TW201806911A - 輕量陶瓷隔熱材料 - Google Patents

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杜安Ｌ 迪巴思提安尼
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Abstract

隔熱片10係由熱面層12、中間層14、與氣面層16構成。提供隔熱力之特徵包括將不透IR劑併入該熱面層中，在該熱面層與該中間層之間、及在該中間層與該氣面層之間提供低傳導容積42,58，如氣隙，及在該熱面層的背面及/或的該中間層的前面使用紅外線反射箔30,40。可用於該熱面層之基本材料包括基於氧化矽、氧化鋁、及氧化鋁-氧化矽之陶瓷材料。該熱面層中的不透IR劑可含有ZrO2、SiC、金紅石、TiO2、MnO、氧化鐵、CrO2、ZrSiO2、Al2O3、及其混合物。

Description

輕量陶瓷隔熱材料
本發明大致關於用於高溫應用之陶瓷高溫隔熱材料及其製造方法，更特定而言為高溫燃料電池用之多層、多功能隔熱組裝件及組件。
根據美國專利法施行細則37 CFR 1.97及1.98，包括所揭示的資訊之先前技術之敘述。
高溫燃料電池包括固態氧化物燃料電池(SOFC)及熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)。相較於其他燃料電池，SOFC/MCFC具有如高效率、不含昂貴的貴金屬含量、燃料有彈性、及系統架構簡單的優點，其均歸功於經濟優點而優於其他型式的燃料電池。
燃料電池之操作溫度分別對SOFC為700-1,000℃及對MCFC為500-700℃，其表示為了在經設計的大小限制內作用的熱管理，包括電池組及所有必要附件之燃料電池「熱箱」在操作溫度下需要高效率隔熱。「熱箱」內的大氣通常具有至多飽和程度之高濕度。在連續操作及維護期間，「熱箱」外部，即隔熱材料之冷或氣面，必須在短時間內「涼到可觸摸」以排除人體 受傷的危險。
已知的燃料電池隔熱用之隔熱材料包括基於纖維質及所謂的微多孔性粒子之隔熱，因為其具有SOFC及MCFC在操作溫度及壓力之長期操作所要求的隔熱性能與化學安定性組合。然而，此隔熱材料一般具有如機械強度低，缺乏足夠的結構剛性，透氣且透水，機製不良率、脆度、與產塵率高的缺點，使其在機製及組裝時必須使用特殊器具及HEPA級集塵。隔熱材料組裝件經常必須被裝入硬金屬(通常為不銹鋼)箱中，以防止塵及揮發性材料散佈在燃料電池內部。
因此，SOFC、MCFC、及其他應用現在需要無表面灰塵且不透氣或水氣之淨形狀或接近淨形狀高性能隔熱材料。亦需要在正常的高溫燃料電池操作條件下可維持「涼到可觸摸」冷表面溫度之隔熱材料。此外，所屬技術領域需要具有足以在小至大型燃料電池中作為承載結構組件或非承載組件的機械強度及剛性之隔熱。
本發明大致關於用於高溫應用之陶瓷高溫隔熱材料及其製造方法，更特定而言為高溫燃料電池用之多層、多功能複合隔熱組裝件及組件。
本發明之一態樣揭示一種燃料電池用之高溫複合隔熱板或片，其包括硬殼及核。該輕量硬殼係由多孔性熔融氧化矽、或其他的基於多孔性氧化矽之陶瓷材料製成，其具有足以在小至大型燃料電池中作為承載結構及非承載組件的強度。該複合隔熱板由側壁、及穩固 附接側壁之單片形成的冷面片與分離熱面片組成。在將該複合隔熱板用小型燃料電池的情形，可將陶瓷纖維或其他的撓性墊圈用於該熱面片與該側壁之間、及該冷面片與該側壁之間，以將通過側壁之熱轉移最小化。
本發明之另一態樣揭示一種燃料電池用之高溫複合隔熱板或片，其包括殼及核，且面對燃料電池「熱箱」之硬殼的「熱面」片含有不透IR劑，以減少紅外線輻射熱轉移通過該片。
本發明之另一態樣揭示一種燃料電池用之高溫複合隔熱板，其包括殼及核，且面對燃料電池「熱箱」之「熱面」片的表面可具有選用的陶瓷高放射率或隔熱塗層，以進一步減少輻射熱通過該片。
本發明之另一態樣揭示一種燃料電池用之高溫複合隔熱板，其包括殼及核，且該殼之「熱面」片的內表面以具有高紅外線輻射熱反射性之薄不銹鋼箔襯底。亦可安置多片薄不銹鋼箔，將其以分隔件分離而形成平行該「熱面」片的多重輻射熱反射片，以進一步藉多次反射改良輻射熱阻擋。
