 약 10% 내지 약 15%의 Al2O3, 중량 기준으로 약 35% 내지 약 55%의 BaO, 중량 기준으로 약 30% 내지 약 45%의 SiO2, 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 3%의 TiO2, 및, 선택적으로, 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 5%의 Y2O3을 포함한다.
특정 실시 형태에서, 제1 유리-세라믹 층(20)은 부피 기준으로 약 10% 내지 약 40%의 유리상 함량을 포함하고, 유리 안정제로서 B2O3, 더 구체적으로는 중량 기준으로 약 1% 내지 약 5%의 B2O3, 더욱 더 구체적으로는 중량 기준으로 약 1% 내지 약 2% B2O3을 포함한다. 이 특정 실시 형태의 일 측면에서, 제2 유리-세라믹 층(30)은 부피 기준으로 약 5% 내지 약 25%의 유리상 함량을 포함한다.
다른 특정 실시 형태에서, 제1 유리-세라믹 층(20)은 부피 기준으로 약 10% 내지 약 40%의 유리상 함량을 포함하고, 중량 기준으로 약 1% 내지 약 5%의 B2O3, 중량 기준으로 약 2% 내지 12%의 Al2O3, 중량 기준으로 약 35% 내지 약 55%의 BaO, 중량 기준으로 약 30% 내지 약 45%의 SiO2, 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 3%의 TiO2, 및, 선택적으로, 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 25%의 Y2O3을 포함한다.
또 다른 특정 실시 형태에서, 제1 유리-세라믹 층(20)은 앞 문단에 기재된 특징을 가지며; 제2 유리-세라믹 층(30)은 부피 기준으로 약 5% 내지 약 25%의 유리상 함량을 포함하고, 중량 기준으로 약 10% 내지 약 15%의 Al2O3, 중량 기준으로 약 35% 내지 약 55%의 BaO, 중량 기준으로 약 30% 내지 약 45%의 SiO2, 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 3%의 TiO2, 및, 선택적으로, 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 5%의 Y2O3을 포함한다.
이제, 도 1b를 참조하면, 밀봉될 제1 세라믹 구성요소(10)는 제1 유리-세라믹 층(20), 제2 유리-세라믹 층(30), 및 제1 및 제2 유리-세라믹 층(20 및 30) 사이의 제3 유리-세라믹 층(40)을 포함하는 밀봉 구성요소(15)를 지지하며, 여기서, 제3 유리-세라믹 층(40)은 제1 유리-세라믹 층(20)보다 더 낮은 유리상 함량을 포함하고, 제2 유리-세라믹 층(30)보다 더 높은 유리상 함량을 포함한다. 제1 세라믹 구성요소(10), 제1 및 제2 유리-세라믹 층(20 및 30)의 특징 - 특정 특징을 포함함 - 은 독립적으로 전술된 바와 같다. 전형적으로, 제3 유리-세라믹 층(40)은 부피 기준으로 약 0.5% 내지 약 50%의 유리상 함량을 포함한다. 특정 실시 형태에서, 제3 유리-세라믹 층(40)은 독립적으로 부피 기준으로 약 1% 내지 약 50%의 유리상 함량을 포함한다. 다른 특정 실시 형태에서, 제3 유리-세라믹 층(40)은 독립적으로 부피 기준으로 약 5% 내지 약 50%의 유리상 함량을 포함한다. 또 다른 특정 실시 형태에서, 제3 유리-세라믹 층(40)은 독립적으로 부피 기준으로 약 10% 내지 약 30%의 유리상 함량을 포함한다.
특정 실시 형태에서, 제1 유리-세라믹 층(20)은 부피 기준으로 약 10% 내지 약 40%의 유리상 함량을 포함하고, 제2 유리-세라믹 층(30)은 부피 기준으로 약 5% 내지 약 25%의 유리상 함량을 포함하고, 제3 유리-세라믹 층(40)은 부피 기준으로 약 10% 내지 약 30%의 유리상 함량을 포함한다.
다른 특정 실시 형태에서, 제1, 제2 및 제3 유리-세라믹 층(20, 30 및 40) 각각은 독립적으로 SiO2를 포함하고, 독립적으로 Al2O3, BaO, CaO, MgO, ZnO, SrO, TiO2, 및, 선택적으로, Y2O3으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 화합물을 추가로 포함할 수 있다. 특정 실시 형태에서, 제1 및 제2 유리-세라믹 층(20 및 30) 각각은 독립적으로 SiO2, Al2O3, BaO, SiO2, TiO2 및, 선택적으로, Y2O3을 포함하며, 여기서, 그들의 함량 - 특정 함량을 포함함 - 은 도 1a에 대하여 전술된 바와 같다. 다른 특정 실시 형태에서, 제3 유리-세라믹 층(40)은 SiO2, Al2O3, BaO, SiO2, TiO2 및, 선택적으로, Y2O3을 포함한다.
특정 실시 형태에서, 제1 유리-세라믹 층(20)은 부피 기준으로 약 10% 내지 약 40%의 유리상 함량을 포함하고, 유리 안정제로서 B2O3, 더 구체적으로는 중량 기준으로 약 1% 내지 약 5%의 B2O3, 더욱 더 구체적으로는 중량 기준으로 약 1% 내지 약 2%의 B2O3을 포함한다. 이 특정 실시 형태의 일 측면에서, 제2 유리-세라믹 층(30)은 부피 기준으로 약 5% 내지 약 25%의 유리상 함량을 포함한다.
다른 특정 실시 형태에서, 제1 유리-세라믹 층(20)은 부피 기준으로 약 10% 내지 약 40%의 유리상 함량을 포함하고, 중량 기준으로 약 1% 내지 약 5%의 B2O3, 더 구체적으로는 중량 기준으로 약 1% 내지 약 2%의 B2O3, 중량 기준으로 약 2% 내지 12%의 Al2O3, 중량 기준으로 약 35% 내지 약 55%의 BaO, 중량 기준으로 약 30% 내지 약 45%의 SiO2, 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 3%의 TiO2, 및, 선택적으로, 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 25%의 Y2O3을 포함한다.
