シール材および電気化学装置
【課題】常温を超える運転温度で使用される高温機器において、ガス流路の気密性を良好に確保することのできるシール材を提供すること。
【解決手段】実施形態のシール材１４、１５は、常温を超える運転温度で使用される高温機器において、ガス流路の気密性を確保するために該ガス流路に配置されるシール材に関する。実施形態のシール材１４、１５は、常温を超えかつ該運転温度以下の温度で膨張および硬化する材料を含む第１の層３１と、該第１の層３１に隣接して配置され、該運転温度以下の温度で軟化する材料を含む第２の層３２とを有する。
【解決手段】実施形態のシール材１４、１５は、常温を超える運転温度で使用される高温機器において、ガス流路の気密性を確保するために該ガス流路に配置されるシール材に関する。実施形態のシール材１４、１５は、常温を超えかつ該運転温度以下の温度で膨張および硬化する材料を含む第１の層３１と、該第１の層３１に隣接して配置され、該運転温度以下の温度で軟化する材料を含む第２の層３２とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態はシール材および電気化学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ）は、通常６００〜１０００℃前後の運転条件において酸素イオン導伝性を有する電解質膜を介して、水素または炭化水素等の還元剤と、酸素等の酸化剤とを反応させ、そのエネルギーを電気として取り出すものである。一方、高温水蒸気電解法（ＨＴＥ）は、高温の水蒸気を電気分解することにより水素と酸素とを得る方法で、その動作原理は固体電解質燃料電池の逆反応である。
【０００３】
このような電気化学装置の実用化にあたっては、約６００〜１０００℃の作動温度および酸化／還元雰囲気という作動雰囲気下で、電解質膜の両主面に設けられた一対の電極に異なる種類のガスを供給し、またこれらの電極から生成した異なるガスを排出する必要がある。電気化学装置の効率的な運転の観点から、このような異なる種類のガスが互いに混合、反応しないこと、また装置外に漏出しないこと、さらに他のガスが装置内に侵入しないことが求められる。
【０００４】
上記したように、電気化学装置は一般に６００〜１０００℃の高温下で運転され、常温から運転温度までの昇降温サイクルが繰り返して印加されることから、そのシール構造を主として構成するシール材には、このような昇降温サイクルによる各部の熱膨張差によって生じる応力やゆるみを緩和し、良好な気密性を確保することが求められる。
【０００５】
一方、電気化学セルは電解質や触媒等からなる複数のセラミック薄膜が積層されたものであり、電気化学装置への組み付けの際の締め付けにより破損しやすいことから、シール材にはこのような組み付けによる電気化学セルの破損を抑制できることも求められる。また、シール材には、このような組み付けによる自身の破損も抑制できることが求められる。
【０００６】
電気化学装置における電気化学セル、特に電解質膜と、これに隣接して配置されるセパレータとの間のシール構造については、これまで様々な検討が行われている（例えば、特許文献１〜３参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２８７５８５号公報
【特許文献２】特開２００９−２１７９５９号公報
【特許文献３】特開２０１０−５５９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであって、常温を超える運転温度で使用される高温機器において、ガス流路の気密性を良好に確保することのできるシール材を提供することを課題としている。また、本発明は、このようなシール材を用いた高効率な電気化学装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態のシール材は、常温を超える運転温度で使用される高温機器において、ガス流路の気密性を確保するために該ガス流路に配置されるシール材に関する。実施形態のシール材は、常温を超えかつ該運転温度以下の温度で膨張および硬化する材料を含む第１の層と、該第１の層に隣接して配置され、該運転温度以下の温度で軟化する材料を含む第２の層とを有することを特徴とする。
【００１０】
実施形態の電気化学装置は、電解質膜の両主面に一対の電極が設けられた電気化学セルと、該電気化学セルの少なくとも一方の電極側にガス流路を形成する流路形成材と、該電気化学セルと該流路形成材との間、または該流路形成材中に配置されるシール材とを有し、常温を超える運転温度で使用される電気化学装置に関する。実施形態の電気化学装置は、該シール材が上記した実施形態のシール材であることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態のシール材を用いた電気化学装置の一例を示す模式的縦断面図。
【図２】図１に示す電気化学セル、シール材等を示す平面図。
【図３】図１に示すシール材の一部拡大断面図（第１の層の膨張および硬化後）。
【図４】シール材厚みと、ガスリーク量およびシール材圧縮時の破壊確率との関係を説明する説明図。
【図５】シール材の変形例を示す断面図（第１の層の膨張および硬化後）。
【図６】シール材の他の変形例を示す断面図（第１の層の膨張および硬化後）。
【図７】電気化学装置の変形例を示す模式的縦断面図。
【図８】電気化学装置の他の変形例を示す一部拡大断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施形態のシール材および電気化学装置について説明する。
【００１３】
実施形態のシール材は、常温を超える運転温度で使用される高温機器において、ガス流路の気密性を確保するために該ガス流路に配置されるシール材に関する。実施形態のシール材は、常温を超えかつ該運転温度以下の温度で膨張および硬化する材料を含む第１の層と、該第１の層に隣接して配置され、該運転温度以下の温度で軟化する材料を含む第２の層とを有することを特徴とする。
【００１４】
実施形態のシール材によれば、高温機器の最初の運転時、特に昇温時に、主として第１の層、特に膨張および硬化する材料が膨張および硬化してガス流路の隙間を埋めることにより、該高温機器におけるガス流路の気密性を確保することができる。また、第１の層により必ずしも十分にガス流路の隙間を埋めることができない場合であっても、この隙間部分に第２の層、特に軟化する材料が軟化して充填されるために、ガス流路の気密性を確保することができる。
【００１５】
また、その後の運転時に、第１の層の劣化等によりガス流路に隙間が形成された場合や、第１の層自体に亀裂等の損傷により隙間が形成された場合であっても、この隙間部分に第２の層が軟化して充填されるために、ガス流路の気密性を維持することができる。
【００１６】
このように、実施形態のシール材によれば、構造材としての役割を有する第１の層に加えて、封止材としての役割を有する第２の層を有することで、第１の層を第２の層によって補完することができ、良好な気密性を確保することができる。また、第１の層と第２の層との２種の層からなるものとすることで、全体構造を比較的簡単なものとし、生産性も良好とすることができる。
【００１７】
なお、高温機器としては、常温を超える運転温度で使用されるものであれば特に限定されるものではないが、例えば水素等の還元剤と酸素等の酸化剤とを電気化学的に反応させて電気エネルギーと水蒸気等を得る電気化学装置、また例えば水蒸気を電気分解して水素と酸素とを得る電気化学装置が挙げられる。
【００１８】
実施形態の電気化学装置は、電解質膜の両主面に一対の電極が設けられた電気化学セルと、該電気化学セルの少なくとも一方の電極側にガス流路を形成する流路形成材と、該電気化学セルと該流路形成材との間、または該流路形成材中に配置されるシール材とを有し、常温を超える運転温度で使用される電気化学装置に関する。実施形態の電気化学装置は、該シール材が上記した実施形態のシール材であることを特徴とする。
【００１９】
実施形態の電気化学装置によれば、上記した実施形態のシール材を用いることで、ガス流路の気密性を良好に確保することができる。結果として、電気化学セルの一方の電極側に供給される反応ガスが他方の電極側に供給される反応ガスと混合して直接反応するいわゆるクロスリークや、反応ガスが電気化学装置外に漏出するいわゆるアウトリークを抑制し、高効率なものとすることができる。
【００２０】
なお、電気化学装置としては、例えば水素等の還元剤と酸素等の酸化剤とを電気化学的に反応させて電気エネルギーと水蒸気等を得るもの、また例えば水蒸気を電気分解して水素と酸素とを得るものが挙げられる。
【００２１】
以下、実施形態のシール材および電気化学装置について図面を参照して具体的に説明する。図１は、実施形態の電気化学装置の一例を示す模式的縦断面図である。また、図２は、図１に示す電気化学装置の電気化学セルやシール材等を示す平面図である。さらに、図３は、図１に示すシール材（第１の層の膨張および硬化後）の一部拡大断面図である。なお、図１に示す電気化学装置については、説明のために各部材間を分離して図示している。
【００２２】