本發明之另一態樣揭示一種燃料電池用之高溫複合隔熱板，其包括殼及核，且該核可完全或部分以導熱度非常低的鬆散陶瓷粉填充。在部分填充該陶瓷粉的情形，在該填充核與該硬殼之「冷面」片之間形成氣隙。
本發明之另一態樣揭示一種燃料電池用之高溫複合隔熱板，其包括殼及核，且該用以填充核之鬆散 陶瓷粉可摻有不透IR劑，以減少紅外線輻射熱轉移通過該板。
本發明之另一態樣揭示一種燃料電池用之高溫複合隔熱板，其包括殼及核，且該完全或部分以鬆散陶瓷微多孔性粉末及填料填充之核由不透IR劑含量不同的多層組成。
本發明之另一態樣揭示一種燃料電池用之高溫複合隔熱板，其包括形成冷面片及側壁之無IR摻雜劑的單片硬熔融氧化矽殼。纖維玻璃布被置於該冷面片內部，而在鬆散陶瓷微多孔性粉填充層與冷面片之間形成氣隙。
本發明之另一態樣揭示一種燃料電池用之高溫複合隔熱片，其包括殼及核，且面對欲隔熱的裝置或燃料電池「熱箱」的硬殼之熱面層含有不透IR劑，以減少紅外線輻射熱轉移通過該層。
本發明之另一態樣揭示一隔熱層，其包含含有不透IR劑之氧化矽(如多孔性熔融氧化矽)、氧化鋁、或氧化鋁-氧化矽陶瓷，以減少紅外線輻射熱轉移通過該層。此層可被併入高溫複合隔熱板中。該隔熱層可含有不與主表面以流體方式連通之孔隙、按該層之小維度以外的方向定向之孔隙(其中該小維度為該層三維度中最小者)、或平行於該層表面而定向之孔隙。
10‧‧‧隔熱片
12‧‧‧裝置面層(或熱面層)
14‧‧‧中間層
16‧‧‧氣面層(或冷面層)
20‧‧‧隔熱片
22‧‧‧熱面層耐火材料
24‧‧‧熱面層耐火材料裝置側表面或前表面
26‧‧‧熱面層耐火材料氣側表面或背表面
28‧‧‧熱面層裝置側塗層
30‧‧‧熱面層氣側金屬箔覆層
34‧‧‧中間層裝置側組成物
36‧‧‧中間層裝置側組成物裝置側表面或中間層裝置側表面或前表面
38‧‧‧中間層裝置側組成物氣側表面
40‧‧‧中間層裝置側金屬箔覆層
42‧‧‧裝置側低傳導容積
44‧‧‧中間層氣側組成物
46‧‧‧中間層氣側組成物裝置側表面
48‧‧‧中間層氣側組成物氣側表面或中間層氣側表面或背表面
50‧‧‧玻璃纖維布
52‧‧‧氣面層裝置側表面或前表面
54‧‧‧氣面層氣側表面或背表面
58‧‧‧氣側低傳導容積
60‧‧‧外圍殼
62‧‧‧墊圈
80‧‧‧隔熱片
82‧‧‧熱面層外圍蓋
90‧‧‧隔熱片
92‧‧‧氣面層外圍蓋
100‧‧‧隔熱片
102‧‧‧孔結構
110‧‧‧隔熱片
112‧‧‧氣層裝置側金屬箔覆層
第1圖為本發明之片組裝件的垂直面之橫切面圖；及 第2圖為本發明之片組裝件的垂直面之橫切面圖；第3圖為本發明之片組裝件的垂直面之橫切面圖；第4圖為本發明之片組裝件的垂直面之橫切面圖；第5圖為本發明之片組裝件的垂直面之橫切面圖；及第6圖為本發明之片組裝件的垂直面之橫切面圖；圖式不意圖以任何方式限制，且認為本發明之各種具體實施例可以包括圖式未必描寫的各種其他方式進行。併入且形成說明書之一部分的附圖描述本發明之許多態樣，且連同說明用以解釋本發明之原理；然而應了解，本發明不限於所示的精確配置。
以下特定實例之說明不應用來限制本發明之範圍。在此揭示的版本之其他特徵、態樣、及優點由以下說明對所屬技術領域者為顯而易知。應了解，在此揭述的版本可有均不背離本發明之其他不同及顯見之態樣。因而圖式及說明應視為例證性而非限制性。
術語「微多孔性」在此用以定義其中孔或洞隙之最終尺寸在標準溫度及壓力(例如100奈米或以下的級數)小於空氣分子之平均自由路徑的多孔性或有孔材料。就此而言為微多孔性之材料因空氣傳導(即空氣分子之間的碰撞)所造成的熱轉移非常低。此微多孔性材料可藉由控制從溶液沈澱、在沈澱期間控制溫度及pH以獲得開放晶格沈澱而獲得。其他等效的開放晶格結構包括發 熱(發煙)及電熱型，其中大部分粒子具有小於100奈米之最終粒度。任何這些材料，例如基於氧化矽、氧化鋁、或其他的金屬氧化物，均可用以製備為如以上所定義的微多孔性之組成物。
第1圖描述本發明之隔熱片10的一具體實施例。在此具體實施例中，裝置面層或熱面層12被配置成鄰近或接觸中間層14的一表面。中間層14的對立表面被配置成鄰近或接觸氣面層或冷面層16。