또 다른 특정 실시 형태에서, 제1 유리-세라믹 층(20)은 앞 문단에서 기재된 특징을 가지며; 제2 유리-세라믹 층(30)은 부피 기준으로 약 5% 내지 약 25%의 유리상 함량을 포함하고, 중량 기준으로 약 10% 내지 약 15%의 Al2O3, 중량 기준으로 35% 내지 약 55%의 BaO, 중량 기준으로 약 30% 내지 약 45%의 SiO2, 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 3%의 TiO2, 및, 선택적으로, 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 5%의 Y2O3을 포함한다.
또 다른 특정 실시 형태에서, 제1 유리-세라믹 층(20) 및 제2 유리-세라믹 층(30) 각각은 앞 문단에서 기재된 특징을 가지며; 제3 유리-세라믹 층(40)은 부피 기준으로 약 5% 내지 약 25%의 유리상 함량을 포함하고, 중량 기준으로 약 10% 내지 약 15%의 Al2O3, 중량 기준으로 약 35% 내지 약 55%의 BaO, 중량 기준으로 약 30% 내지 약 45%의 SiO2, 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 3%의 TiO2, 및 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 5%의 Y2O3을 포함한다.
이제, 도 2를 참조하면, 밀봉 구성요소(15)는 제1 및 제2 유리-세라믹 층(20 및 30) 위의 제3 유리-세라믹 층(50)을 포함한다. 이 도면에서, 제1 세라믹 구성요소(10)와 제2 세라믹 구성요소(60)는 밀봉 구성요소(15)와 서로 접속되거나 접합되어 있다. 제1 및 제2 유리-세라믹 층(20 및 30)의 특징 - 특정 특징을 포함함 - 은 각각 독립적으로 도 1a에 대하여 전술된 바와 같다. 제2 세라믹 구성요소(60)의 특징 - 특정 특징을 포함함 - 은 도 1a에 대하여 제1 세라믹 구성요소(10)에 대하여 전술된 바와 같다. 전형적으로, 제3 유리-세라믹 층(50)의 특징 - 특정 특징을 포함함 - 은 도 1a에 대하여 제1 유리-세라믹 층(20)에 대하여 기재된 바와 같다.
전형적으로, 제1 및 제3 유리-세라믹 층(20 및 50) 각각은 독립적으로 유리 안정제 성분을 포함하며, 이 유리 안정제 성분은 하나 이상의 유리 안정제를 포함한다. 제1 및 제3 유리-세라믹 층(20 및 50) 내의 유리 안정제의 특정 예 및 함량 - 특정 예 및 함량을 포함함 - 은 도 1a에 대하여 제1 유리-세라믹 층(20)에 대하여 전술된 바와 같다. 특정 실시 형태에서, 제1 및 제3 유리-세라믹 층(20 및 50) 각각의 유리 안정제 성분은 독립적으로 B2O3, Bi2O3, Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, Cs2O, Sb2O3, SnO, La2O3, 및 PbO로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 화합물, 더 구체적으로는 B2O3을 포함한다.
특정 실시 형태에서, 제1 및 제3 유리-세라믹 층(20 및 50) 각각은 독립적으로 부피 기준으로 약 10% 내지 약 40%의 유리상 함량을 포함하고, 유리 안정제로서 B2O3, 더 구체적으로는 중량 기준으로 약 1% 내지 약 5%의 B2O3, 더욱 더 구체적으로는 중량 기준으로 약 1% 내지 약 2%의 B2O3을 포함한다. 이 특정 실시 형태의 일 측면에서, 제2 유리-세라믹 층(30)은 부피 기준으로 약 5% 내지 약 25%의 유리상 함량을 포함한다. 2개의 세라믹 구성요소(10 및 60)를 포함하는 도 2에 예시된 실시 형태에서, 제1 및 제2 세라믹 구성요소에 각각 인접한 제1 및 제3 유리-세라믹 층의 유리상 함량은, 바람직하게는, 제2 유리-세라믹 층보다 더 높은 유리상 함량을 갖는다.
다른 특정 실시 형태에서, 제1 및 제3 유리-세라믹 층(20 및 50) 각각은 독립적으로 부피 기준으로 약 10% 내지 약 40%의 유리상 함량을 포함하고, 중량 기준으로 약 1% 내지 약 5%의 B2O3, 중량 기준으로 약 2% 내지 12%의 Al2O3, 중량 기준으로 약 35% 내지 약 55%의 BaO, 중량 기준으로 약 30% 내지 약 45%의 SiO2, 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 3%의 TiO2 및, 선택적으로, 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 25%의 Y2O3을 포함한다.
또 다른 특정 실시 형태에서, 제1 및 제3 유리-세라믹 층(20 및 50) 각각은 앞 문단에서 기재된 특징을 가지며; 제2 유리-세라믹 층(30)은 부피 기준으로 약 5% 내지 약 25%의 유리상 함량을 포함하고, 중량 기준으로 약 10% 내지 약 15%의 Al2O3, 중량 기준으로 약 35% 내지 약 55%의 BaO, 중량 기준으로 약 30% 내지 약 45%의 SiO2, 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 3%의 TiO2 및, 선택적으로, 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 5%의 Y2O3을 포함한다.
또 다른 특정 실시 형태에서, 밀봉 구성요소(15)는 하기 표 1의 조성 Prep B 또는 C를 포함하는 제1 유리-세라믹 층(20); 및 하기 표 1 의 조성 Prep A를 포함하는 제2 유리-세라믹 층(30)을 포함한다.
다층 밀봉재의 생성에 사용된 물질들의 화학적 조성
유리 산화물 (중량%) 설명
Al2O3 B2O3 BaO SiO2 TiO2 Y2O3
Prep A 13 0 48 37 2 2 알루미노-규산 바륨
Prep B 11.5 1.5 48 37 2 2 Prep A + 1.5%의 B2O3
Prep C 3.5 1.5 42.5 36 2 18 Prep A - 약간의 Al2O3 + 약간의 Y2O3
이 실시 형태의 일 측면에서, 밀봉 구성요소(15)는 표 1의 조성 Prep A를 포함하는 제3 유리-세라믹 층(40)을 추가로 포함한다. 이 실시 형태의 다른 측면에서, 밀봉 구성요소(15)는 표 1의 조성 Prep B 또는 C를 포함하는 제3 유리-세라믹 층(50)을 추가로 포함한다.