まず、実施形態の電気化学装置１０の全体構造について説明する。電気化学装置１０は、主として電気化学を行う電気化学セル１１と、この電気化学セル１１に対向して配置され、電気化学セル１１へのガス流路を形成する流路形成材であるセパレータ１２、１３と、これらの間に配置され、ガス流路の気密性を確保するシール材１４、１５とを有している。
【００２３】
これら電気化学セル１１、セパレータ１２、１３、およびシール材１４、１５は、例えば絶縁シート１６、１７を介してエンドプレート２１、２２によって挟持されている。エンドプレート２１、２２による挟持は、各部材の外周部付近に周方向に一定の間隔となるように設けられた複数のボルト孔２３にボルト２４を挿入するとともに、これに取り付けたナット２５により締め付けることにより行われている。各部材におけるボルト孔２３の個数は、作業性を損なわない限度において多いことが好ましく、例えば８〜１２個が好ましい。
【００２４】
電気化学セル１１は、例えば平板状の電解質膜１１１の両主面に電極１１２、１１３が設けられたものである。この電気化学セル１１は、電解質膜１１１によって全体が支持されており、また全体が平板状を有しており、いわゆる電解質支持型平板セルと呼ばれるものである。電極１１２、１１３は、例えば一方が酸素極とされ、他方が水素極とされている。
【００２５】
電極１１２、１１３は、電解質膜１１１の略中央部に形成されるとともに、これよりも一回り小さく形成されている。そして、電解質膜１１１のうち、電極１１２、１１３が形成されない外周部が支持部として利用されている。電解質膜１１１、電極１１２、１１３は、例えば図２に示すように円形状とされているが、必ずしもこのような形状に限定されるものではなく、例えば四角形状等の非円形状であっても構わない。
【００２６】
電解質膜１１１は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等の電子絶縁性と酸素イオン導伝性を持つ固体酸化物材料を膜状に稠密に形成したものである。ここで稠密とは、電解質膜１１１でのガスリークが実質的に無視できる程度の稠密度であればよい。また、電極１１２、１１３のうち、酸素極となるものは、例えばランタン・ストロンチウム・マンガン系ペロブスカイト型酸化物（ＬＳＭ）からなるものとされ、水素極となるものは、例えばニッケルとＹＳＺとのサーメットの多孔質体からなるものとされている。
【００２７】
セパレータ１２、１３は、電気化学セル１１を挟持するように配置されており、エンドプレート２１、２２によって締め付けられることにより電極１１２、１１３と接触している。セパレータ１２、１３は、例えば円形状とされており、電極１１２、１１３に対して均等に電力の取り出しや供給等を行うために、これらよりも径大な略板状とされている。また、セパレータ１２、１３には、電力の取り出しや供給を行うための外部機器２６が電気的に接続されている。
【００２８】
セパレータ１２、１３の電極１１２、１１３に接触する接面には、図示しないが所定の間隔でガス供給溝が形成されており、このガス供給溝に図示しないガス供給手段が接続されて反応ガスが供給される。セパレータ１２、１３のガス供給溝は、通常、互いに直行する向きに形成されている。また、接面におけるガス供給溝以外の部分は、電極１１２、１１３に直接接触して電力の取り出しや供給に利用される。ここで、セパレータ１２、１３のうちシール材１４、１５が接する接面には全体として大きな凹凸が形成されておらず、平滑であることが好ましい。なお、この接面のうち、後述するシール材１４、１５の第２の層３２と接する部分については、この第２の層３２の接着性を向上させるために表面を粗く加工されていてもよい。
【００２９】
シール材１４、１５は、例えばシート状、かつ略環状とされており、電気化学セル１１とセパレータ１２、１３とによって挟持されている。具体的には、シール材１４、１５は、内径が電極１１２、１１３より大きく、かつ電解質膜１１１よりも小さくされており、内周部が電解質膜１１１とセパレータ１２、１３との間に挟持されている。一方、シール材１４、１５は、外径が電解質膜１１１よりも大きくされており、外周部がセパレータ１２、１３に挟持されて互いに直接接触した状態となっている。
【００３０】
このように電解質膜１１１とセパレータ１２、１３との間にシール材１４、１５を配置することで、これらの間の気密性を確保することができる。これにより、いわゆるクロスリークやアウトリークを抑制し、高効率なものとすることができる。
【００３１】
このような電気化学装置１０については、例えば電極１１２を酸素極とし、電極１１３を水素極とし、セパレータ１２のガス供給溝を通して反応ガス２７としての酸素等の酸化剤を供給し、セパレータ１３のガス供給溝を通して反応ガス２８としての水素等の還元剤を供給する。このようにすることで、セパレータ１２、１３から電力を取り出すことができる。一方、セパレータ１２、１３に電力を供給し、水素極となる電極１１３に水蒸気を供給することで、水蒸気を電気分解することもできる。このような電気化学装置１０において、実施形態のシール材１４、１５を用いることで、良好な気密性を確保して、いわゆるクロスリークやアウトリークを抑制し、高効率なものとすることができる。
【００３２】
なお、電気化学装置１０としては、必ずしも図１に示すような電気化学セル１１が電解質支持型平板セルであるものに限られない。図示しないが、電気化学セル１１としては、例えば一端が閉塞された円筒状のものであってもよく、このような電気化学セル１１へのガス流路を形成する円筒状等の流路形成材の途中にシール材１４、１５が配置されるものであってもよい。
【００３３】
次に、シール材１４、１５について具体的に説明する。
シール材１４、１５は、常温を超えかつ運転温度以下の温度で膨張および硬化する材料を含む第１の層３１と、運転温度以下の温度で軟化する材料を含む第２の層３２とを有する。
【００３４】
通常、電気化学装置１０の運転温度は１０００℃以下であることから、第１の層３１における膨張および硬化する材料、第２の層３２における軟化する材料は、このような温度以下で膨張および硬化、または軟化すればよいが、９００℃以下で膨張および硬化、または軟化することが好ましく、６００〜９００℃で膨張および硬化、または軟化することがより好ましい。
【００３５】
第１の層３１や第２の層３２は、例えば略環状とされており、第１の層３１の外側に第２の層３２が配置されている。このようなシール材１４、１５によれば、電気化学装置１０の最初の運転時に、主として第１の層３１が膨張および硬化することで、電解質膜１１１とセパレータ１２、１３との間の隙間を埋めて、これらの間の気密性を確保することができる。
【００３６】
また、第１の層３１により電解質膜１１１とセパレータ１２、１３との間を必ずしも十分に埋めることができず、これらの間に隙間が形成される場合であっても、この隙間部分に第２の層３２が軟化して充填されるために、これらの間の気密性を確保することができる。
【００３７】
また、その後の運転時に、第１の層３１の劣化等により電解質膜１１１とセパレータ１２、１３との間に隙間が形成された場合や、第１の層３１自体に損傷が発生して隙間が形成された場合であっても、この隙間部分に第２の層３２が軟化して充填されるために、電解質膜１１１とセパレータ１２、１３との間の気密性を維持することができる。
【００３８】
第１の層３１としては、例えば常温を超えかつ運転温度以下の温度で発泡する発泡材料３１１、運転温度以下の温度で溶融する溶融材料３１２、およびこれらを成形するためのバインダーを含むものが好ましい。このような第１の層３１は、例えば上記成分を混合して得られる混合物をシート状等の所定の形状に成形することによって製造することができる。なお、バインダーについては、成形性を良好にするために含まれるものであり、最初の運転時まで含有されていればよく、その後については熱分解により除去されるために含有されていなくてもよい。
【００３９】
このような第１の層３１については、最初の運転時に、例えば図３に示すように、発泡材料３１１が発泡することにより膨張および硬化する。なお、第１の層３１（発泡材料３１１）の硬化は、発泡した発泡材料３１１どうしが互いにかみ合うことで、言い換えれば発泡材料３１１が互いにかみ合うように発泡することで達成される。
【００４０】
そして、溶融材料３１２が溶融することにより、発泡した発泡材料３１１どうしの間、および発泡した発泡材料３１１と電解質膜１１１またはセパレータ１２、１３との間が埋められる。このような第１の層３１により、主として電解質膜１１１とセパレータ１２、１３との間が埋められ、これらの間の気密性が確保される。
【００４１】
発泡材料３１１としては、常温を超え、かつ運転温度以下の温度で発泡するものであればよいが、特にガラス化する成分と、水蒸気あるいは二酸化炭素等にガス化する成分とを含有するセラミックスが好ましい。このようなものとしては、例えばパーライト、フライアッシュ、黒曜石等が挙げられる。黒曜石に熱処理を施すことにより発泡した物質は、シラスバルーンとして知られている。
【００４２】