第2圖描述本發明之隔熱片20的一具體實施例。裝置面層或熱面層12含有熱面層耐火材料22。熱面層耐火材料22具有熱面層耐火材料裝置側表面或前表面24，及在對立表面具有熱面層耐火材料氣側表面或背表面26。該熱面層耐火材料裝置側表面可部分或完全被熱面層裝置側塗層28覆蓋。該熱面層耐火材料氣側表面或背表面26可被熱面層氣側金屬箔覆層30覆蓋。裝置面層12可帶有多孔性結構，其中孔隙不與熱面層耐火材料裝置側表面或前表面24以流體方式連通。
裝置面層或熱面層12被配置成鄰近或接觸中間層14的一表面。中間層14可為均質性，或者可由複數種組成物組成。在第2圖所描述的具體實施例中，中間層14含有配置於中間層14鄰近裝置面層或熱面層12之側的中間層裝置側組成物34。中間層裝置側組成物鄰近裝置面層或熱面層12之側稱為中間層裝置側組成物裝置側表面36。中間層裝置側組成物遠離裝置面層或熱面層12之側稱為中間層裝置側組成物氣側表面38。裝置面層或熱 面層12可直接接觸中間層14，或者層12與14可藉低傳導容積42彼此分離。低傳導容積42可為氣隙。在其中中間層14為均質性之具體實施例中，中間層裝置側表面或前表面36面對裝置面層或熱面層12，及中間層氣側表面或背表面48面離裝置面層或熱面層12。
在第2圖所描述的具體實施例中，中間層14含有被置於中間層14遠離裝置面層或熱面層12之側的中間層氣側組成物44。中間層氣側組成物鄰近裝置面層或熱面層12之側稱為中間層氣側組成物裝置側表面46。中間層裝置側組成物遠離裝置面層或熱面層12之側稱為中間層氣側組成物氣側表面48。在本發明之特定具體實施例中，表面46與48均可部分或完全以玻璃纖維布50覆蓋。
在第2圖所描述的具體實施例中，中間層氣側組成物氣側表面48被配置成鄰近氣面層或冷面層16。氣面層或冷面層16鄰近中間層14之側稱為氣面層裝置側表面或前表面52。氣面層或冷面層16遠離中間層14之側稱為氣面層氣側表面或背表面54。中間層14可直接接觸氣面層或冷面層16，或者層14與16可藉低傳導容積58彼此分離。低傳導容積58可為氣隙。
氣面層或冷面層16可為平坦，或者可被設計成具有按中間層14方向延伸之外環蓋。氣面層或冷面層16可被設計成接收一部分或全部的中間層14厚度。隔熱片20可具有從氣面層或冷面層16延伸至中間層14，且封閉至少一部分的中間層14外圍之外圍殼60。外圍殼60可與氣面層或冷面層16整合，或者可為分離之片。墊圈62 密封配置於熱面層耐火材料氣側表面或背表面26與中間層14之裝置側或前側(或者如該具體實施例所示，中間層裝置側組成物裝置側表面36)之間的低傳導容積42。
第3圖描述本發明之隔熱片80的一具體實施例。在此具體實施例中，裝置面層或熱面層12被配置成鄰近或接觸中間層14的一表面。中間層14的對立表面被配置成鄰近或接觸氣面層或冷面層16。蓋82從熱面層12外圍按冷面層16方向延伸。蓋82從熱面層12之背表面或氣側表面延伸而形成容納中間層14之凹處。在此具體實施例中，裝置面層或熱面層12與冷面層或氣面層16結合而封閉中間層14。
第4圖描述本發明之隔熱片90的一具體實施例。在此具體實施例中，裝置面層或熱面層12被配置成鄰近或接觸中間層14的一表面。中間層14的對立表面被配置成鄰近或接觸氣面層或冷面層16。蓋92從冷面層16外圍按熱面層12方向延伸。蓋92從熱面層16之裝置側表面延伸而形成容納中間層14之凹處。在此具體實施例中，裝置面層或熱面層12與冷面層或氣面層16結合而封閉中間層14。
隔熱片10或20可被建構成具有50毫米(含)至250毫米(含)、75毫米(含)至150毫米(含)、110毫米(含)至135毫米(含)、或110毫米(含)至125毫米(含)之範圍的總厚度。
隔熱片10或20可由以二部分製成且具有部分或全部填充內容積的硬殼所建構。該硬殼由前熱面層12 、與具有側壁16之單片背冷面側所構成。