일부 실시 형태에서, 본 발명의 연료 전지는 세라믹 캐소드, 세라믹 애노드 및 세라믹 전해질을 포함하는 고체 산화물 연료 전지이다. 일부 특정 실시 형태에서, 본 발명의 고체 산화물 연료 전지는 세라믹 상호접속체를 포함한다.
당업계에 알려진 임의의 적합한 애노드 및 캐소드 물질이 본 발명에 사용될 수 있다. 세라믹 캐소드 물질의 특정 예는 La-망가네이트 기재 물질(예를 들어 La1 -xMnO3, 여기서 x = 0 내지 0.1임)을 포함한다. 특정 실시 형태에서, La-망가네이트 기재 물질은 하나 이상의 적합한 도펀트, 예를 들어 Sr, Ca, Ba 또는 Mg로 도핑된다. 도핑된 La-망가네이트 기재 물질의 예는 LaSr- 망가네이트 (예를 들어, La1 -xSrxMnO3, 여기서 x = 0.1 내지 0.3이고, (La + Sr)/Mn = 1.0 내지 0.95(몰비)임), 및 LaCa-망가네이트 (예를 들어, La1 - xCaxMnO3, 여기서 x = 0.1 내지 0.3이고, (La + Ca)/Mn = 1.0 내지 0.95(몰비)임)를 포함한다. 애노드 물질의 특정 예는 Ni 서멧(cermet)을 포함한다. "Ni 서멧"은 일반적으로, Ni, 예를 들어 약 20중량% 내지 70중량%의 Ni를 포함하는 세라믹 금속 복합재를 말한다. Ni 서멧의 예는 Ni와 이트리아-안정화된 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 예를 들어 약 15중량%의 Y2O3을 함유하는 ZrO2를 포함하는 물질 및 Ni와 YSr-지르코니아를 포함하는 물질이다.
당업계에 알려진 임의의 적합한 전해질 물질이 본 발명에 이용될 수 있다. 특정 실시 형태에서는, 고체 전해질, 예를 들어 세라믹 전해질이 본 발명에 이용된다. 특정 예는 ZrO2 기재 물질, 예를 들어 Sc2O3-도핑된 ZrO2, Y2O3-도핑된 ZrO2, 및 Yb2O3-도핑된 ZrO2; CeO2 기재 물질, 예를 들어 Sm2O3-도핑된 CeO2, Gd2O3-도핑된 CeO2, Y2O3-도핑된 CeO2 및 CaO-도핑된 CeO2; Ln-갈레이트 기재 물질(Ln = 란타나이드, 예를 들어 La, Pr, Nd 또는 Sm), 예를 들어 Ca, Sr, Ba, Mg, Co, Ni, Fe 또는 그 혼합물로 도핑된 LaGaO3(예를 들어, La0 .8Sr0 .2Ga0 .8Mg0 .2O3, La0 .8Sr0 .2Ga0 .8Mg0 .15Co0 .05O3, La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3, LaSrGaO4, LaSrGa3O7 또는 La0 .9A0.1Ga3, 여기서 A = Sr, Ca 또는 Ba임); 그 혼합물을 포함한다. 다른 예는 도핑된 이트륨-지르코네이트(예를 들어, YZr2O7), 도핑된 가돌리늄-티타네이트(예를 들어, Gd2Ti2O7) 및 브라운밀러라이트(예를 들어, Ba2In2O6 또는 Ba2In2O5)를 포함한다.
애노드(들) 및 캐소드(들)의 임의의 적합한 두께가 본 발명에 이용될 수 있다. 일 특정 실시 형태에서, 본 발명의 연료 전지의 애노드(들) 및 캐소드(들)의 두께는 각각 독립적으로 약 0.5mm 내지 약 2mm의 범위이다.
전해질(들)의 임의의 적합한 두께가 본 발명에 이용될 수 있다. 일 특정 실시 형태에서, 본 발명의 연료 전지의 전해질(들)의 두께는 약 5μm 내지 약 20μm, 예를 들어 약 5μm 내지 약 10μm의 범위이다. 대안적으로, 본 발명의 연료 전지의 전해질(들)의 두께는 약 100μm보다 더 두꺼울 수 있다(예를 들어, 약 100μm 내지 약 500μm).
본 발명의 연료 전지(100)의 개략도가 도 3에 제공되어 있다. 3개의 층 (20, 30, 및 40)을 가진 도 3에 나타낸 밀봉 구성요소(15)는 하위 전지(102)의 기밀(gas-tight) 작동을 가능하게 한다. 연료 전지(100)는 임의의 적합한 개수의 하위 전지(102)를 포함할 수 있으며, 여기서, 각각의 하위 전지(102)는 애노드(104), 캐소드(106), 및 애노드(104)와 캐소드(106) 사이의 전해질(108)을 포함한다. 일 실시 형태에서, 본 발명의 연료 전지(100)는 적어도 30 내지 50개의 하위 전지(102)를 포함한다. 하위 전지(102)는 상호접속체(110)를 거쳐 서로 접속된다. 하위 전지(102)는 직렬로 또는 병렬로 접속될 수 있다. 임의의 적합한 상호접속체가 본 발명에 사용될 수 있다. 특정 실시 형태에서, 상호접속체는 금속 산화물 상호접속체, 예를 들어 세라믹 상호접속체이다. 대안적으로, 상호접속체는 금속 상호접속체일 수 있다.
연료 전지(100)는 도 4에 나타낸 바와 같은 평면 적층형 연료 전지일 수 있다. 대안적으로, 도 5에 나타낸 바와 같이, 연료 전지(100)는 관형 연료 전지일 수 있다. 밀봉 구성요소(15) - 도 4 및 도 5에 도시되지 않음 - 는 평면형 또는 관형 연료 전지의 기밀 작동을 가능하게 한다. 전형적으로, 도 4에 나타낸 바와 같은 평면형 설계에서는, 구성요소들이 평면 적층제로 조립되며, 이때, 공기 및 연료는 상호접속체 내로 구축된 채널들을 통하여 유동한다. 전형적으로, 도 5에 나타낸 바와 같은 관형 설계에서는, 구성요소들이 중공관 형태로 조립되며, 이때, 전지는 관형 캐소드 둘레에 층들로 구성되고, 공기는 관의 내부를 통하여 유동하고, 연료는 관의 외부 둘레를 유동한다.
