平均熱膨張係数が異なる２つの構成部材間に挿入されるシールを備えるアセンブリ、関連するシール、ＨＴＥ電解槽の封止への応用、およびＳＯＦＣ燃料電池
平均熱膨張係数が異なる２つの構成部材間の、典型的には５００℃超で動作するアセンブリであって、少なくとも一方の構成部材の熱膨張係数と少なくとも１．１０−６Ｋ−１の値だけ異なる熱膨張係数を有するシールが２つの構成部材間に挿入される、アセンブリ関する。本発明によれば、・閾値温度を下回る場合には、シールは、２つの構成部材を互いに接近する方向に一定にクランプすることによって達成される直交方向の圧縮を受け、・前記閾値温度を上回る場合には、シールは、クランプによる直交方向の圧縮と、閾値温度未満ではどこにも接触しないシールの端部部分が少なくとも一方の構成部材に対する半径方向に圧縮した状態となるまで、少なくとも一方の同一構成部材に対して圧迫接触するシール表面で摺動することによって達成される半径方向の圧縮と、を受ける。本シールは、所定の耐用期間の使用サイクル中にそれ自体のクリープ破断点に達しないように設計する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、例えば金属構成部材およびセラミック構成部材から選択される、平均熱膨張係数が異なる２つの構成部材間のシール形成に関する。
【０００２】
本発明は、一般に高温で動作するセラミック‐金属間連結部に応用する。
【０００３】
有利なことに、本発明は、水素生成に使用する高温蒸気電解槽（一般に、また以下に「ＨＴＥ」と称される）に応用する。
【０００４】
本発明は、高温で動作する燃料電池、すなわち固体酸化物燃料電池（一般に、また以下に「ＳＯＦＣ」と称される）にも応用することができる。
【背景技術】
【０００５】
ＨＴＥは、６００℃〜１０００℃の範囲における水の電気分解によって水素を生成する電気化学系に関するものである。これら電気化学系は、最も将来性のある水素生成プロセスの１つである。
【０００６】
したがって、本願人は、温室効果ガスを発生しない熱源、とりわけ原子力、地熱または太陽由来の熱源に結合した電解槽の迅速な製造を企図する。
【０００７】
競争力のある生成コストを実現するための１つの選択肢としては、蒸気相の水を高温で電気分解することが挙げられる。この技術では、継続的なガス管理および封止維持が大きな障壁となっている。
【０００８】
想定される温度では、主にセラミックの３層スタックを備える電気化学セルが使用されるが、１つの欠点はその脆弱性にある。この脆弱性が原因でシールに加える力を制限することになる。さらに、電解質材料は低温でのイオン伝導性が低いため、抵抗損を制限するために動作温度を６００℃以上に上昇させる必要がある。このため金属材料、とりわけバイポーラプレートおよびシールの耐久性を持たせることが困難となる。バイポーラプレートに関しては、酸化が高温下での主な欠点のように思われるが、シールの機械強度はより重大な欠点となる。
【０００９】
シールの耐漏洩性（leak-tightness）が不十分である場合、すなわち燃料（および最終生成物）の損失が１％を超える場合は、ＨＴＥまたは高温燃料電池（ＳＯＦＣ）が今日の成熟している技術と比較して競争力のあるエネルギー収率を達成することはできなくなる。
【００１０】
これら電気化学系の封止に関する基本的な解決策は、ガラスシールを使用する。しかしながら、ガラスは熱サイクル特性が悪い。
【００１１】
現在商業的に利用可能であり、十分な性能レベルを得ることが可能となる、圧縮の下に配置した金属シールを使用する封止解決策では、典型的には２０Ｎ／ｃｍを上回る高いクランプ力をシールに加えることが必要となる。
【００１２】
また、上述のとおり、ＳＯＦＣタイプまたはＨＴＥ向けの燃料電池で使用されるセルは、セラミック電解質や多孔質電極のようなもろい材料を含む。このようなもろい材料は、上述のような高いクランプ力に耐えることができない。
【００１３】
したがって、最近では低圧縮力で済む様々なシールが開発されている。開発段階のシールを、燃料電池アセンブリ内の基本セルを分離するスペーサに組み込むものもある。
【００１４】
特許文献１（米国特許第７，２２６，６８７号）には、１個のセルのアノードと隣接するセルのカソードとを、シールとして作用する金属セパレータによって分離する燃料電池スタックが開示されている。各セパレータは、スタンピング加工を使用し、また端縁をカーリングして形成する。端縁がカーリングされた各セパレータは、軸方向の圧縮下でのみ作用する。この特許文献１は、平均熱膨張係数が異なる２つの材料間のシールには注目していない。