発泡材料３１１は、発泡材料３１１、溶融材料３１２、およびバインダーの合計量中、１〜２０質量％が好ましく、５〜１０質量％がより好ましい。発泡材料３１１の含有量を１質量％以上とすることで、第１の層３１を効果的に膨張させて、電気化学セル１１等の熱膨張に効果的に追随させることができる。一方、発泡材料３１１の含有量を２０質量％以下とすることで、溶融材料３１２の含有量を確保して十分な気密性を確保することができる。
【００４３】
溶融材料３１２としては、運転温度以下の温度で溶融するものであれば必ずしも制限されるものではないが、運転温度で安定した溶融状態を維持するものが好ましい。このようなものとしてはガラス材料が挙げられ、例えば珪酸ソーダ、硼珪酸ガラス等のガラス転移温度が運転温度以下となるものが挙げられる。なお、溶融材料３１２は、第１の層３１からの漏出を抑制するために、運転温度における流動性が大きくなりすぎないように組成が調整されていることが好ましい。溶融材料３１２は、例えば粉状またはファイバー状として含有させることができる。
【００４４】
溶融材料３１２は、発泡材料３１１、溶融材料３１２、およびバインダーの合計量中、３０〜４０質量％が好ましい。溶融材料３１２の含有量を３０質量％以上とすることで、発泡した発泡材料３１１どうしの間隙を効果的に埋めることができる。また、溶融材料３１２の含有量を４０質量％以下とすることで、第１の層３１からの溶融材料３１２の漏出も抑制することができる。
【００４５】
バインダーとしては、発泡材料３１１、および溶融材料３１２と混合して成形できるものであれば必ずしも制限されるものではないが、常温で安定した成形状態を維持できるものが好ましく、また運転温度以下の温度で熱分解により除去できるものが好ましい。このようなものとしては、例えばメチルセルロース等の一般的な有機バインダーが挙げられる。また、バインダーとしては、Ｃｒ、Ｓ等、電気化学セル１１への被毒成分を含まないものが好ましい。
【００４６】
バインダーの含有量は、発泡材料３１１、溶融材料３１２、およびバインダーの合計量中、１０〜３０質量％が好ましい。バインダーの含有量を１０質量％以上とすることで、成形性を良好にすることができる。また、バインダーの含有量を３０質量％以下とすることで、最初の運転時にバインダーを熱分解により除去しやすくなる。
【００４７】
第１の層３１は、さらに絶縁性を有する絶縁材料を含んでいてもよい。絶縁材料としては、電気化学セル１１を構成するセラミックス材料と同様の熱膨張率を有するものが好ましく、例えばイットリア安定化ジルコニア、アルミナ等のセラミックス材料が好適なものとして挙げられる。
【００４８】
第１の層３１に絶縁材料を含有させる場合、発泡材料３１１、溶融材料３１２、絶縁材料、およびバインダーの合計量中、発泡材料３１１は１〜２０質量％、溶融材料３１２は３０〜４０質量％、絶縁材料は２０〜３０質量％、バインダーは１０〜３０質量％が好ましい。なお。発泡材料３１１は５〜２０質量％がより好ましい。このようなものとすることで、絶縁性を十分なものとするとともに、その他の特性についても十分なものとすることができる。
【００４９】
第２の層３２としては、例えば運転温度以下の温度で溶融する溶融材料３２１、およびこれを常温にて成形するためのバインダーを含むものが挙げられる。このような第２の層３２については、例えば上記成分を混合して得られる混合物をシート状等の所定の形状に成形することによって製造することができる。なお、バインダーについては、成形性を良好にするために含まれるものであり、最初の運転時まで含有されていればよく、その後については熱分解により除去されるために含有されていなくてもよい。
【００５０】
このような第２の層３２によれば、最初の運転時に、第１の層３１における発泡した発泡材料３１１と電解質膜１１１またはセパレータ１２、１３との間が第１の層３１における溶融材料３１２によって必ずしも十分に埋められず、隙間が形成された場合であっても、この隙間部分を溶融材料３２１によって埋めることができ、電解質膜１１１とセパレータ１２、１３との間の気密性を確保することができる。
【００５１】
また、その後の運転時に、第１の層３１における溶融材料３１２が流出等により減少し、発泡した発泡材料３１１どうしの間に隙間が発生したり、また発泡した発泡材料３１１と電解質膜１１１またはセパレータ１２、１３との間に隙間が発生したりした場合であっても、この隙間部分を溶融材料３２１によって埋めることができ、電解質膜１１１とセパレータ１２、１３との間の気密性を確保することができる。
【００５２】
溶融材料３２１としては、運転温度以下の温度で溶融するものであれば必ずしも制限されるものではないが、運転温度で安定した溶融状態を維持するものが好ましい。このようなものとしては、第１の層３１に用いられる溶融材料３１２と同様のガラス材料が挙げられ、例えば珪酸ソーダ、硼珪酸ガラス等のガラス転移温度が運転温度以下となるものが挙げられる。この溶融材料３２１についても、第２の層３２からの漏出を抑制するために、運転温度における流動性が大きくなりすぎないように組成が調整されていることが好ましい。溶融材料３２１は、例えば粉状またはファイバー状として含有させることができる。
【００５３】
バインダーとしては、溶融材料３２１と混合して成形できるものであれば必ずしも制限されるものではないが、常温で安定した成形状態を維持できるものが好ましく、また運転温度以下の温度で熱分解により除去できるものが好ましい。このようなものとしては、第１の層３１に用いられるバインダーと同様のものが挙げられ、例えばメチルセルロース等の一般的な有機バインダーが挙げられる。また、バインダーとしては、Ｃｒ、Ｓ等、電気化学セル１１への被毒成分を含まないものが好ましい。バインダーは、成形性や分解性の観点から、溶融材料３２１、およびバインダーの合計量中、１０〜３０質量％が好ましい。
【００５４】
また、第２の層３２としては、上記したもの以外に、例えば上記した溶融材料３２１、および運転温度で溶融しないガラスまたはセラミックスの繊維を含むものとしてもよい。このような繊維は、例えば織布または不織布であることが好ましい。また、溶融材料３２１は、このような織布または不織布の間隙に担持されていることが好ましい。
【００５５】
このような溶融材料３２１と繊維とを含む第２の層３２は、繊維、例えば織布または不織布に、溶融材料３１２、必要に応じて上記したようなバインダーを分散させたスラリーを塗布することにより、また上記したスラリーに繊維、例えば織布または不織布を浸漬することにより製造することができる。このような第２の層３２によれば、本来の効果に加えて、運転時に溶融した溶融材料３２１を繊維に保持させることができ、他の部分に漏出することを抑制することができる。
【００５６】
溶融材料３２１と繊維とを含む第２の層３２については、溶融材料３２１と繊維との合計量中、繊維が１〜２０質量％であることが好ましい。このようなものとすることで、本来の効果を得つつ、運転時に溶融した溶融材料３２１を繊維に十分に保持させ、他の部分に漏出することを抑制することができる。
【００５７】
このような第１の層３１と第２の層３２とからなるシール材１４、１５の大きさは、電気化学セル１１の大きさによっても異なるが、その幅、すなわち外径と内径との差は１ｃｍ以上が好ましい。シール材１４、１５の幅を１ｃｍ以上とすることで、十分な気密性を確保することができる。また、シール材１４、１５の幅は３ｃｍ以下が好ましい。シール材１４、１５の幅を３ｃｍ以下とすることで、電気化学装置１０の大型化を抑制することができる。
【００５８】
また、第１の層３１の幅は、シール材１４、１５の全体の幅の１／２〜９／１０が好ましい。第１の層３１の幅をシール材１４、１５の全体の幅の１／２以上とすることで、主として気密性を確保する第１の層３１の効果を十分に得ることができる。また、第１の層３１の幅をシール材１４、１５の全体の幅の９／１０以下とすることで、第２の層３２の幅も十分に確保し、第２の層３２の効果も十分に得ることができる。
【００５９】
一方、第１の層３１、第２の層３２の厚さはシール材１４、１５の全体の表面が平滑となるように略同様とすることが好ましく、例えば０．１〜０．５ｍｍが好ましく、０．３〜０．５ｍｍがより好ましい。図４は、電気化学装置１０にシール材１４、１５を適用したときのシール材１４、１５の厚みと、ガスリーク量およびシール材１４、１５の破壊確率との関係を模式的に図示したものである。
【００６０】
図４に示すように、シール材１４、１５の厚みを増加させることで、ガスリーク、例えば電解質膜１１１とセパレータ１２、１３との間からのガスリークを抑制しやすくなる。しかし、シール材１４、１５の厚みを増加させると、シール材１４、１５の破壊確率、具体的には電気化学装置１０を製造する際の電解質膜１１１とセパレータ１２、１３との締め付けなどによる破壊確率が高くなる。また、シール材１４、１５の厚みが増加すると、電気化学装置１０も大型化しやすい。このためシール材１４、１５の厚さは０．１〜０．５ｍｍが好ましい。
【００６１】
以上、シール材１４、１５について一例を挙げて説明したが、シール材１４、１５としては、例えば図５に示すように第１の層３１の内側に、さらに別な第２の層３２が環状に配置されたものであっても構わない。また、図示しないが、第１の層３１についても２層以上配置されていても構わない。このように第１の層３１および第２の層３２を内外方向に複数配置する場合、例えば第１の層３１を合計した幅や第２の層３２を合計した幅について上記した関係を満たしていればよい。