본 발명은 또한 전술된 연료 전지의 형성 방법을 포함한다. 상기 방법은 전술된 복수의 하위 전지(102)를 형성하는 단계, 및 각 하위 전지(102)를 상호접속체(110)와 접속하는 단계를 포함한다. 하위 전지(102) 및 상호접속체(110)의 제작에는 당업계에 알려진 임의의 적합한 기술이 이용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 평면 적층형 연료 전지는 미립자 공정(particulate process) 또는 침착 공정(deposition process)에 의해 제작될 수 있다. 본 발명의 관형 연료 전지는, 칼시아-안정화된 지르코니아와 같은 다공성 원통형 관 상에 얇은 층의 형태의 전지 구성요소들을 가짐으로써 제작될 수 있다.
전형적으로, 적합한 미립자 공정, 예를 들어 테이프 캐스팅 또는 테이프 캘린더링은 연료 전지 구성요소(예를 들어, 전극, 전해질 및 상호접속체) 내로의 분말, 예를 들어 세라믹 분말의 압축 및 승온에서의 치밀화를 포함한다. 예를 들어, 본 발명의 전해질, 전극 또는 상호접속체에 적합한 분말 재료는 구성 산화물들의 고상 반응에 의해 제조된다. 적합한 고표면적 분말은 질산염 및 다른 용액으로부터 젤 생성물로서 침전될 수 있으며, 이는 건조되고, 하소되고, 미분쇄되어 결정질 입자를 생성한다. 침착 공정은 적합한 화학적 또는 물리적 공정에 의한 지지체 상에의 전지 구성요소들의 형성을 포함할 수 있다. 침착의 예는 화학 증기 침착, 플라즈마 분무 및 분무 열분해를 포함한다.
전술된 바와 같이, 연료 전지(100)의 하나 이상의 세라믹 구성요소, 예를 들어 전극(104 및 106), 전해질(108), 및 상호접속체(110)는 밀봉 구성요소(15)로 밀봉되거나 접합될 수 있다. 연료 전지의 세라믹 구성요소를 밀봉하기 위한 본 발명의 방법의 일 실시 형태가 도 6a에 나타나 있다. 이제, 도 6a를 참조하면, 연료 전지(100)의 세라믹 구성요소(예를 들어, 도 1a에서의 제1 세라믹 구성요소(10))를 밀봉하는 것은 제1 세라믹 구성요소(10) 위에 코트 1을 적용하는 것을 포함한다. 이어서, 코트 2가 코트 1 위에 적용된다. 코트 1 및 코트 2의 제어된 열 처리는 각각 제1 및 제2 유리-세라믹 층(20 및 30)을 포함하는 밀봉 구성요소(15)를 형성한다. 제1 및 제2 유리-세라믹 층(20 및 30) 각각의 특징 - 특정 특징을 포함함 - 은 독립적으로 도 1a에 대하여 전술된 바와 같다. 코트 1 및 코트 2의 적용은 당업계에 알려진 임의의 적합한 방법을 이용하여 행해질 수 있다. 예를 들어, 코트 1 및 코트 2를 적용하는 데 닥터 블레이드가 사용될 수 있다. 전형적인 코팅 두께는 100μm 내지 2mm의 범위이다.
도 6a에 나타낸 바와 같이, 코트 1은 전형적으로 유리1 분말 및 선택적으로, 결합제, 가소제 및 분산제 중 적어도 하나를 포함하는 중합체 비히클을 포함한다. 특정 실시 형태에서, 유리 1 분말은 SiO2를 포함하고, 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 10%의 유리 안정제 성분 - 이는 하나 이상의 유리 안정제를 포함함 - 을 추가로 포함한다. 도 6a에 나타낸 바와 같이, 코트 2는 전형적으로 유리 2 및 선택적으로, 결합제, 가소제 및 분산제 중 적어도 하나를 포함하는 중합체 비히클을 포함한다. 특정 실시 형태에서, 유리 2 분말은 SiO2를 포함한다. 유리 안정제 및 그의 양 - 특정 양을 포함함 - 의 예 - 특정 예를 포함함 - 는 도 1a에 대하여 전술된 바와 같다.
다른 특정 실시 형태에서, 유리 1 분말 및 유리 2 분말 각각은 독립적으로 SiO2를 포함하고, 독립적으로 Al2O3, BaO, CaO, MgO, ZnO, SrO, TiO2, 및 Y2O3으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 화합물을 추가로 포함할 수 있다. 특정 실시 형태에서, 유리 1 분말 및 유리 2 분말 각각은 독립적으로 SiO2, Al2O3, BaO, SiO2, TiO2 및 Y2O3을 포함한다. 추가의 특정 실시 형태에서, 유리 1 분말은 중량 기준으로 약 2% 내지 12%의 Al2O3, 중량 기준으로 약 35% 내지 약 55%의 BaO, 중량 기준으로 약 30% 내지 약 45%의 SiO2, 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 3%의 TiO2, 및 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 25%의 Y2O3을 포함한다. 또 다른 특정 실시 형태에서, 유리 2 분말은 중량 기준으로 약 10% 내지 약 15%의 Al2O3, 중량 기준으로 약 35% 내지 약 55%의 BaO, 중량 기준으로 약 30% 내지 약 45%의 SiO2, 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 3%의 TiO2, 및 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 5%의 Y2O3을 포함한다. 중합체 비히클을 포함하는 코트 1 및 코트 2 각각은 일반적으로 슬러리 형태이다. 특정 실시 형태에서, 코트 1 및 코트2 각각은 중량 기준으로 약 70%의 분말(예를 들어, 유리 분말 1 또는 유리 분말 2) 및 중량 기준으로 약 30%의 중합체 비히클을 포함한다. 당업계에 공지된 임의의 적합한 중합체 비히클, 즉, 결합제, 가소제, 및 분산제가 본 발명에 이용될 수 있다.