【００１５】
したがって、ＳＯＦＣおよび／またはＨＴＥに直接適用可能であり、典型的には２０Ｎ／ｃｍ未満の低いクランプ力によるシールの封止解決策は、現時点ではほとんど提案されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】米国特許第７，２２６，６８７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
したがって、本発明の目的は、平均熱膨張係数が異なる２つの構成部材間における新しいタイプの連結を提案することである。典型的には、低いクランプ力を利用して５００℃以上の高温における耐漏洩性を効率的に保証するとともに、ＨＴＥおよび／またはＳＯＦＣで実施される熱サイクルに耐えられるようにする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
したがって、本発明の要旨は、異なる平均熱膨張係数を有する２つの構成部材間のアセンブリであり、該アセンブリは、前記２つの構成部材間に挿入されてシールを形成する素子を備え、前記シールの平均熱膨張係数は、前記２つの構成部材のうち少なくとも一方の平均熱膨張係数から少なくとも１．１０−６Ｋ−１の値だけ異なり、また前記シールの連続形状は、互いに分離した平面と、前記平面間に形成される部分の外側に位置する少なくとも１つの端部部分と、を備える。
【００１９】
本発明によれば、前記アセンブリの封止は、
・所定の閾値温度を下回る場合には、前記各構成部材を互いに接近する方向に一定にクランプすることにより前記構成部材に対して直交する直交方向（Ｘ）のシール圧縮によって得られ、このシール圧縮は、前記平面の一部が一方の前記構成部材に対して固定されるよう圧迫接触し、また前記平面の別の部分が他方の前記構成部材に対して固定されるよう圧迫接触するとともに、前記シールの前記端部部分はどこにも接触しないままとなるように生じ、
・前記閾値温度を上回る場合には、やはりクランプによって達成される前記シールの直交方向の圧縮と、温度の上昇中に前記構成部材上で圧迫接触状態にある前記平面の少なくとも一部が摺動し、前記端部部分が構成部材による半径方向の圧縮状態となるまで摺動することによって達成される前記各構成部材に対する半径方向のシール圧縮と、によって得られるように生ずる。
【００２０】
したがって、本発明の解決策には、初期クランプによって達成される各構成部材に対して直交する直交方向の圧縮と、シールが一方（又は両方）の構成部材による軸方向の圧縮状態下になるまでシールを熱膨張差により摺動させることによって達成される半径方向の圧縮と、の組合せが含まれる。
【００２１】
材料の粘塑性によるクリープおよび弛緩現象も考慮しなければならない。
【００２２】
クリープは、よく知られている現象であり、時間の関数である。この現象は、粘塑性材料が時間にわたって一定の力を受けるときに発生する。したがって、当業者は、アセンブリの使用期間にわたる熱サイクル中に降伏点に達することがないようにシール形状を注意深く画定する。
【００２３】
同様に、シールが一定の高さで作用する、すなわち（材料の弛緩時から）経時的に変化する力の下で作用する場合、材料および厚さの選択は、材料の弛緩が十分低く保たれ、それによって所望の封止を保証する十分な接触力を維持するように適合される。
【００２４】
図１に示す表は、ＡＩＳＩ ４３０またはＦ１７フェライト鋼に関してＵＧＩＮＥから提供されるものである。図１の表は、この材料のクリープ破断強度（単位はＭＰａ）を、該材料が受ける温度と使用時間の関数として示している。したがって、本発明によれば、（例えばＨＴＥ電解槽の据置き用途において）アセンブリが６００℃の温度で使用サイクル１０，０００時間超となる場合、本発明に適したＦ１７フェライト鋼では、シールの破断強度は４５ＭＰａ未満となる。
【００２５】
これらの問題を考慮に入れて、材料および材料の厚さの選択は、商用シミュレーションソフトウェアを使用して行うことができる。
【００２６】
有利な一実施形態によれば、前記シールは、一方の前記構成部材の平均熱膨張係数α３から０〜１０−６Ｋ−１の範囲の値だけ異なる平均熱膨張係数と、互いに分離した３つの平面および前記平面間で形成される部分の外側に位置する端部部分を備える連続形状と、を有し、アセンブリの封止は、