【００６２】
また、シール材１４、１５としては、例えば図６に示すように第１の層３１の厚さ方向の両主面が第２の層３２によって覆われたものであっても構わない。この場合、第１の層３１の膨張による気密性の確保等の観点から、シール材１４、１５の全体の厚さの１／５〜１／１０程度を第１の層３１とすることが好ましい。
【００６３】
次に、電気化学装置１０の変形例について説明する。
電気化学装置１０としては、例えばセパレータ１２、１３のうち少なくとも一方が略皿状であるものが好ましい。図７は、セパレータ１２、１３のうち鉛直方向の下側に配置されるセパレータ１３を略皿状としたものである。
【００６４】
セパレータ１３は、中央部に略水平部１３１を有し、この略水平部１３１に対して外周部が鉛直方向の上側に傾斜されることにより傾斜部１３２が設けられている。このようなセパレータ１３によれば、いわゆるリザーバとして機能させることができ、運転時にシール材１４、１５の第２の層３２から溶融材料３２１が軟化して漏出したとしても、この漏出した溶融材料３２１を受け止めることができ、その他の部分への漏出を効果的に抑制することができる。
【００６５】
また、図８は、電気化学装置１０の他の変形例を示す一部拡大断面図である。
図８に示すように、例えばセパレータ１２はシール材１４との接面に穴部３３を有し、この穴部３３に運転温度で溶融する溶融材料３４が充填されていることが好ましい。このような溶融材料３４が充填される穴部３３は、例えばセパレータ１３に設けられていてもよい。また、溶融材料３４としては、例えば第１の層３１における溶融材料３１２や第２の層３２における溶融材料３２１と同様のものが挙げられる。
【００６６】
このようにシール材１４、１５に隣接するセパレータ１２、１３等に穴部３３を設けて溶融材料３４を充填することで、例えば運転時間の経過に伴って第１の層３１の溶融材料３１２や第２の層３２の溶融材料３２１が減少した場合に、溶融材料３４を補充することができ、結果として電解質膜１１１とセパレータ１２、１３との間の気密性を維持することができる。
【００６７】
穴部３３は、第１の層３１および第２の層３２のいずれに達するものであってもよいが、通常は第２の層３２の溶融材料３２１を補充する観点から、第２の層３２に達することが好ましい。なお、穴部３３は、部材を貫通しない単なる凹部であってもよいし、部材を貫通する貫通孔であってもよく、その孔径、個数、配置場所等も適宜選択することができる。
【００６８】
通常、各部材、すなわちセパレータ１２、１３、絶縁シート１６、１７、およびエンドプレート２１、２２には、それぞれ外周部に一定の間隔で複数のボルト孔２３が設けられていることから、このようなボルト孔２３を上記した穴部３３として利用することができる。ボルト孔２３を穴部３３として利用する場合、少なくともシール材１４、１５に直接接触するセパレータ１２、１３のボルト孔２３に溶融材料３４を充填することが好ましい。
【００６９】
次に、実施形態のシール材１４、１５の製造方法について説明する。
実施形態のシール材１４、１５は、例えば第１の層３１と第２の層３２とを別々に作製した後、両者を一体化することにより作製することができる。
【００７０】
第１の層３１は、例えば発泡材料３１１、溶融材料３１２、およびバインダー、必要に応じて絶縁材料を配合し、混合して混合物を調製した後、この混合物をカレンダーロール等の公知の成形方法によってシート状に成形し、さらに環状等の所定の形状に切り出すことによって製造することができる。
【００７１】
第２の層３２についても、第１の層３１と略同様にして作製することができ、例えば溶融材料３２１、およびバインダー、必要に応じて繊維を配合し、混合して混合物を調製した後、この混合物をカレンダーロール等の公知の成形方法によってシート状に成形し、さらに環状等の所定の形状に切り出すことによって製造することができる。
【００７２】
そして、このようにして得られたシート状の第１の層３１と第２の層３２とを所定の位置関係に配置することで、シール材１４、１５を得ることができる。この際、第１の層３１と第２の層３２とは隙間なく配置することが好ましい。また、このシール材１４、１５には、所定の位置にボルト孔２３を形成しておくことが好ましい。
【００７３】
また、実施形態の電気化学装置１０は、電気化学セル１１の両面にシール材１４、１５を貼り付けるようにして配置した後、このシール材１４、１５が貼り付けられた電気化学セル１１をセパレータ１２、１３、絶縁シート１６、１７、およびエンドプレート２１、２２で順次挟持し、最終的にボルト２４とナット２５とを利用して、例えば全体を８〜１６Ｎｍ程度の締め付け力で締め付けることにより製造することができる。
【００７４】
実施形態の電気化学装置１０によれば、シール材１４、１５、特に第１の層３１が膨張および硬化するために、必ずしも強固な締め付けを行う必要がなく、電気化学セル１１の破損を抑制することができる。また、必ずしも強固な締め付けを行う必要がないために、生産性も向上させることができる。また、第２の層３２を有するために、気密性を維持し、高効率なものとすることができる。
【００７５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、様々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７６】
１０…電気化学装置、１１…電気化学セル、１１１…電解質膜、１１２、１１３…電極、１２、１３…セパレータ、１３１…傾斜部、１４、１５…シール材、１６、１７…絶縁シート、２１、２２…エンドプレート、２３…ボルト孔、２４…ボルト、２５…ナット、３１…第１の層、３１１…発泡材料、３１２…溶融材料、３２…第２の層、３２１…溶融材料、３３…穴部
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態はシール材および電気化学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ）は、通常６００〜１０００℃前後の運転条件において酸素イオン導伝性を有する電解質膜を介して、水素または炭化水素等の還元剤と、酸素等の酸化剤とを反応させ、そのエネルギーを電気として取り出すものである。一方、高温水蒸気電解法（ＨＴＥ）は、高温の水蒸気を電気分解することにより水素と酸素とを得る方法で、その動作原理は固体電解質燃料電池の逆反応である。
【０００３】
このような電気化学装置の実用化にあたっては、約６００〜１０００℃の作動温度および酸化／還元雰囲気という作動雰囲気下で、電解質膜の両主面に設けられた一対の電極に異なる種類のガスを供給し、またこれらの電極から生成した異なるガスを排出する必要がある。電気化学装置の効率的な運転の観点から、このような異なる種類のガスが互いに混合、反応しないこと、また装置外に漏出しないこと、さらに他のガスが装置内に侵入しないことが求められる。
【０００４】
上記したように、電気化学装置は一般に６００〜１０００℃の高温下で運転され、常温から運転温度までの昇降温サイクルが繰り返して印加されることから、そのシール構造を主として構成するシール材には、このような昇降温サイクルによる各部の熱膨張差によって生じる応力やゆるみを緩和し、良好な気密性を確保することが求められる。
【０００５】
一方、電気化学セルは電解質や触媒等からなる複数のセラミック薄膜が積層されたものであり、電気化学装置への組み付けの際の締め付けにより破損しやすいことから、シール材にはこのような組み付けによる電気化学セルの破損を抑制できることも求められる。また、シール材には、このような組み付けによる自身の破損も抑制できることが求められる。
【０００６】
電気化学装置における電気化学セル、特に電解質膜と、これに隣接して配置されるセパレータとの間のシール構造については、これまで様々な検討が行われている（例えば、特許文献１〜３参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２８７５８５号公報
【特許文献２】特開２００９−２１７９５９号公報
【特許文献３】特開２０１０−５５９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであって、常温を超える運転温度で使用される高温機器において、ガス流路の気密性を良好に確保することのできるシール材を提供することを課題としている。また、本発明は、このようなシール材を用いた高効率な電気化学装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態のシール材は、常温を超える運転温度で使用される高温機器において、ガス流路の気密性を確保するために該ガス流路に配置されるシール材に関する。実施形態のシール材は、常温を超えかつ該運転温度以下の温度で膨張および硬化する材料を含む第１の層と、該第１の層に隣接して配置され、該運転温度以下の温度で軟化する材料を含む第２の層とを有することを特徴とする。
【００１０】