일 실시 형태에서, 코트 1 및 코트2 각각은 결합제, 가소제 및 분산제 중 적어도 하나를 포함하는 중합체 비히클을 포함하며, 코트 1 및 코트 2의 가열 단계는 3단계로 수행된다: 코트 1 및 코트 2를 중합체-비히클-결핍 층의 형성을 일으키기에 충분한 제1 온도 범위로 유지하는 단계, 그 후, 중합체-비히클-결핍 층을 소결된 층의 형성을 일으키기에 충분한 제2 온도 범위로 유지하는 단계, 및 그 후, 소결된 층을 제1 및 제2 유리-세라믹 층(20 및 30)의 형성을 일으키기에 충분한 제3 온도 범위로 유지하는 단계.
특정 실시 형태에서, 제1 온도 범위는 약 200℃ 내지 약 600℃이고, 제2 온도 범위는 약 700℃ 내지 약 1050℃이고, 제3 온도 약 800℃ 내지 약 1100℃이다. 다른 특정 실시 형태에서, 층들을 제1, 제2, 및 제3 온도 범위 중 적어도 하나로 유지하는 것은, 층들을 제1 온도로 유지하고, 그 후, 층들을 제1 온도와는 구별되는 제2 온도로 유지하는 것을 포함한다. 다른 특정 실시 형태에서, 코트 1 및 코트 2는 약 30분 내지 약 300분, 구체적으로는, 약 30분 내지 약 60분의 시간 동안 제1, 제2, 및 제3 온도 범위 각각으로 유지된다.
이제, 도 6b를 참조하면, 연료 전지(100)의 세라믹 구성요소(예를 들어, 도 1a에서의 세라믹 구성요소(10))를 밀봉하는 것은, 제1 세라믹 구성요소(10) 위에 코트 1을 적용하는 것을 포함한다. 이어서, 코트 3이 코트 1 위에 적용되고, 이어서, 코트 2가 코트 3 위에 적용된다. 코트 1, 2, 및 3의 제어된 열 처리는 각각 제1, 제2 및 제3 유리-세라믹 층(20, 30, 및 40)을 포함하는 밀봉 구성요소(15)를 형성한다. 제1 및 제2 유리-세라믹 층(20 및 30) 각각의 특징 - 특정 특징을 포함함 - 은 독립적으로 도 1a에 대하여 전술된 바와 같다. 제3 유리-세라믹 층(40)의 특징 - 특정 특징을 포함함 - 은 도 1b에 대하여 전술된 바와 같다. (유리 1 분말 및 유리 2 분말을 포함하는) 코트 1 및 코트 2의 조성 및 적용의 특징 - 특정 특징을 포함함 - 은 도 6a에 대하여 전술된 바와 같다. 코트 3의 적용은 당업계에 알려진 임의의 적합한 방법을 이용하여 행해질 수 있다. 예를 들어, 닥터 블레이드가 코트 3을 적용하는 데 사용될 수 있다.
도 6b에 나타낸 바와 같이, 코트 3은 전형적으로 유리 3 분말 및 선택적으로 결합제, 가소제 및 분산제 중 적어도 하나를 포함하는 중합체 비히클을 포함한다. 특정 실시 형태에서, 유리 3 분말은 SiO2를 포함한다. 다른 특정 실시 형태에서, 유리 3 분말은 SiO2, Al2O3, BaO, SiO2, TiO2 및 Y2O3을 포함한다. 다른 추가의 특정 실시 형태에서, 유리 3 분말은 중량 기준으로 약 10% 내지 약 15%의 Al2O3, 중량 기준으로 약 35% 내지 약 55%의 BaO, 중량 기준으로 약 30% 내지 약 45%의 SiO2, 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 3%의 TiO2, 및 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 5%의 Y2O3을 포함한다. 중합체 비히클을 포함하는 코트 1, 2 및 3 각각은 일반적으로 슬러리 형태에다. 특정 실시 형태에서, 코트 1, 2, 및 3 각각은 중량 기준으로 약 70%의 분말(예를 들어, 유리 분말 1, 2, 또는 3) 및 중량 기준으로 약 30%의 중합체 비히클을 포함한다.
특정 실시 형태에서, 코트 1, 2, 및 3 각각은 결합제, 가소제 및 분산제 중 적어도 하나를 포함하는 중합체 비히클을 포함하며, 코트 1, 2, 및 3의 가열 단계는 3단계로 수행된다: 코트1, 2, 및 3을 중합체-비히클-결핍 층의 형성을 일으키기에 충분한 제1 온도 범위로 유지하는 단계, 그 후, 중합체-비히클-결핍 층을 소결된 층의 형성을 일으키기에 충분한 제2 온도 범위로 유지하는 단계, 및 그 후, 소결된 층을 제1, 제2, 및 재3 유리-세라믹 층(20, 30, 및 40)의 형성을 일으키기에 충분한 제3 온도 범위로 유지하는 단계. 코트 1, 2, 및 3의 열 처리는 도 6a에 대하여 전술된 바와 같다.
이제, 도 6c를 참조하면, 본 발명의 연료 전지의 세라믹 구성요소(10)를 제2 세라믹 구성요소(60)에 접합하는 것은, 제1 세라믹 구성요소(10) 상에 코트 1을 적용하는 것을 포함한다. 코트 2가 코트 1 위에 적용된다. 이어서, 코트 3이 코트 2 위에 적용되고, 이어서, 제2 세라믹 구성요소(60)가 코트 3 위에 적용된다. 코트 1, 2, 및 3의 제어된 열 처리는, 제1 세라믹 구성요소(10)와 제2 세라믹 구성요소(60) 사이에, 각각 제1, 제2 및 제3 유리-세라믹 층(10, 20, 및 50)을 포함하는 밀봉 구성요소(15)를 형성한다. 제1, 제2 및 제3 유리-세라믹 층(20, 30, 및 50) 각각의 특징 - 특정 특징을 포함함 - 은 독립적으로 도 2에 대하여 전술된 바와 같다. (유리 1 분말 및 유리 2 분말을 포함하는) 코트 1 및 코트 2의 조성 및 적용의 특징 - 특정 특징을 포함함 - 은 도 6a에 대하여 전술된 바와 같다. (유리 3 분말을 포함하는) 코트 3의 조성 및 적용의 특징 - 특정 특징을 포함함 - 은 도 6A의 코트 1에 대하여 전술된 바와 같다. 중합체 비히클을 포함하는 코트 1, 2 및 3 각각은 일반적으로 슬러리 형태이다. 특정 실시 형태에서, 코트 1, 2, 및 3 각각은 중량 기준으로 약 70%의 분말(예를 들어, 유리 분말 1, 2, 또는 3) 및 중량 기준으로 약 30%의 중합체 비히클을 포함한다. 제2 세라믹 구성요소(60)는 일반적으로, 층 3을 건조시키기 전에 코트 3 위에 적용된다. 코트 1, 2, 및 3의 열 처리는 도 6a에 대하여 전술된 바와 같다.