・前記閾値温度を下回る場合には、前記３つの平面のうち、１つの平面が前記シールの熱膨張係数との差が最も小さい熱膨張係数を有する前記構成部材に対して圧迫接触し、他の２つの平面が前記シールの平均熱膨張係数との差が最も大きい平均熱膨張係数を有する前記構成部材に対して圧迫接触するとともに、前記端部部分はどこにも接触しないままとなる一定のクランプによって生じ、
・前記閾値温度を上回る場合には、前記平面が平均熱膨張係数差の最も小さい平均熱膨張係数を有する前記構成部材に対して固定するよう圧迫接触した状態を維持する同一のクランプによって達成される前記シールの直交方向の圧縮と、平均熱膨張係数差の最も大きい平均熱膨張係数を有する前記構成部材上で前記他の２つの平面を摺動し、前記端部部分がこの構成部材による半径方向の圧縮下に置かれるまで摺動することによって達成される前記各構成部材に対して前記シールの半径方向の圧縮と、によって生ずるようにする。
【００２７】
一実施形態によれば、熱膨張係数差の最も小さい平均熱膨張係数を有する前記構成部材は、金属構成部材とし、熱膨張係数差の最も大きい平均熱膨張係数を有する前記構成部材は、セラミック構成部材とする。
【００２８】
一変形例によれば、前記金属構成部材および前記シールは、単一ブロック素子を形成することができる。これにより、とりわけＨＴＥスタックまたはＳＯＦＣ燃料電池の構造的な一部、例えばガスを分配する役割を担う相互接続部またはコレクタにシールを直接組み込むことが可能となる。
【００２９】
１つの有利な構成によれば、前記２つの構成部材は、平面基板とし、そのうち少なくとも一方は、前記端部部分に連続した前記平面を収容するアンダーカットを備え、前記端部部分の半径方向の圧縮は、該アンダーカットの端縁に対して発生する。
【００３０】
別の好ましい構成によれば、前記端部部分の半径方向の圧縮は、前記基板のうち一方の端縁に対して発生する。
【００３１】
本発明は、上述のアセンブリ内に挿入することを想定したシールに関するものでもあり、前記シールは、互いに分離した平面と、前記平面間で形成される部分の外側に位置する端部部分とを備える少なくとも１つの連続形状を有し、前記形状は、板金の単独のスタンピング加工によって得られる。
【００３２】
前記シールの一実施形態は、有利には、２つの連続形状部を備え、各連続形状部は、それぞれ板金の単独のスタンピング加工によって得られ、また各連続形状部における平面のうち一方の平面が溶接またはろう付によって連続形状部を互いに接合する。
【００３３】
一変形形態によれば、前記２つの連続形状部は、ほぼ同一形状とし、それら２つの端部部分が互いに対向しないよう、ヘッド・ツー・テール形式で互いに接合する。本変形形態のシールは、組み立てる２つの構成部材の平均熱膨張係数αが異なり、それぞれシールの係数と少なくとも１．１０−６Ｋ−１だけ異なるが、一方の構成部材のみがシールよりも低い係数を有する場合に有利である可能性がある。
【００３４】
一変形形態によれば、前記２つの連続形状は、ほぼ同一形状とし、共通平面によって定義される平面に関して対称的に相互に接合される。本変形形態のシールは、組み立てる２つの構成部材の熱膨張係数が異なり、両方の構成部材がシールよりも低い係数を有し、その差が少なくとも１．１０−６Ｋ−１である場合に有利である可能性がある。
【００３５】
本発明は、上述のアセンブリ内に挿入することを想定したシールに関するものでもあり、前記シールの連続形状は、互いに分離され板金の単独スタンピング加工によって得られる平面を備える第１部分と、前記平面間で形成される部分の外側に位置し溶接および／またはろう付によって前記第１の部分に固定される端部部分を備える第２部分と、を備える。
【００３６】
シールの形状に達するまでスタンピングする板金は、有利にはフェライト鋼、またはオーステナイト鋼、またはＩｎｃｏｎｅｌ ６００もしくはＨａｙｎｅｓ ２３０系のニッケル合金を含むことができる。
【００３７】
耐漏洩性を備えた電気的絶縁付随物（electric insulation concomitant）を設ける必要がある用途では、前記板金を電気的絶縁材料で被覆することができる。この被覆は、スタンピングした板金の表面上に酸化物を成長させることによって形成することができ、有利には、アルミナ形成合金による一般的な層堆積によって形成することができる。このような絶縁層は、スタンピング形成前に大気中で１０００℃以上の熱酸化によって得ることが好ましい。スタンピング後は、同様の条件下で固化アニーリングを行うことを推奨する。