隔熱片10或20含有熱面層耐火材料22的部分可由可組合至少一種摻雜劑之基本材料所形成，且可具有15毫米(含)至40毫米(含)、或25毫米(含)至35毫米(含)之範圍的厚度。該基本材料可為基於多孔性輕量氧化矽、氧化鋁、或氧化鋁-氧化矽陶瓷之材料，尤其是可為基於熔凝氧化矽之多孔性剛性材料，且可具有排除孔隙而表示為0.7克/立方公分(含)至4.0克/立方公分(含)之範圍的密度、1.0克/立方公分(含)至1.6克/立方公分(含)之範圍的密度、0.9克/立方公分(含)至1.6克/立方公分(含)之範圍的密度、0.8克/立方公分(含)至1.6克/立方公分(含)之範圍的密度、0.6克/立方公分(含)至1.6克/立方公分(含)之範圍的密度、0.5克/立方公分(含)至1.6克/立方公分(含)之範圍的密度、或0.4克/立方公分(含)至1.6克/立方公分(含)之範圍的密度。該氧化矽可為熔凝氧化矽，且可為孔隙等於或大於45體積百分比且小於100體積百分比之氧化矽形式。該基本材料亦可包括氧化鎂及磷酸鹽材料，且可帶有基於鈣之成分作為黏結相。該至少一種摻雜劑可為選自由ZrO2、SiC、金紅石、TiO2、MnO、氧化鐵、CrO2、ZrSiO2、Al2O3、及其混合物所組成的群組之材料或不透IR劑，或者可選自由ZrO2或SiC所組成的群組。熱面層耐火材料22可含有4重量百分比(含)之不透IR劑摻雜劑至30重量百分比(含)之不透IR劑摻雜劑、8重量百分比(含)之不透IR劑摻雜劑至25重量百分比(含)之不透IR劑摻雜劑、或12重量百分比(含)之不透IR劑摻雜劑 至20重量百分比(含)之不透IR劑摻雜劑。隔熱片10或20之含有熱面層耐火材料22的部分可具有0.9克/立方公分(含)至1.8克/立方公分(含)之範圍的密度、或1.2克/立方公分(含)至1.6克/立方公分(含)之範圍的密度。隔熱片10或20之含有熱面層耐火材料22的部分可具有等於或大於4MPa之撓曲強度，且可具有在700℃為小於0.5瓦/米-K之導熱度k。
用於隔熱片10或20之含有熱面層耐火材料22的部分之基本材料可為包含氧化矽且導熱度低之注漿稠密形式。該稠密形式亦可藉積層、輥壓、沖壓、及其他可製造薄耐熱性結構之技術獲得。
用於隔熱片10或20之含有熱面層耐火材料22的部分之基本材料可藉凝膠流延法形成，且可帶有不透IR劑。
熱面層裝置側塗層28可被塗佈於熱面層耐火材料氣側表面或背表面26。塗層28可為陶瓷塗層，如高放射率奈米粒子陶瓷塗層，且可具有0.85(含)至0.95(含)之範圍的放射率值，其為測量再輻射能量對所吸收能量的比例值，及可含有奈米氧化矽材料。該陶瓷塗層可為1900℃之等級且可以噴鎗塗佈。在特定具體實施例中，可將熱面層裝置側塗料注入或滲透至熱面層耐火材料氣側表面或背表面26中。高溫高放射率塗料包括基於陶瓷之黑色塗料及聚矽氧-陶瓷黑色塗料。高溫高放射率塗料可含有無機黏著劑，如鹼/鹼土金屬矽酸鹽，如矽酸鈉、矽酸鉀、矽酸鈣、與矽酸鎂；填料，如金屬氧化物，例 如二氧化矽、氧化鋁、二氧化鈦、氧化鎂、氧化鈣、與氧化硼；及一種或以上的放射率試劑，如六硼化矽、四硼化碳、四硼化矽、碳化矽、二矽化鉬、二矽化鎢、二硼化鋯、亞鉻酸銅，或金屬氧化物，如氧化鐵、氧化鎂、氧化錳、氧化鉻、與氧化銅鉻，及其衍生物。
熱面層耐火材料氣側表面或背表面26可藉由使用紅外線阻斷體併入表面26中或其上而阻礙能量轉移。紅外線阻斷體可包括高隔熱性表面或塗層，如雲母、纖維、與漂珠；高放射率材料，如金屬或高E玻璃；反射性材料，如金屬分散液或膠合劑；或藉由在熱面層耐火材料氣側表面或背表面26上引入發泡體、大粒子、或粗度而提供的高孔隙度結構。熱面層耐火材料氣側表面或背表面26亦可製成回射擴散性，以防止熱因傳導而移動至熱面層耐火材料22之主體中。因此，纖維、具有高皺度之結構、或具有高導熱度之噴射粒子均可被施加於熱面層耐火材料氣側表面或背表面26。
熱面層氣側金屬箔覆層30可包含不銹鋼箔。金屬箔覆層30可具有0.2毫米(含)至0.45毫米(含)之範圍的厚度。金屬箔覆層可以單層、二層、或複數層使用。如果使用二層，則一層箔覆層30可被配置於熱面層之氣側，及一層箔覆層40可被配置於中間層14之裝置側。間隙或低傳導容積42可藉箔覆層30與箔覆層40之間的分離=而形成。如果使用二層，則其可藉分離尺寸為2毫米(含)至5毫米(含)之範圍的間隙分離。在一指定具體實施例中，由0.3毫米拋光箔形成二層金屬箔覆層，且藉分離尺 寸為2毫米(含)至5毫米(含)之範圍的間隙分離。