도 7은 본 발명에 이용될 수 있는 열 처리 프로파일의 특정 예를 나타낸다. 특히, 도 7의 열 처리 프로파일은 표 1의 다층 유리-세라믹 밀봉재/접합재에 이용될 수 있다.
균등물
본 발명이 그의 예시적인 실시 형태를 참조하여 상세히 보여주고 기재되어 있지만, 첨부되는 특허청구범위에 의해 포함되는 본 발명의 범주를 벗어남 없이, 형태 및 세부사항에 있어서의 다양한 변화가 본 발명에 행해질 수 있음이 당업자에 의해 이해될 것이다.

Claims (35)

  1. a) 제1 세라믹 구성요소; 및
    b) 세라믹 구성요소 위의 제1 유리-세라믹 층 및 제1 유리-세라믹 층 위의 제2 유리-세라믹 층을 포함하며, 제1 및 제2 유리-세라믹 층 각각은 독립적으로 부피를 기준으로 약 0.5% 내지 약 50%의 유리상(glass phase) 함량을 포함하며, 제1 유리-세라믹 층은 제2 유리-세라믹 층보다 더 높은 유리상 함량을 포함하며, 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 10%의 유리 안정제 성분을 포함하는 밀봉 구성요소
    를 포함하는 연료 전지 구성요소.
  2. 제1항에 있어서, 유리 안정제 성분은 B2O3, Bi2O3, Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, Cs2O, Sb2O3, SnO, La2O3, 및 PbO로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 화합물을 포함하는 연료 전지.
  3. 제1항에 있어서, 유리 안정제 성분은 B2O3을 포함하는 연료 전지.
  4. 제3항에 있어서, 제1 유리-세라믹 층은 부피 기준으로 약 10% 내지 약 40%의 유리상 함량을 포함하는 연료 전지.
  5. 제4항에 있어서, 제2 유리-세라믹 층은 부피 기준으로 약 5% 내지 약 25%의 유리상 함량을 포함하는 연료 전지.
  6. 제5항에 있어서, 제1 유리-세라믹 층은 중량 기준으로 약 1% 내지 약 5%의 B2O3을 포함하는 연료 전지.
  7. 제6항에 있어서, 제1 유리-세라믹 층은 중량 기준으로 약 1% 내지 약 2%의 B2O3을 포함하는 연료 전지.
  8. 제5항에 있어서, 제1 및 제2 유리-세라믹 층 각각은 SiO2를 포함하는 연료 전지.
  9. 제8항에 있어서, 제1 및 제2 유리-세라믹 층의 각각은 독립적으로 Al2O3, BaO, CaO, MgO, ZnO, SrO, TiO2, 및 Y2O3으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 화합물을 추가로 포함하는 연료 전지.
  10. 제9항에 있어서, 제1 유리-세라믹 층은 중량 기준으로 약 2% 내지 12%의 Al2O3, 중량 기준으로 약 35% 내지 약 55%의 BaO, 중량 기준으로 약 30% 내지 약 45%의 SiO2, 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 3%의 TiO2를 포함하는 연료 전지.
  11. 제10항에 있어서, 제2 유리-세라믹 층은 중량 기준으로 약 10% 내지 약 15%의 Al2O3, 중량 기준으로 약 35% 내지 약 55%의 BaO, 중량 기준으로 약 30% 내지 약 45%의 SiO2, 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 3%의 TiO2를 포함하는 연료 전지.
  12. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 유리-세라믹 층 사이에 제3 유리-세라믹 층을 추가로 포함하며, 제3 유리-세라믹 층은 제1 유리-세라믹 층보다 더 낮은 유리상 함량을 포함하고, 제2 유리-세라믹 층보다 더 높은 유리상 함량을 포함하는 연료 전지.
  13. 제1항에 있어서, 제2 유리-세라믹 층 위의 제3 유리-세라믹 층, 및 제1 세라믹 구성요소의 반대쪽에 있으며 제3 유리-세라믹 층 위의 제 2 세라믹 구성요소를 추가로 포함하며, 제3 유리-세라믹 층은 부피 기준으로 약 0.5% 내지 약 50%의 유리상 함량을 포함하고, 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 10%의 유리 안정제 성분을 포함하고, 제3 유리-세라믹 층의 유리상 함량은 제2 유리-세라믹 층의 유리상 함량보다 더 높은 연료 전지.
  14. 제1항에 있어서, 연료 전지는 고체 산화물 연료 전지인 연료 전지.
  15. 제14항에 있어서, 세라믹 구성요소는 애노드, 캐소드, 전해질 및 상호접속체(interconnect)로 이루어진 군으로부터 선택되는 구성요소를 포함하는 연료 전지.
  16. 제13항에 있어서, 제1 및 제2 세라믹 구성요소는 애노드, 캐소드, 전해질, 및 상호접속체로 이루어진 군으로부터 선택되는 구성요소를 포함하는 연료 전지.