【００３８】
また、半径方向の封止を更に確実にするために、有利には、前記板金のスタンピング後、延性材料層を少なくとも１つの端部上または接触領域上に直接接触によってまたは電気的絶縁材料の被覆の上に堆積させることができる。前記延性層は、銀または銀含有化合物の層であってよく、好ましくは以下の元素、すなわちＣｕ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｓｉ、Ｃｏのうちの１つを含むことができる。この付加的な延性層は、電解析出またはセリグラフィによって付加することができ、上記の２つの堆積方法は、有利なことに、マスクを使用してこの層の精密な位置決めを行うことを可能にする。この延性層の厚さは、１〜１０μｍの範囲とすることができる。
【００３９】
一変形例によれば、前記端部部分は、前記平面のうち１つの平面に直接接合される単純湾曲部とする。
【００４０】
前記アセンブリのサイズを１００ｍｍのオーダーとすれば、前記板金の厚さは、有利には０．０７ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲である。
【００４１】
前記板金の絞り深さに対応する２つの平面を分離する高さは、０．２ｍｍ〜１ｍｍの範囲とするのが好ましい。
【００４２】
前記平面間の線分の傾斜角は、３０〜８０°の範囲とすることができ、有利には３０〜５５°の範囲である。
【００４３】
最後に、本発明は、上述のアセンブリを備える、高温で動作する燃料電池（ＳＯＦＣ）または高温電解槽（ＨＴＥ）に関するものである。
【００４４】
以下、添付図面について行った詳細な説明を読めば、本発明の他の特徴および利点をよりよく理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】市場ではＦ１７として知られるフェライト鋼のクリープ破断強度の値を、温度と使用時間の関数として示す表である。
【図２】高温電解槽ＨＴＥ内等に形成される、本発明の第１の実施形態によるアセンブリを示す図である。
【図２Ａ】図２のＨＴＥ電解槽で使用されるＥＳＣ（Electrolyte Supported cell：電解質支持セル）タイプの基本電解セルを示す図である。
【図３Ａ】図２および図３Ｂに示すアセンブリに埋め込む前の本発明によるシールの断面図である。
【図３Ｂ】図２のアセンブリの詳細を示す図である。
【図４】第１の実施形態によるアセンブリの一変更例を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態によるアセンブリを示す図である。
【図６】本発明の第３の実施形態によるアセンブリを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
本発明のアセンブリは、高温電解槽ＨＴＥ内に形成する。本発明が提案する封止解決策は、図２〜図６に概略的に示すようなシール５を使用する。
【００４７】
ここでは、直交方向または軸線方向Ｘは、電解セル１および構成部材２、３を横切る部分に沿って延びる方向とする。また、半径方向Ｒは、電解セル１および構成部材２、３と平行な部分に沿って延びる方向とする。
【００４８】
図２の高温電解槽ＨＴＥは、セラミック支持体２によって支持し、またカソード相互接続部３とアノード相互接続部４によって挟まれる電解セル１と、本発明によるシール５（図２参照）と、を備える。図面にはセル１の一方の部分しか示していないが、他方の部分は右側に示す軸線に対して対称的に存在する。
【００４９】
図示のような電解セル１は、セラミック支持体２によって直接支持されアノード１１とカソード１２によって挟まれる電解質１０を備える（図２Ａ参照）。
【００５０】
図２および図２Ａに示す実施形態では、カソード相互接続部３は平面状の基板であり、その形成材料は、クロム含有量が約２２％のフェライト鋼であり、商品名はＣｒｏｆｅｒ ２２ＡＰＵである（ＳＯＦＣ雰囲気中での耐食性があることで知られる）。このフェライト鋼の平均熱膨張係数α３は、１２×１０−６Ｋ−１のオーダーである。
【００５１】
「平均熱膨張係数」とは、次式に示すように、この係数の値を、周囲温度Ｔａｍｂと動作温度Ｔｆｏｎｃとの間で温度関数として表す関数を、これら２つの温度間における温度差で割った値の積分を意味する。