中間層14可由熔凝氧化矽、氧化鋁、鋁矽酸鹽、氧化物化合物、碳化物化合物、蛭石、雲母、天然矽藻材料、合成矽藻材料、隔熱纖維、中空陶瓷微球、微多孔性材料、基於氧化矽、氧化鋁、或其他的金屬氧化物之微多孔性材料、或氣凝膠所形成。中間層14可帶有黏合劑，如氧化鎂材料或磷酸鹽材料，或者可含有基於鈣之黏結相。中間層14亦可由其他剛性材料形成，其包括高溫聚合物。在本發明之特定具體實施例中，中間層14可本質上由空氣、氣體、或流體隔熱劑組成，使得這些材料連接裝置面層12與氣面層16。中間層中的材料可為非晶性、纖維、或結晶形式。全部中間層可摻有不透IR劑，其包含ZrO2、SiC、金紅石、TiO2、MnO、氧化鐵、CrO2、ZrSiO2、Al2O3、及其混合物，或者可選自由ZrO2或SiC所組成的群組。
在本發明之特定具體實施例中，中間層14含有配置於中間層14鄰近裝置面層或熱面層12之側的中間層裝置側組成物34、及被置於中間層14遠離裝置面層或熱面層12之側的中間層氣側組成物44。在其中中間層裝置側組成物34異於中間層氣側組成物44之本發明特定具體實施例中，組成物34摻有不透IR劑。在其中中間層裝置側組成物34異於中間層氣側組成物44之本發明特定具體實施例中，組成物34與44之一或兩者可包含不透IR劑，可本質上由不透IR劑組成，或者可完全由不透IR劑組成。在其中中間層裝置側組成物34異於中間層氣側組成 物44之本發明特定具體實施例中，組成物34之不透IR劑含量大於組成物44。組成物34之不透IR劑可包含ZrO2、SiC、金紅石、TiO2、MnO、氧化鐵、CrO2、ZrSiO2、Al2O3、及其混合物或組合，或者可選自由ZrO2或SiC所組成的群組。組成物34之次層之橫切面厚度，或面36至面38之橫向厚度，可具有15毫米(含)至40毫米(含)、或35毫米(含)至40毫米(含)之範圍的尺寸。在特定具體實施例中，組成物34之次層之不透IR劑含量可為組成物34之次層的其餘成分之5重量百分比(含)至500重量百分比(含)之範圍，可為組成物34之次層的其餘成分之50重量百分比(含)至200重量百分比(含)之範圍，可為組成物34之次層的其餘成分之100重量百分比(含)至200重量百分比(含)之範圍，或者可為組成物34之次層的其餘成分之60重量百分比(含)至120重量百分比(含)之範圍。在其中中間層裝置側組成物34異於中間層氣側組成物44之本發明特定具體實施例中，組成物34之不透IR劑含量可為該層的全部組成物之10重量百分比(含)至100重量百分比(含)之範圍。組成物34可具有在700℃為小於0.5瓦/米-K之導熱度k，及可在至高1000℃仍具有安定性。
中間層氣側組成物44可包含未摻雜發煙氧化矽、氣凝膠、中空陶瓷微球、或其他的輕量低導熱陶瓷粉。組成物44之次層之橫切面厚度，或面46至面48之橫向厚度，可具有15毫米(含)至65毫米(含)之範圍、15毫米(含)至40毫米(含)之範圍、25毫米(含)至40毫米(含)之範圍、或15毫米(含)至33毫米(含)之範圍的尺寸。
在本發明之另一具體實施例中，該中間層氣側組成物可由耐火陶瓷纖維所構成。該耐火纖維可為整塊、包覆層、或預成形模組之形式，且可具有在700℃為k<0.5瓦/米-K之導熱度。
中間層14可藉低傳導容積58而與氣面層或冷面層16分離。低傳導容積58可被填充空氣。
中間層14亦可包含被流體(如氣態物質，如空氣)佔據的容積。在其中中間層14包含容積之特定具體實施例中，其可被部分排空。
氣面層或冷面層16可為平坦，或者可被設計成具有在平坦結構外圍周圍延伸，且按裝置面層或熱面層12方向延伸之側壁。層16之厚度可為10毫米(含)至40毫米(含)之範圍，或者可為12毫米(含)至18毫米(含)之範圍。氣面層或冷面層16可由基於熔凝氧化矽之多孔性剛性材料、或其他基於氧化矽之輕量剛性材料所形成。按中間層14方向延伸之外環蓋。氣面層或冷面層16平面中的側壁之厚度可為10毫米(含)至25毫米(含)之範圍、或12毫米(含)至18毫米(含)之範圍。
對於大型的本發明隔熱片10與20，其可將支撐柱附接按氣面層16方向延伸之裝置面層12、及按裝置面層12方向延伸之氣面層16，而對全片區域提供壓縮及彎曲強度。