実施形態の電気化学装置は、電解質膜の両主面に一対の電極が設けられた電気化学セルと、該電気化学セルの少なくとも一方の電極側にガス流路を形成する流路形成材と、該電気化学セルと該流路形成材との間、または該流路形成材中に配置されるシール材とを有し、常温を超える運転温度で使用される電気化学装置に関する。実施形態の電気化学装置は、該シール材が上記した実施形態のシール材であることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態のシール材を用いた電気化学装置の一例を示す模式的縦断面図。
【図２】図１に示す電気化学セル、シール材等を示す平面図。
【図３】図１に示すシール材の一部拡大断面図（第１の層の膨張および硬化後）。
【図４】シール材厚みと、ガスリーク量およびシール材圧縮時の破壊確率との関係を説明する説明図。
【図５】シール材の変形例を示す断面図（第１の層の膨張および硬化後）。
【図６】シール材の他の変形例を示す断面図（第１の層の膨張および硬化後）。
【図７】電気化学装置の変形例を示す模式的縦断面図。
【図８】電気化学装置の他の変形例を示す一部拡大断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施形態のシール材および電気化学装置について説明する。
【００１３】
実施形態のシール材は、常温を超える運転温度で使用される高温機器において、ガス流路の気密性を確保するために該ガス流路に配置されるシール材に関する。実施形態のシール材は、常温を超えかつ該運転温度以下の温度で膨張および硬化する材料を含む第１の層と、該第１の層に隣接して配置され、該運転温度以下の温度で軟化する材料を含む第２の層とを有することを特徴とする。
【００１４】
実施形態のシール材によれば、高温機器の最初の運転時、特に昇温時に、主として第１の層、特に膨張および硬化する材料が膨張および硬化してガス流路の隙間を埋めることにより、該高温機器におけるガス流路の気密性を確保することができる。また、第１の層により必ずしも十分にガス流路の隙間を埋めることができない場合であっても、この隙間部分に第２の層、特に軟化する材料が軟化して充填されるために、ガス流路の気密性を確保することができる。
【００１５】
また、その後の運転時に、第１の層の劣化等によりガス流路に隙間が形成された場合や、第１の層自体に亀裂等の損傷により隙間が形成された場合であっても、この隙間部分に第２の層が軟化して充填されるために、ガス流路の気密性を維持することができる。
【００１６】
このように、実施形態のシール材によれば、構造材としての役割を有する第１の層に加えて、封止材としての役割を有する第２の層を有することで、第１の層を第２の層によって補完することができ、良好な気密性を確保することができる。また、第１の層と第２の層との２種の層からなるものとすることで、全体構造を比較的簡単なものとし、生産性も良好とすることができる。
【００１７】
なお、高温機器としては、常温を超える運転温度で使用されるものであれば特に限定されるものではないが、例えば水素等の還元剤と酸素等の酸化剤とを電気化学的に反応させて電気エネルギーと水蒸気等を得る電気化学装置、また例えば水蒸気を電気分解して水素と酸素とを得る電気化学装置が挙げられる。
【００１８】
実施形態の電気化学装置は、電解質膜の両主面に一対の電極が設けられた電気化学セルと、該電気化学セルの少なくとも一方の電極側にガス流路を形成する流路形成材と、該電気化学セルと該流路形成材との間、または該流路形成材中に配置されるシール材とを有し、常温を超える運転温度で使用される電気化学装置に関する。実施形態の電気化学装置は、該シール材が上記した実施形態のシール材であることを特徴とする。
【００１９】
実施形態の電気化学装置によれば、上記した実施形態のシール材を用いることで、ガス流路の気密性を良好に確保することができる。結果として、電気化学セルの一方の電極側に供給される反応ガスが他方の電極側に供給される反応ガスと混合して直接反応するいわゆるクロスリークや、反応ガスが電気化学装置外に漏出するいわゆるアウトリークを抑制し、高効率なものとすることができる。
【００２０】
なお、電気化学装置としては、例えば水素等の還元剤と酸素等の酸化剤とを電気化学的に反応させて電気エネルギーと水蒸気等を得るもの、また例えば水蒸気を電気分解して水素と酸素とを得るものが挙げられる。
【００２１】
以下、実施形態のシール材および電気化学装置について図面を参照して具体的に説明する。図１は、実施形態の電気化学装置の一例を示す模式的縦断面図である。また、図２は、図１に示す電気化学装置の電気化学セルやシール材等を示す平面図である。さらに、図３は、図１に示すシール材（第１の層の膨張および硬化後）の一部拡大断面図である。なお、図１に示す電気化学装置については、説明のために各部材間を分離して図示している。
【００２２】
まず、実施形態の電気化学装置１０の全体構造について説明する。電気化学装置１０は、主として電気化学を行う電気化学セル１１と、この電気化学セル１１に対向して配置され、電気化学セル１１へのガス流路を形成する流路形成材であるセパレータ１２、１３と、これらの間に配置され、ガス流路の気密性を確保するシール材１４、１５とを有している。
【００２３】
これら電気化学セル１１、セパレータ１２、１３、およびシール材１４、１５は、例えば絶縁シート１６、１７を介してエンドプレート２１、２２によって挟持されている。エンドプレート２１、２２による挟持は、各部材の外周部付近に周方向に一定の間隔となるように設けられた複数のボルト孔２３にボルト２４を挿入するとともに、これに取り付けたナット２５により締め付けることにより行われている。各部材におけるボルト孔２３の個数は、作業性を損なわない限度において多いことが好ましく、例えば８〜１２個が好ましい。
【００２４】
電気化学セル１１は、例えば平板状の電解質膜１１１の両主面に電極１１２、１１３が設けられたものである。この電気化学セル１１は、電解質膜１１１によって全体が支持されており、また全体が平板状を有しており、いわゆる電解質支持型平板セルと呼ばれるものである。電極１１２、１１３は、例えば一方が酸素極とされ、他方が水素極とされている。
【００２５】
電極１１２、１１３は、電解質膜１１１の略中央部に形成されるとともに、これよりも一回り小さく形成されている。そして、電解質膜１１１のうち、電極１１２、１１３が形成されない外周部が支持部として利用されている。電解質膜１１１、電極１１２、１１３は、例えば図２に示すように円形状とされているが、必ずしもこのような形状に限定されるものではなく、例えば四角形状等の非円形状であっても構わない。
【００２６】
電解質膜１１１は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等の電子絶縁性と酸素イオン導伝性を持つ固体酸化物材料を膜状に稠密に形成したものである。ここで稠密とは、電解質膜１１１でのガスリークが実質的に無視できる程度の稠密度であればよい。また、電極１１２、１１３のうち、酸素極となるものは、例えばランタン・ストロンチウム・マンガン系ペロブスカイト型酸化物（ＬＳＭ）からなるものとされ、水素極となるものは、例えばニッケルとＹＳＺとのサーメットの多孔質体からなるものとされている。
【００２７】
セパレータ１２、１３は、電気化学セル１１を挟持するように配置されており、エンドプレート２１、２２によって締め付けられることにより電極１１２、１１３と接触している。セパレータ１２、１３は、例えば円形状とされており、電極１１２、１１３に対して均等に電力の取り出しや供給等を行うために、これらよりも径大な略板状とされている。また、セパレータ１２、１３には、電力の取り出しや供給を行うための外部機器２６が電気的に接続されている。
【００２８】
セパレータ１２、１３の電極１１２、１１３に接触する接面には、図示しないが所定の間隔でガス供給溝が形成されており、このガス供給溝に図示しないガス供給手段が接続されて反応ガスが供給される。セパレータ１２、１３のガス供給溝は、通常、互いに直行する向きに形成されている。また、接面におけるガス供給溝以外の部分は、電極１１２、１１３に直接接触して電力の取り出しや供給に利用される。ここで、セパレータ１２、１３のうちシール材１４、１５が接する接面には全体として大きな凹凸が形成されておらず、平滑であることが好ましい。なお、この接面のうち、後述するシール材１４、１５の第２の層３２と接する部分については、この第２の層３２の接着性を向上させるために表面を粗く加工されていてもよい。
【００２９】
シール材１４、１５は、例えばシート状、かつ略環状とされており、電気化学セル１１とセパレータ１２、１３とによって挟持されている。具体的には、シール材１４、１５は、内径が電極１１２、１１３より大きく、かつ電解質膜１１１よりも小さくされており、内周部が電解質膜１１１とセパレータ１２、１３との間に挟持されている。一方、シール材１４、１５は、外径が電解質膜１１１よりも大きくされており、外周部がセパレータ１２、１３に挟持されて互いに直接接触した状態となっている。
【００３０】