  17. a) SiO2를 포함하고, 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 10%의 유리 안정제 성분을 추가로 포함하는 제1 코트를 연료 전지의 제1 세라믹 구성요소 위에 적용하는 단계;
    b) SiO2를 포함하는 제2 코트를 제1 코트 위에 적용하는 단계; 및
    c) 제1 및 제2 코트를 가열하여 밀봉 구성요소를 형성함으로써, 밀봉 구성 요소로 세라믹 구성요소를 밀봉하는 단계
    를 포함하며, 여기서 밀봉 구성 요소는, 세라믹 구성요소 위의 제1 유리-세라믹 층 및 제1 유리-세라믹 층 위의 제2 유리-세라믹 층을 포함하며, 제1 및 제2 유리-세라믹 층 각각은 독립적으로 부피 기준으로 약 0.5% 내지 약 50%의 유리상 함량을 포함하고, 제1 유리-세라믹 층은 제2 유리-세라믹 층보다 더 높은 유리상 함량을 포함하는, 연료 전지의 세라믹 구성요소의 밀봉 방법.
  18. 제17항에 있어서, 유리 안정제 성분은 B2O3, Bi2O3, Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, Cs2O, Sb2O3, SnO, La2O3, 및 PbO로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 화합물을 포함하는 방법.
  19. 제17항에 있어서, 유리 안정제 성분은 B2O3을 포함하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 제1 및 제2 코트 각각은 중합체 비히클을 추가로 포함하는 방법.
  21. 제20항에 있어서, 중합체 비히클은 결합제, 가소제 및 분산제 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  22. 제20항에 있어서, 제1 및 제2 코트를 가열하는 단계는, 제1 및 제2 코트를 중합체-비히클-결핍 층의 형성에 충분한 제1 온도 범위로 유지하는 단계, 그 후, 중합체-비히클-결핍 층을 소결된 층의 형성에 충분한 제2 온도 범위로 유지하는 단계, 및 그 후, 소결된 층을 제1 및 제2 유리-세라믹 층의 형성에 충분한 제3 온도 범위로 유지하는 단계를 포함하는 방법.
  23. 제22항에 있어서, 제1 온도 범위는 약 200℃ 내지 약 600℃이고, 제2 온도 범위는 약 700℃ 내지 약 1050℃이고, 제3 온도 범위는 약 800℃ 내지 약 1100℃인 방법.
  24. 제23항에 있어서, 층들을 제1, 제2, 및 제3 온도 범위 중 적어도 하나로 유지하는 단계는, 층들을 제1 온도로 유지하고, 그 후, 층들을 제1 온도와는 구별되는 제2 온도로 유지하는 것을 포함하는 방법.
  25. 제24항에 있어서, 제1 코트 및 제2 코트는 약 30분 내지 약 300분의 시간 동안 제1, 제2, 및 제3 온도 범위 각각으로 유지되는 방법.
  26. 제22항에 있어서, 제1 유리-세라믹 층은 부피 기준으로 약 10% 내지 약 40%의 유리상 함량을 포함하는 방법.
  27. 제22항에 있어서, 제2 유리-세라믹 층은 부피 기준으로 약 5% 내지 약 25%의 유리상 함량을 포함하는 방법.
  28. 제17항에 있어서, SiO2를 포함하는 제3 코트를 제1 코트와 제2 코트 사이에 적용하는 단계, 및 제1, 제2, 및 제3 코트를 가열하여 밀봉 구성요소를 포함하는 단계를 추가로 포함하며,
    밀봉 구성 요소는, 세라믹 구성요소 위의 제1, 제2, 및 제3 유리-세라믹 층을 포함하며, 제3 유리-세라믹 층은 부피 기준으로 약 0.5% 내지 약 50%의 유리상 함량을 포함하고, 제3 유리-세라믹 층은 제1 유리-세라믹 층보다 더 낮은 유리상 함량을 포함하고, 제2 유리-세라믹 층보다 더 높은 유리상 함량을 포함하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  29. 제28항에 있어서, 제1, 제2, 및 제3 코트를 가열하는 단계는, 제1, 제2, 및 제3 코트를 중합체-비히클-결핍 층의 형성에 충분한 제1 온도 범위로 유지하는 단계, 그 후, 중합체-비히클-결핍 층을 소결된 층의 형성에 충분한 제2 온도 범위로 유지하는 단계, 및 그 후, 소결된 층을 제1, 제2, 및 제3 유리-세라믹 층의 형성에 충분한 제3 온도 범위로 유지하는 단계를 포함하는 방법.
  30. 제29항에 있어서, 제1 온도 범위는 약 200℃ 내지 약 600℃이고, 제2 온도 범위는 약 700℃ 내지 약 1050℃이고, 제3 온도 범위는 약 800℃ 내지 약 1100℃인 방법.
  31. 제30항에 있어서, 층들을 제1, 제2, 및 제3 온도 범위 중 적어도 하나로 유지하는 단계는, 층들을 제1 온도로 유지하고, 그 후, 층들을 제1 온도와는 구별되는 제2 온도로 유지하는 것을 포함하는 방법.
  32. 제31항에 있어서, 제1 코트 및 제2 코트 및 제3 코트는 약 30분 내지 약 300분의 시간 동안 제1, 제2, 및 제3 온도 범위 각각으로 유지되는 방법.
  33. 제32항에 있어서, 제1 유리-세라믹 층은 부피 기준으로 약 10% 내지 약 40%의 유리상 함량을 포함하는 방법.
  34. 제33항에 있어서, 제2 유리-세라믹 층은 부피 기준으로 약 5% 내지 약 25% 의 유리상 함량을 포함하고, 제3 유리-세라믹 층은 부피 기준으로 약 10% 내지 약 30%의 유리상 함량을 포함하는 방법.
  35. 제17항에 있어서, 제3 코트를, 제1 세라믹 구성요소의 반대쪽에 위치된 제2 세라믹 구성요소와, 제2 코트의 반대쪽 사이에 적용하는 단계, 및 제1, 제2, 및 제3 코트를 가열하여 밀봉 구성요소를 포함하는 단계를 추가로 포함하며,
    밀봉 구성요소는, 세라믹 구성요소 위의 제1, 제2, 및 제3 유리-세라믹 층을 포함하며, 제3 유리-세라믹 층은 부피 기준으로 약 0.5% 내지 약 50%의 유리상 함량을 포함하고, 제3 유리-세라믹 층의 유리상 함량은 제2 유리-세라믹 층보다 더 높고, 제3 코트는 SiO2를 포함하고, 중량 기준으로 약 0.5% 내지 약 10%의 유리 안정제 성분을 포함하는 방법.