第5圖描述本發明之隔熱片100。裝置層或熱面層12連接中間層14。中間層14連接氣面層或冷面層16。裝置面層或熱面層12含有至少一個不與熱面層耐火材 料裝置側表面或前表面24以流體方式連通之孔結構102。此裝置層或熱面層12之具體實施例可藉由將管或棒擠壓成板體而形成。孔結構102可與裝置層或熱面層12的外部以流體方式連通，或者可與裝置層或熱面層12的外部隔離。孔結構102可為在平行於熱面層耐火材料裝置側表面或前表面24之平面中定向的通道之形式。熱面層耐火材料裝置側表面或前表面24為裝置層或熱面層12之主表面，主表面為具有該層三維中最大二維之表面。裝置層或熱面層12之一具體實施例可含有平行該層主表面的維度之一而定向之孔隙。
第6圖描述本發明之隔熱片110。在此具體實施例中，裝置面層或熱面層12被配置成接觸中間層14。中間層14的對立表面被配置成接觸氣面層或冷面層16。
在第6圖所示的具體實施例中，裝置面層或熱面層12含有熱面層耐火材料22。熱面層耐火材料22具有熱面層耐火材料裝置側表面或前表面24，及在對立表面具有熱面層耐火材料氣側表面或背表面26。該熱面層耐火材料裝置側表面可部分或完全被熱面層裝置側塗層28覆蓋。該熱面層耐火材料氣側表面或背表面26可被熱面層氣側金屬箔覆層30覆蓋。裝置面層12可帶有多孔性結構，其中孔隙不與熱面層耐火材料裝置側表面或前表面24以流體方式連通。
在第6圖所示的具體實施例中，裝置面層或熱面層12被配置成接觸中間層14。在此具體實施例，中間層14為設計成被流體(如氣態物質，如空氣)佔據的容積。
氣面層或冷面層16鄰近中間層14之側稱為氣面層裝置側表面或前表面52。氣面層或冷面層16遠離中間層14之側稱為氣面層氣側表面或背表面54。氣面層裝置側表面或前表面52可被氣層裝置側金屬箔覆層112覆蓋。
氣面層或冷面層16可為平坦，或者可被設計成具有按中間層14方向延伸之外環蓋。裝置面層或熱面層12可為平坦，或者可被設計成具有按中間層14方向延伸之外環蓋。隔熱片110可具有從氣面層或冷面層16延伸至中間層14，且封閉至少一部分的中間層14外圍之外圍殼60。外圍殼60可與裝置面層或熱面層12整合、可與氣面層或冷面層16整合，或者可為分離之片。
熱面層可藉由將分散劑加入水中而形成分散劑於水中的溶液，將摻雜劑攪拌加入該分散劑於水中的溶液而形成組合物，將澱粉混合水製造澱粉於水中的溶液，將該澱粉於水中的溶液加入注漿而形成注漿混合物，將該組合物加入該注漿混合物而形成摻雜劑-注漿組合物，將發泡劑、水、與酸加入該摻雜劑-注漿組合物而形成酸化發泡摻雜劑-注漿組合物，及將該酸化發泡摻雜劑-注漿組合物流延及硬化而形成組成熱面層之流延鑄形而製備。其可將塗層塗佈於流延鑄形之表面而組成熱面層。其可將金屬箔附接於流延鑄形之表面而組成熱面層。在其中將塗層塗佈於流延鑄形表面且將金屬箔附接於流延鑄形表面之本發明具體實施例中，該塗層及金屬箔均被施加於流延鑄形之遠端表面。
〔實施例I〕
藉注漿法製備摻雜15% SiC之熔凝氧化矽
將分散劑加入水而製備分散劑於水中的溶液(例如125克之分散劑對375克之水逐步成為總共35重量百分比，而形成25%分散劑於水中的溶液)。其可使用高剪切混合器，直到將分散劑完全混合於水中。
然後將摻雜劑加入該分散劑於水中的溶液(例如將468克之水攪拌加入168克之25%分散劑於水中的溶液)。使用高剪切混合器將SiC粉(例如1400克)逐步攪拌加入以上溶液。將組合物混合直到SiC粉完全分散於溶液中。其製造光滑可流動之半固態混合物。
將澱粉(例如57克)攪拌混合於水(例如500克)中製造澱粉於水中的溶液，而製備經摻雜發煙氧化矽注漿。將該澱粉於水中的溶液加入熔凝氧化矽注漿(例如達8700克之量)而形成注漿混合物。將先前製備之SiC摻雜劑分散於水中的溶液(例如1650克之量)加入該注漿混合物而形成摻雜劑-注漿組合物。使用低剪切混合器混合該摻雜劑-注漿組合物。將發泡劑之分別組合物(例如16克)在高剪切混合下加入水(例如82克)中。將發泡劑與水的組合物攪拌加入先前製造之摻雜劑-注漿組合物。將酸(例如11滴之30% HCl)加入該摻雜劑-注漿組合物。然後將該酸化發泡摻雜劑-注漿組合物在塗有脫模劑之鋼模具中流延，且將該模具以塑膠膜包覆。視情況可使用石膏模具代替鋼模具。將已填充之模具裝載於烤箱中硬化(例如在54、73、93、與110℃逐步硬化)。將硬化片在冷 卻到周溫之後脫模。然後將該片裝載於高燃爐中完成最終燒製(例如達到1150℃之溫度)。