このように電解質膜１１１とセパレータ１２、１３との間にシール材１４、１５を配置することで、これらの間の気密性を確保することができる。これにより、いわゆるクロスリークやアウトリークを抑制し、高効率なものとすることができる。
【００３１】
このような電気化学装置１０については、例えば電極１１２を酸素極とし、電極１１３を水素極とし、セパレータ１２のガス供給溝を通して反応ガス２７としての酸素等の酸化剤を供給し、セパレータ１３のガス供給溝を通して反応ガス２８としての水素等の還元剤を供給する。このようにすることで、セパレータ１２、１３から電力を取り出すことができる。一方、セパレータ１２、１３に電力を供給し、水素極となる電極１１３に水蒸気を供給することで、水蒸気を電気分解することもできる。このような電気化学装置１０において、実施形態のシール材１４、１５を用いることで、良好な気密性を確保して、いわゆるクロスリークやアウトリークを抑制し、高効率なものとすることができる。
【００３２】
なお、電気化学装置１０としては、必ずしも図１に示すような電気化学セル１１が電解質支持型平板セルであるものに限られない。図示しないが、電気化学セル１１としては、例えば一端が閉塞された円筒状のものであってもよく、このような電気化学セル１１へのガス流路を形成する円筒状等の流路形成材の途中にシール材１４、１５が配置されるものであってもよい。
【００３３】
次に、シール材１４、１５について具体的に説明する。
シール材１４、１５は、常温を超えかつ運転温度以下の温度で膨張および硬化する材料を含む第１の層３１と、運転温度以下の温度で軟化する材料を含む第２の層３２とを有する。
【００３４】
通常、電気化学装置１０の運転温度は１０００℃以下であることから、第１の層３１における膨張および硬化する材料、第２の層３２における軟化する材料は、このような温度以下で膨張および硬化、または軟化すればよいが、９００℃以下で膨張および硬化、または軟化することが好ましく、６００〜９００℃で膨張および硬化、または軟化することがより好ましい。
【００３５】
第１の層３１や第２の層３２は、例えば略環状とされており、第１の層３１の外側に第２の層３２が配置されている。このようなシール材１４、１５によれば、電気化学装置１０の最初の運転時に、主として第１の層３１が膨張および硬化することで、電解質膜１１１とセパレータ１２、１３との間の隙間を埋めて、これらの間の気密性を確保することができる。
【００３６】
また、第１の層３１により電解質膜１１１とセパレータ１２、１３との間を必ずしも十分に埋めることができず、これらの間に隙間が形成される場合であっても、この隙間部分に第２の層３２が軟化して充填されるために、これらの間の気密性を確保することができる。
【００３７】
また、その後の運転時に、第１の層３１の劣化等により電解質膜１１１とセパレータ１２、１３との間に隙間が形成された場合や、第１の層３１自体に損傷が発生して隙間が形成された場合であっても、この隙間部分に第２の層３２が軟化して充填されるために、電解質膜１１１とセパレータ１２、１３との間の気密性を維持することができる。
【００３８】
第１の層３１としては、例えば常温を超えかつ運転温度以下の温度で発泡する発泡材料３１１、運転温度以下の温度で溶融する溶融材料３１２、およびこれらを成形するためのバインダーを含むものが好ましい。このような第１の層３１は、例えば上記成分を混合して得られる混合物をシート状等の所定の形状に成形することによって製造することができる。なお、バインダーについては、成形性を良好にするために含まれるものであり、最初の運転時まで含有されていればよく、その後については熱分解により除去されるために含有されていなくてもよい。
【００３９】
このような第１の層３１については、最初の運転時に、例えば図３に示すように、発泡材料３１１が発泡することにより膨張および硬化する。なお、第１の層３１（発泡材料３１１）の硬化は、発泡した発泡材料３１１どうしが互いにかみ合うことで、言い換えれば発泡材料３１１が互いにかみ合うように発泡することで達成される。
【００４０】
そして、溶融材料３１２が溶融することにより、発泡した発泡材料３１１どうしの間、および発泡した発泡材料３１１と電解質膜１１１またはセパレータ１２、１３との間が埋められる。このような第１の層３１により、主として電解質膜１１１とセパレータ１２、１３との間が埋められ、これらの間の気密性が確保される。
【００４１】
発泡材料３１１としては、常温を超え、かつ運転温度以下の温度で発泡するものであればよいが、特にガラス化する成分と、水蒸気あるいは二酸化炭素等にガス化する成分とを含有するセラミックスが好ましい。このようなものとしては、例えばパーライト、フライアッシュ、黒曜石等が挙げられる。黒曜石に熱処理を施すことにより発泡した物質は、シラスバルーンとして知られている。
【００４２】
発泡材料３１１は、発泡材料３１１、溶融材料３１２、およびバインダーの合計量中、１〜２０質量％が好ましく、５〜１０質量％がより好ましい。発泡材料３１１の含有量を１質量％以上とすることで、第１の層３１を効果的に膨張させて、電気化学セル１１等の熱膨張に効果的に追随させることができる。一方、発泡材料３１１の含有量を２０質量％以下とすることで、溶融材料３１２の含有量を確保して十分な気密性を確保することができる。
【００４３】
溶融材料３１２としては、運転温度以下の温度で溶融するものであれば必ずしも制限されるものではないが、運転温度で安定した溶融状態を維持するものが好ましい。このようなものとしてはガラス材料が挙げられ、例えば珪酸ソーダ、硼珪酸ガラス等のガラス転移温度が運転温度以下となるものが挙げられる。なお、溶融材料３１２は、第１の層３１からの漏出を抑制するために、運転温度における流動性が大きくなりすぎないように組成が調整されていることが好ましい。溶融材料３１２は、例えば粉状またはファイバー状として含有させることができる。
【００４４】
溶融材料３１２は、発泡材料３１１、溶融材料３１２、およびバインダーの合計量中、３０〜４０質量％が好ましい。溶融材料３１２の含有量を３０質量％以上とすることで、発泡した発泡材料３１１どうしの間隙を効果的に埋めることができる。また、溶融材料３１２の含有量を４０質量％以下とすることで、第１の層３１からの溶融材料３１２の漏出も抑制することができる。
【００４５】
バインダーとしては、発泡材料３１１、および溶融材料３１２と混合して成形できるものであれば必ずしも制限されるものではないが、常温で安定した成形状態を維持できるものが好ましく、また運転温度以下の温度で熱分解により除去できるものが好ましい。このようなものとしては、例えばメチルセルロース等の一般的な有機バインダーが挙げられる。また、バインダーとしては、Ｃｒ、Ｓ等、電気化学セル１１への被毒成分を含まないものが好ましい。
【００４６】
バインダーの含有量は、発泡材料３１１、溶融材料３１２、およびバインダーの合計量中、１０〜３０質量％が好ましい。バインダーの含有量を１０質量％以上とすることで、成形性を良好にすることができる。また、バインダーの含有量を３０質量％以下とすることで、最初の運転時にバインダーを熱分解により除去しやすくなる。
【００４７】
第１の層３１は、さらに絶縁性を有する絶縁材料を含んでいてもよい。絶縁材料としては、電気化学セル１１を構成するセラミックス材料と同様の熱膨張率を有するものが好ましく、例えばイットリア安定化ジルコニア、アルミナ等のセラミックス材料が好適なものとして挙げられる。
【００４８】
第１の層３１に絶縁材料を含有させる場合、発泡材料３１１、溶融材料３１２、絶縁材料、およびバインダーの合計量中、発泡材料３１１は１〜２０質量％、溶融材料３１２は３０〜４０質量％、絶縁材料は２０〜３０質量％、バインダーは１０〜３０質量％が好ましい。なお。発泡材料３１１は５〜２０質量％がより好ましい。このようなものとすることで、絶縁性を十分なものとするとともに、その他の特性についても十分なものとすることができる。
【００４９】
第２の層３２としては、例えば運転温度以下の温度で溶融する溶融材料３２１、およびこれを常温にて成形するためのバインダーを含むものが挙げられる。このような第２の層３２については、例えば上記成分を混合して得られる混合物をシート状等の所定の形状に成形することによって製造することができる。なお、バインダーについては、成形性を良好にするために含まれるものであり、最初の運転時まで含有されていればよく、その後については熱分解により除去されるために含有されていなくてもよい。
【００５０】
このような第２の層３２によれば、最初の運転時に、第１の層３１における発泡した発泡材料３１１と電解質膜１１１またはセパレータ１２、１３との間が第１の層３１における溶融材料３１２によって必ずしも十分に埋められず、隙間が形成された場合であっても、この隙間部分を溶融材料３２１によって埋めることができ、電解質膜１１１とセパレータ１２、１３との間の気密性を確保することができる。
【００５１】
また、その後の運転時に、第１の層３１における溶融材料３１２が流出等により減少し、発泡した発泡材料３１１どうしの間に隙間が発生したり、また発泡した発泡材料３１１と電解質膜１１１またはセパレータ１２、１３との間に隙間が発生したりした場合であっても、この隙間部分を溶融材料３２１によって埋めることができ、電解質膜１１１とセパレータ１２、１３との間の気密性を確保することができる。