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Families Citing this family (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8932781B2 (en) * 2008-10-30 2015-01-13 Georgia Tech Research Corporation Chemical compositions, methods of making the chemical compositions, and structures made from the chemical compositions
US8858745B2 (en) * 2008-11-12 2014-10-14 Applied Materials, Inc. Corrosion-resistant bonding agents for bonding ceramic components which are exposed to plasmas
US8166777B2 (en) * 2010-03-22 2012-05-01 Battelle Memorial Institute Glass composition and process for sealing void spaces in electrochemical devices
FR2958283B1 (fr) * 2010-04-01 2014-07-04 Commissariat Energie Atomique Compositions de verres vitroceramiques pour joints d'appareils fonctionnant a de hautes temperatures et procede d'assemblage les utilisant.
JP5441176B2 (ja) * 2010-07-07 2014-03-12 日本特殊陶業株式会社 固体酸化物形燃料電池、固体酸化物形燃料電池スタック及び固体酸化物形燃料電池装置
DE102011011107B4 (de) 2011-02-12 2013-07-11 Schott Ag Sperrschicht aus Glas auf Metall, Verbundsystem, Brennstoffzelle mit der Sperrschicht, Verfahren zum Versehen von Metallen mit einer Sperrschicht sowie zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels
KR20130006119A (ko) * 2011-07-08 2013-01-16 삼성에스디아이 주식회사 전기화학전지 및 이의 제조방법
TWI597254B (zh) 2012-01-11 2017-09-01 聖高拜陶器塑膠公司 耐火物件
KR20130096890A (ko) 2012-02-23 2013-09-02 삼성에스디아이 주식회사 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법
JP5971517B2 (ja) * 2012-03-28 2016-08-17 Toto株式会社 固体酸化物型燃料電池装置
JP2014026956A (ja) * 2012-07-24 2014-02-06 Samsung Electro-Mechanics Co Ltd 固体酸化物形燃料電池
DE102012215824A1 (de) * 2012-07-26 2014-11-13 Schott Ag Zusatzstoff für elektrochemische Energiespeicher und elektrochemischer Energiespeicher
KR20140092981A (ko) * 2013-01-16 2014-07-25 삼성전자주식회사 하이브리드 실링구조를 갖는 고체 산화물 연료전지
US20140295313A1 (en) * 2013-03-29 2014-10-02 Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. Sanbornite-based glass-ceramic seal for high-temperature applications
CN103304140B (zh) * 2013-06-08 2015-05-20 福州大学 一种含Sb2O3的封接玻璃及其制备和使用方法
JP6252741B2 (ja) * 2013-09-27 2017-12-27 Toto株式会社 固体酸化物型燃料電池モジュールの製造方法、及び固体酸化物型燃料電池装置の製造方法
KR101595224B1 (ko) * 2013-12-25 2016-02-19 주식회사 포스코 단위스택 밀봉부, 고체산화물 연료전지 스택 및 그 제조방법
KR102625117B1 (ko) 2014-07-23 2024-01-16 플렉시탈릭 인베스트먼츠, 인크. 유리 코팅 조성물
EP3262011A4 (en) 2015-02-24 2018-08-01 Saint-Gobain Ceramics&Plastics, Inc. Refractory article and method of making
DE102015207285B4 (de) * 2015-04-22 2019-05-02 Schott Ag Glasiges oder zumindest teilweise kristallisiertes Einschmelzmaterial, Fügeverbindung, Sperrschicht, und Schichtsystem mit dem Einschmelzmaterial und dessen Integration in Bauteilen
US10797335B2 (en) * 2015-06-01 2020-10-06 SECRETARY, DEPARTMENT OF ELECTRONICS AND INFORMATION TECHNOLOGY (DeitY) Conductive solid oxide fuel cell electrolyte composition and a method for preparing the same
US9957192B2 (en) 2016-03-29 2018-05-01 Applied Materials, Inc. Low temperature fluoride glasses and glazes
CN115000449B (zh) * 2022-06-24 2023-07-04 西安石油大学 一种通过喷涂-流延工艺制备sofc电堆密封涂层的方法

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0660891A (ja) * 1992-08-12 1994-03-04 Tonen Corp 燃料電池用封止材
DE4334438C2 (de) * 1993-10-08 1996-12-19 Siemens Ag Composit-Glaslot sowie Verwendung des Composit-Glaslotes
US5453331A (en) * 1994-08-12 1995-09-26 University Of Chicago Compliant sealants for solid oxide fuel cells and other ceramics
JPH10321244A (ja) * 1997-05-16 1998-12-04 Chubu Electric Power Co Inc 固体電解質型燃料電池
DE59706104D1 (de) * 1997-10-02 2002-02-28 Siemens Ag Abdichten einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle oder eines Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapels
GB9807977D0 (en) 1998-04-16 1998-06-17 Gec Alsthom Ltd Improvements in or relating to coating
ATE423085T1 (de) * 1998-12-15 2009-03-15 Topsoe Fuel Cell As Hitzebeständiger abdichtungswerkstoff
US6430966B1 (en) * 1999-07-30 2002-08-13 Battelle Memorial Institute Glass-ceramic material and method of making
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
JP3510608B2 (ja) * 2001-06-18 2004-03-29 三菱重工業株式会社 シール材料
US7222406B2 (en) * 2002-04-26 2007-05-29 Battelle Memorial Institute Methods for making a multi-layer seal for electrochemical devices
CA2512083A1 (en) 2003-01-03 2004-07-29 Dong-Sang Kim Glass-ceramic material and method of making
US7214441B2 (en) * 2005-02-03 2007-05-08 Corning Incorporated Low alkali sealing frits, and seals and devices utilizing such frits
US7470640B2 (en) * 2006-04-11 2008-12-30 Corning Incorporated Glass-ceramic seals for use in solid oxide fuel cells

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EP2232620B1 (en) 2012-08-29
JP5231569B2 (ja) 2013-07-10

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