〔實施例II〕
藉注漿法製備摻雜15% ZrO2之熔凝氧化矽
將IR摻雜劑(例如1400克之ZrO2粉)攪拌加入水(例如600克)中然後混合，而製備摻雜劑於水中的溶液。
分別將澱粉(例如57克)混合於500克之水中。將該澱粉於水中的溶液加入熔凝氧化矽注漿(例如8700克)而形成混合注漿。將先前製備之IR摻雜劑於水中的溶液加入該混合注漿。
分別將發泡劑(例如16克)在高剪切混合下加入水(例如82克)中，且持續混合而製造發泡體。將該發泡體攪拌加入先前製造之混合注漿，且混合該組合物。將酸(例如11滴之30% HCl)加入該組合的混合注漿。
將該組合的混合注漿在塗有脫模劑之鋼模具中流延，且將該模具以可拉伸塑膠膜包覆。視情況可使用石膏模具代替鋼模具。將已填充之模具裝載於烤箱中硬化(例如在54、74、93、與100℃逐步硬化)而製造硬化片。將該硬化片在冷卻到周溫之後脫模。然後使該硬化片接受最終燒製(例如將其裝載於高燃爐中，且完成1150℃之最終燒製)。
多層片可藉由組裝實施例I、II、或提供用於裝置面層或熱面層12之組成物之層，使得裝置面層或熱面層12之主表面被配置成鄰近或接觸冷面層或氣面層16之主表面而製備。中間層14可被安插於裝置面層或熱面 層12與冷面層或氣面層16之間，使得層14之一主表面被配置成鄰近或接觸裝置面層或熱面層12之主表面，及使得層14之一主表面被配置成鄰近或接觸冷面層或氣面層16之主表面。外圍分隔件可用以將裝置面層或熱面層12之主表面連接冷面層或氣面層16之主表面，或者可用以將裝置面層或熱面層12之主表面連接中間層14之一主表面，及將中間層14之一主表面連接冷面層或氣面層16之主表面。其可使用膠合劑或其他黏結劑黏附各表面。
本發明亦關於該多層片在隔熱應用中的用途。在此應用中，將一片或以上的多層片配置成圍繞欲隔熱的裝置，且以該片之前表面或熱側表面面向欲隔熱的發熱裝置而定向。然後操作該欲隔熱的裝置。該多層片之主平面可為多角形幾何，如三角形、四角形、五角形、或六角形幾何。該多層片可在一或二維彎曲或彎折，且可組裝形成各種幾何之隔熱封閉體，如多角形-稜鏡形封閉體(例如四角形-稜鏡形封閉體、三角形-稜鏡形封閉體、或六角形-稜鏡形封閉體)、圓柱形封閉體、或半球形封閉體。
以在此所述的隔熱片作提供燃料電池與其外圍之間的隔熱之用途亦在本發明之範圍內。
現已顯示及揭述本發明之各種版本，所屬技術領域者可藉不背離本發明之範圍的適當修改完成在此所述的方法及系統之進一步改造。現已提及許多此種可行的修改，且其他對所屬技術領域者為顯而易知。例如以上討論的實施例、版本、幾何、材料、尺寸、比例、 步驟等為例證性且非必要。因而本發明之範圍應就以下申請專利範圍而考量，且應了解不限於說明書及圖式中所揭述的結構及操作之細節。
12‧‧‧裝置面層(或熱面層)
14‧‧‧中間層
16‧‧‧氣面層(或冷面層)
20‧‧‧隔熱片
22‧‧‧熱面層耐火材料
24‧‧‧熱面層耐火材料裝置側表面或前表面
26‧‧‧熱面層耐火材料氣側表面或背表面
28‧‧‧熱面層裝置側塗層
30‧‧‧熱面層氣側金屬箔覆層
34‧‧‧中間層裝置側組成物
36‧‧‧中間層裝置側組成物裝置側表面或中間層裝置側表面或前表面
38‧‧‧中間層裝置側組成物氣側表面
40‧‧‧中間層裝置側金屬箔覆層
42‧‧‧裝置側低傳導容積
44‧‧‧中間層氣側組成物
46‧‧‧中間層氣側組成物裝置側表面
48‧‧‧中間層氣側組成物氣側表面或中間層氣側表面或背表面
50‧‧‧玻璃纖維布
52‧‧‧氣面層裝置側表面或前表面
54‧‧‧氣面層氣側表面或背表面
58‧‧‧氣側低傳導容積
60‧‧‧外圍殼
62‧‧‧墊圈

Claims (24)

  1. 一種隔熱片10，其包含：(a)具有前表面24與背表面26之熱面層12，其中該熱面層包含選自由氧化矽、氧化鋁、與基於氧化鋁-氧化矽之陶瓷材料所組成的群組之材料；(b)具有前表面34與背表面36之中間層14，其中該中間層14之前表面34鄰近熱面層12之背表面26；及(c)具有前表面52與背表面54之氣面層16，其中該氣面層16之前表面52鄰近中間層之背表面54。