【００５２】
溶融材料３２１としては、運転温度以下の温度で溶融するものであれば必ずしも制限されるものではないが、運転温度で安定した溶融状態を維持するものが好ましい。このようなものとしては、第１の層３１に用いられる溶融材料３１２と同様のガラス材料が挙げられ、例えば珪酸ソーダ、硼珪酸ガラス等のガラス転移温度が運転温度以下となるものが挙げられる。この溶融材料３２１についても、第２の層３２からの漏出を抑制するために、運転温度における流動性が大きくなりすぎないように組成が調整されていることが好ましい。溶融材料３２１は、例えば粉状またはファイバー状として含有させることができる。
【００５３】
バインダーとしては、溶融材料３２１と混合して成形できるものであれば必ずしも制限されるものではないが、常温で安定した成形状態を維持できるものが好ましく、また運転温度以下の温度で熱分解により除去できるものが好ましい。このようなものとしては、第１の層３１に用いられるバインダーと同様のものが挙げられ、例えばメチルセルロース等の一般的な有機バインダーが挙げられる。また、バインダーとしては、Ｃｒ、Ｓ等、電気化学セル１１への被毒成分を含まないものが好ましい。バインダーは、成形性や分解性の観点から、溶融材料３２１、およびバインダーの合計量中、１０〜３０質量％が好ましい。
【００５４】
また、第２の層３２としては、上記したもの以外に、例えば上記した溶融材料３２１、および運転温度で溶融しないガラスまたはセラミックスの繊維を含むものとしてもよい。このような繊維は、例えば織布または不織布であることが好ましい。また、溶融材料３２１は、このような織布または不織布の間隙に担持されていることが好ましい。
【００５５】
このような溶融材料３２１と繊維とを含む第２の層３２は、繊維、例えば織布または不織布に、溶融材料３１２、必要に応じて上記したようなバインダーを分散させたスラリーを塗布することにより、また上記したスラリーに繊維、例えば織布または不織布を浸漬することにより製造することができる。このような第２の層３２によれば、本来の効果に加えて、運転時に溶融した溶融材料３２１を繊維に保持させることができ、他の部分に漏出することを抑制することができる。
【００５６】
溶融材料３２１と繊維とを含む第２の層３２については、溶融材料３２１と繊維との合計量中、繊維が１〜２０質量％であることが好ましい。このようなものとすることで、本来の効果を得つつ、運転時に溶融した溶融材料３２１を繊維に十分に保持させ、他の部分に漏出することを抑制することができる。
【００５７】
このような第１の層３１と第２の層３２とからなるシール材１４、１５の大きさは、電気化学セル１１の大きさによっても異なるが、その幅、すなわち外径と内径との差は１ｃｍ以上が好ましい。シール材１４、１５の幅を１ｃｍ以上とすることで、十分な気密性を確保することができる。また、シール材１４、１５の幅は３ｃｍ以下が好ましい。シール材１４、１５の幅を３ｃｍ以下とすることで、電気化学装置１０の大型化を抑制することができる。
【００５８】
また、第１の層３１の幅は、シール材１４、１５の全体の幅の１／２〜９／１０が好ましい。第１の層３１の幅をシール材１４、１５の全体の幅の１／２以上とすることで、主として気密性を確保する第１の層３１の効果を十分に得ることができる。また、第１の層３１の幅をシール材１４、１５の全体の幅の９／１０以下とすることで、第２の層３２の幅も十分に確保し、第２の層３２の効果も十分に得ることができる。
【００５９】
一方、第１の層３１、第２の層３２の厚さはシール材１４、１５の全体の表面が平滑となるように略同様とすることが好ましく、例えば０．１〜０．５ｍｍが好ましく、０．３〜０．５ｍｍがより好ましい。図４は、電気化学装置１０にシール材１４、１５を適用したときのシール材１４、１５の厚みと、ガスリーク量およびシール材１４、１５の破壊確率との関係を模式的に図示したものである。
【００６０】
図４に示すように、シール材１４、１５の厚みを増加させることで、ガスリーク、例えば電解質膜１１１とセパレータ１２、１３との間からのガスリークを抑制しやすくなる。しかし、シール材１４、１５の厚みを増加させると、シール材１４、１５の破壊確率、具体的には電気化学装置１０を製造する際の電解質膜１１１とセパレータ１２、１３との締め付けなどによる破壊確率が高くなる。また、シール材１４、１５の厚みが増加すると、電気化学装置１０も大型化しやすい。このためシール材１４、１５の厚さは０．１〜０．５ｍｍが好ましい。
【００６１】
以上、シール材１４、１５について一例を挙げて説明したが、シール材１４、１５としては、例えば図５に示すように第１の層３１の内側に、さらに別な第２の層３２が環状に配置されたものであっても構わない。また、図示しないが、第１の層３１についても２層以上配置されていても構わない。このように第１の層３１および第２の層３２を内外方向に複数配置する場合、例えば第１の層３１を合計した幅や第２の層３２を合計した幅について上記した関係を満たしていればよい。
【００６２】
また、シール材１４、１５としては、例えば図６に示すように第１の層３１の厚さ方向の両主面が第２の層３２によって覆われたものであっても構わない。この場合、第１の層３１の膨張による気密性の確保等の観点から、シール材１４、１５の全体の厚さの１／５〜１／１０程度を第１の層３１とすることが好ましい。
【００６３】
次に、電気化学装置１０の変形例について説明する。
電気化学装置１０としては、例えばセパレータ１２、１３のうち少なくとも一方が略皿状であるものが好ましい。図７は、セパレータ１２、１３のうち鉛直方向の下側に配置されるセパレータ１３を略皿状としたものである。
【００６４】
セパレータ１３は、中央部に略水平部１３１を有し、この略水平部１３１に対して外周部が鉛直方向の上側に傾斜されることにより傾斜部１３２が設けられている。このようなセパレータ１３によれば、いわゆるリザーバとして機能させることができ、運転時にシール材１４、１５の第２の層３２から溶融材料３２１が軟化して漏出したとしても、この漏出した溶融材料３２１を受け止めることができ、その他の部分への漏出を効果的に抑制することができる。
【００６５】
また、図８は、電気化学装置１０の他の変形例を示す一部拡大断面図である。
図８に示すように、例えばセパレータ１２はシール材１４との接面に穴部３３を有し、この穴部３３に運転温度で溶融する溶融材料３４が充填されていることが好ましい。このような溶融材料３４が充填される穴部３３は、例えばセパレータ１３に設けられていてもよい。また、溶融材料３４としては、例えば第１の層３１における溶融材料３１２や第２の層３２における溶融材料３２１と同様のものが挙げられる。
【００６６】
このようにシール材１４、１５に隣接するセパレータ１２、１３等に穴部３３を設けて溶融材料３４を充填することで、例えば運転時間の経過に伴って第１の層３１の溶融材料３１２や第２の層３２の溶融材料３２１が減少した場合に、溶融材料３４を補充することができ、結果として電解質膜１１１とセパレータ１２、１３との間の気密性を維持することができる。
【００６７】
穴部３３は、第１の層３１および第２の層３２のいずれに達するものであってもよいが、通常は第２の層３２の溶融材料３２１を補充する観点から、第２の層３２に達することが好ましい。なお、穴部３３は、部材を貫通しない単なる凹部であってもよいし、部材を貫通する貫通孔であってもよく、その孔径、個数、配置場所等も適宜選択することができる。
【００６８】
通常、各部材、すなわちセパレータ１２、１３、絶縁シート１６、１７、およびエンドプレート２１、２２には、それぞれ外周部に一定の間隔で複数のボルト孔２３が設けられていることから、このようなボルト孔２３を上記した穴部３３として利用することができる。ボルト孔２３を穴部３３として利用する場合、少なくともシール材１４、１５に直接接触するセパレータ１２、１３のボルト孔２３に溶融材料３４を充填することが好ましい。
【００６９】
次に、実施形態のシール材１４、１５の製造方法について説明する。
実施形態のシール材１４、１５は、例えば第１の層３１と第２の層３２とを別々に作製した後、両者を一体化することにより作製することができる。
【００７０】
第１の層３１は、例えば発泡材料３１１、溶融材料３１２、およびバインダー、必要に応じて絶縁材料を配合し、混合して混合物を調製した後、この混合物をカレンダーロール等の公知の成形方法によってシート状に成形し、さらに環状等の所定の形状に切り出すことによって製造することができる。
【００７１】
第２の層３２についても、第１の層３１と略同様にして作製することができ、例えば溶融材料３２１、およびバインダー、必要に応じて繊維を配合し、混合して混合物を調製した後、この混合物をカレンダーロール等の公知の成形方法によってシート状に成形し、さらに環状等の所定の形状に切り出すことによって製造することができる。
【００７２】
そして、このようにして得られたシート状の第１の層３１と第２の層３２とを所定の位置関係に配置することで、シール材１４、１５を得ることができる。この際、第１の層３１と第２の層３２とは隙間なく配置することが好ましい。また、このシール材１４、１５には、所定の位置にボルト孔２３を形成しておくことが好ましい。