  2. 如請求項1之隔熱片10，其進一步包含具有前表面與背表面之玻璃纖維布層50，其中該玻璃纖維布50被安插於該中間層14與該氣面層16之間，該玻璃纖維布層之前表面鄰近該中間層14之背表面38；及該玻璃纖維布層50之背表面鄰近該氣面層16之前表面52。
  3. 如請求項1之隔熱片10，其中該熱面層包含組合摻雜劑之基本材料；其中該基本材料包含選自由氧化矽、氧化鋁、與基於氧化鋁-氧化矽之陶瓷材料所組成的群組之材料；及其中該摻雜劑包含選自由ZrO2、SiC、金紅石、TiO2、MnO、氧化鐵、CrO2、ZrSiO2、Al2O3、及其混合物所組成的群組之不透IR劑(IR opacifier)。
  4. 如請求項1之隔熱片10，其中將裝置側低傳導容積42安插於該熱面層12之背表面26與該中間層14之前表面36之間。
  5. 如請求項4之隔熱片10，其中將紅外線反射箔配置於該熱面層12之背表面26。
  6. 如請求項1之隔熱片10，其中將氣側低傳導容積58安插於該中間層14之背表面38與該氣面層16之前表面52之間。
  7. 如請求項1之隔熱片10，其中將裝置側低傳導容積42安插於該熱面層22之背表面26與該中間層14之前表面36之間，及將氣側低傳導容積58安插於該中間層14之背表面48與該氣面層16之前表面52之間。
  8. 如請求項4之隔熱片10，其中將固體從該裝置側低傳導容積42排除。
  9. 如請求項6之隔熱片10，其中將固體從該氣側低傳導容積58排除。
  10. 如請求項1之隔熱片10，其中該中間層14包含選自由熔凝氧化矽、氧化鋁、鋁矽酸鹽、氧化物化合物、碳化物化合物、中空陶瓷微球、微多孔性材料、纖維質材料、與氣凝膠所組成的群組之物質。
  11. 如請求項1之隔熱片10，其中該中間層14包含選自由ZrO2、SiC、金紅石、TiO2、MnO、氧化鐵、CrO2、ZrSiO2、Al2O3、及其混合物所組成的群組之不透IR劑。
  12. 如請求項1之隔熱片10，其中該中間層14包含選自由ZrO2與SiC所組成的群組之不透IR劑。
  13. 如請求項1之隔熱片10，其中該中間層14包含配置於該中間層鄰近該熱面層12之側的中間層裝置側組成物34、及配置於該中間層遠離該熱面層12之側的中間層 氣側組成物44，且該中間層裝置側組成物34之組成物異於該中間層氣側組成物44。
  14. 如請求項13之隔熱片10，其中該中間層裝置側組成物34包含選自由ZrO2、SiC、金紅石、TiO2、MnO、氧化鐵、CrO2、ZrSiO2、Al2O3、及其混合物所組成的群組之不透IR劑。
  15. 如請求項14之隔熱片10，其中該中間層裝置側組成物34之不透IR劑含量大於該中間層氣側組成物44之不透IR劑含量。
  16. 如請求項13之隔熱片10，其進一步包含位於該中間層裝置側組成物34與該中間層氣側組成物44之間的玻璃纖維布層50。
  17. 如請求項1之隔熱片10，其中該氣面層16包含熔凝氧化矽。
  18. 一種隔熱層，其包含主表面及具有摻雜劑之基本材料；其中該基本材料包含選自由氧化矽、氧化鋁、與基於氧化鋁-氧化矽之陶瓷材料所組成的群組之材料；其中該摻雜劑包含選自由ZrO2、SiC、金紅石、TiO2、MnO、氧化鐵、CrO2、ZrSiO2、Al2O3、及其混合物所組成的群組之不透IR劑；及其中該隔熱層含有按該層之小維度(minor dimension)以外的方向定向之孔隙。
  19. 如請求項18之隔熱層，其中該基本材料包含基於熔凝氧化矽之材料。
  20. 如請求項18之隔熱層，其中該基本材料之密度為0.7 克/立方公分至4.0克/立方公分之範圍。
  21. 如請求項18之隔熱層，其中該摻雜劑包含選自由ZrO2與SiC所組成的群組之不透IR劑。
  22. 如請求項18之隔熱層，其中該層含有8重量百分比之不透IR劑摻雜劑至25重量百分比之不透IR劑摻雜劑。
  23. 如請求項18之隔熱層，其中該層含有12重量百分比之不透IR劑摻雜劑至20重量百分比之不透IR劑摻雜劑。
  24. 如請求項18之隔熱層，其中該層具有在700℃為小於0.5瓦/米-K之導熱度。
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