【００７３】
また、実施形態の電気化学装置１０は、電気化学セル１１の両面にシール材１４、１５を貼り付けるようにして配置した後、このシール材１４、１５が貼り付けられた電気化学セル１１をセパレータ１２、１３、絶縁シート１６、１７、およびエンドプレート２１、２２で順次挟持し、最終的にボルト２４とナット２５とを利用して、例えば全体を８〜１６Ｎｍ程度の締め付け力で締め付けることにより製造することができる。
【００７４】
実施形態の電気化学装置１０によれば、シール材１４、１５、特に第１の層３１が膨張および硬化するために、必ずしも強固な締め付けを行う必要がなく、電気化学セル１１の破損を抑制することができる。また、必ずしも強固な締め付けを行う必要がないために、生産性も向上させることができる。また、第２の層３２を有するために、気密性を維持し、高効率なものとすることができる。
【００７５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、様々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７６】
１０…電気化学装置、１１…電気化学セル、１１１…電解質膜、１１２、１１３…電極、１２、１３…セパレータ、１３１…傾斜部、１４、１５…シール材、１６、１７…絶縁シート、２１、２２…エンドプレート、２３…ボルト孔、２４…ボルト、２５…ナット、３１…第１の層、３１１…発泡材料、３１２…溶融材料、３２…第２の層、３２１…溶融材料、３３…穴部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
常温を超える運転温度で使用される高温機器におけるガス流路の気密性を確保するために前記ガス流路に配置されるシール材であって、
常温を超えかつ前記運転温度以下の温度で膨張および硬化する材料を含む第１の層と、前記第１の層に隣接して配置され、前記運転温度以下の温度で軟化する材料を含む第２の層とを有することを特徴とするシール材。
【請求項２】
前記第１の層および前記第２の層は略環状を有し、前記第１の層の外側に前記第２の層が配置されていることを特徴とする請求項１記載のシール材。
【請求項３】
前記第１の層は、常温を超えかつ前記運転温度以下の温度で発泡する発泡材料、前記運転温度以下の温度で溶融する溶融材料、およびこれらを成形するためのバインダーを含むことを特徴とする請求項１または２記載のシール材。
【請求項４】
前記第２の層は、前記運転温度以下の温度で溶融する溶融材料、およびこれを成形するためのバインダーを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のシール材。
【請求項５】
前記第２の層に含まれるバインダーは、常温を超えかつ前記運転温度以下の温度で分解するものであり、前記電気化学セルに対する被毒成分を含まないことを特徴とする請求項４記載のシール材。
【請求項６】
前記第２の層は、前記溶融材料と前記バインダーとの合計量中、前記バインダーが１０〜３０質量％であることを特徴とする請求項４または５記載のシール材。
【請求項７】
前記第２の層は、前記運転温度以下の温度で溶融する溶融材料、および前記運転温度で溶融しないガラスまたはセラミックスからなる繊維を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のシール材。
【請求項８】
前記第２の層は、前記繊維からなる織布または不織布を有し、前記織布または不織布の間隙に前記溶融材料を有することを特徴とする請求項７記載のシール材。
【請求項９】
前記第２の層は、前記溶融材料および前記繊維の合計量中、前記繊維が１〜２０質量％であることを特徴とする請求項７または８記載のシール材。
【請求項１０】
前記第２の層に含まれる溶融材料は、珪酸ソーダまたは硼珪酸ガラスからなり、粉状またはファイバー状であることを特徴とする請求項４乃至９のいずれか１項記載のシール材。
【請求項１１】
前記シール材は厚みが０．１〜０．５ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項記載のシール材。
【請求項１２】
電解質膜の両主面に一対の電極が設けられた電気化学セルと、前記電気化学セルの少なくとも一方の電極側にガス流路を形成する流路形成材と、前記電気化学セルと前記流路形成材との間、または前記流路形成材中に配置されるシール材とを有し、常温を超える運転温度で使用される電気化学装置であって、
前記シール材が請求項１乃至１１のいずれか１項記載のシール材であることを特徴とする電気化学装置。
【請求項１３】
前記電気化学セルに対向して前記流路形成材としてのセパレータが配置され、前記電気化学セルと前記セパレータとの間に前記シール材が配置されていることを特徴とする請求項１２記載の電気化学装置。
【請求項１４】
前記セパレータは前記シール材との接面に穴部を有し、前記穴部に前記運転温度で溶融する溶融材料が充填され、
前記穴部は、前記シール材の前記第２の層に達することを特徴とする請求項１３記載の電気化学装置。
【請求項１】
常温を超える運転温度で使用される高温機器におけるガス流路の気密性を確保するために前記ガス流路に配置されるシール材であって、
常温を超えかつ前記運転温度以下の温度で膨張および硬化する材料を含む第１の層と、前記第１の層に隣接して配置され、前記運転温度以下の温度で軟化する材料を含む第２の層とを有することを特徴とするシール材。
【請求項２】
前記第１の層および前記第２の層は略環状を有し、前記第１の層の外側に前記第２の層が配置されていることを特徴とする請求項１記載のシール材。
【請求項３】
前記第１の層は、常温を超えかつ前記運転温度以下の温度で発泡する発泡材料、前記運転温度以下の温度で溶融する溶融材料、およびこれらを成形するためのバインダーを含むことを特徴とする請求項１または２記載のシール材。
【請求項４】
前記第２の層は、前記運転温度以下の温度で溶融する溶融材料、およびこれを成形するためのバインダーを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のシール材。
【請求項５】
前記第２の層に含まれるバインダーは、常温を超えかつ前記運転温度以下の温度で分解するものであり、前記電気化学セルに対する被毒成分を含まないことを特徴とする請求項４記載のシール材。
【請求項６】
前記第２の層は、前記溶融材料と前記バインダーとの合計量中、前記バインダーが１０〜３０質量％であることを特徴とする請求項４または５記載のシール材。
【請求項７】
前記第２の層は、前記運転温度以下の温度で溶融する溶融材料、および前記運転温度で溶融しないガラスまたはセラミックスからなる繊維を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のシール材。
【請求項８】
前記第２の層は、前記繊維からなる織布または不織布を有し、前記織布または不織布の間隙に前記溶融材料を有することを特徴とする請求項７記載のシール材。
【請求項９】
前記第２の層は、前記溶融材料および前記繊維の合計量中、前記繊維が１〜２０質量％であることを特徴とする請求項７または８記載のシール材。
【請求項１０】
前記第２の層に含まれる溶融材料は、珪酸ソーダまたは硼珪酸ガラスからなり、粉状またはファイバー状であることを特徴とする請求項４乃至９のいずれか１項記載のシール材。
【請求項１１】
前記シール材は厚みが０．１〜０．５ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項記載のシール材。
【請求項１２】
電解質膜の両主面に一対の電極が設けられた電気化学セルと、前記電気化学セルの少なくとも一方の電極側にガス流路を形成する流路形成材と、前記電気化学セルと前記流路形成材との間、または前記流路形成材中に配置されるシール材とを有し、常温を超える運転温度で使用される電気化学装置であって、
前記シール材が請求項１乃至１１のいずれか１項記載のシール材であることを特徴とする電気化学装置。
【請求項１３】
前記電気化学セルに対向して前記流路形成材としてのセパレータが配置され、前記電気化学セルと前記セパレータとの間に前記シール材が配置されていることを特徴とする請求項１２記載の電気化学装置。
【請求項１４】
前記セパレータは前記シール材との接面に穴部を有し、前記穴部に前記運転温度で溶融する溶融材料が充填され、
前記穴部は、前記シール材の前記第２の層に達することを特徴とする請求項１３記載の電気化学装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−３１２６５（Ｐ２０１２−３１２６５Ａ）
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７０９６７（Ｐ２０１０−１７０９６７）
【出願日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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