【００５２】
【数１】
【００５３】
より一般的には、シールの適切な寸法決めには、２つの極値間の差（α(Ｔｆｏｎｃ)−α(Ｔａｍｂ)）の単純算術平均を温度差Δ=Ｔｆｏｎｃ−Ｔａｍｂで割った値でも十分である。
【００５４】
他のステンレス鋼またはニッケルベースの合金も想定できる。
【００５５】
セルホルダ２は、バルクのイットリア安定化ジルコニアで作成した平面基板である。その平均熱膨張係数α２は、周囲温度で１０−６Ｋ−１のオーダーである。
【００５６】
図２、図３Ａおよび図３Ｂに示す第１の実施形態によるシール５は、互いに個別の３つの平面５０，５１，５２と、それらの平面間で形成される部分の外側に位置する端部部分５３とを備える連続形状を有する。この端部部分５３は、平面５２に直接接合した単純な湾曲部である。この連続形状は、板金（シートメタル）の単独のスタンピング加工によって得たものである。
【００５７】
この板金は、Ｆ１７系（ＡＩＳＩ ４３０）もしくはオーステナイト系（例えばＡＩＳＩ ３１６ Ｌ）のフェライト鋼、またはＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）６００もしくはＨａｙｎｅｓ（登録商標）２３０系のニッケルベース合金とする。それらの平均熱膨張係数αｊは、それぞれ１１．１０−６、１７．１０−６、１５．１０−６、１１．１０−６Ｋ−１のオーダーである。
【００５８】
さらに、シールの形状は、所定の耐用期間におけるアセンブリ使用サイクル中にそれ自体のクリープ破断点に達することがないように設計する。この所定の耐用期間は、ＨＴＥ電解槽の所期の用途に応じて異なり、例えば可搬用途では少なくとも５，０００時間、据置き用途では少なくとも５０，０００時間である。
【００５９】
シール５の構造は、電解槽の想定温度および使用時間（図１の表参照）に関連するフェライトＡＩＳＩ ４３０鋼のシール５のクリープ破断強度に対する知識に基づいて定義することができる。
【００６０】
図２および図３Ａに示す実施形態では、セルの直径を１２０ｍｍとした場合、シール５は、本発明のアセンブリに埋め込む前の時点で、平均厚さｅは０．１ｍｍのオーダー、２つの平面部分を分離する絞り深さ（draw depth）ｐ１は０．３ｍｍのオーダー、他の２つの平面部分を分離する絞り深さｐ２は０．６ｍｍのオーダー、平面５０と５１、平面５１と５２をそれぞれ接合するセグメントの傾斜角θは４５°のオーダーである。
【００６１】
図２および図３に示す実施形態では、平面５２および端部部分５３は、セルホルダ２に形成したアンダーカット２０内に収容する。
【００６２】
したがって、図２および図３に示す本発明の第１実施形態によるアセンブリは、セルホルダ２と金属相互接続部３との間でシールを以下のように形成する。
【００６３】
１）所定の閾値温度を下回る場合には、シール５は、構成部材２，３に対して直交するＸ方向に圧縮される。この圧縮は、各構成部材２，３を互いに接近する方向に一定にクランプすることによって達成される。この初期クランプにより、平面５１は金属相互接続部３に対して固定されるよう圧迫接触し、平面５１，５２はセルホルダ２に対して圧迫接触する状態になるとともに、シールの端部部分５３はどこにも接触しないままとなる（図３Ｂの端部部分５３とアンダーカット２０の垂直端縁２００との間における自由空間を参照）。
【００６４】
２）閾値温度を上回る場合には、シール５は、やはりクランプによってＸ方向に圧縮されたまま、構成部材２，３に対して半径方向Ｒに圧縮されるようになる。より厳密に言うと、温度の上昇中に、平面５１は、相互接続部３に対して固定されるよう圧迫接触状態に保持されるとともに、平面５０および５２は、セルホルダ２とシール５との間の熱膨張差により、端部部分５３がアンダーカット２０の垂直端縁２００に対して半径方向に圧縮される状態になるまでセルホルダ上で摺動する。
【００６５】
閾値温度は、アセンブリの半径方向寸法、材料、それらの膨張係数、およびアセンブリの動作温度に関連して決定される。
【００６６】
図中の矢印Ｆ１は、Ｘ方向の軸線方向圧縮に寄与する、セルホルダ２と相互接続部３との間における２０Ｎ／ｃｍ未満のシール５のクランプ力を示し、矢印Ｆ２は、シール５とセルホルダ２との間の熱膨張差によってシール５に加わる半径方向の圧縮を示す。図中には、温度の上昇中に本発明の耐漏洩性がもたらされる領域を示す楕円部分も示す。
【００６７】
図４に示す実施形態では、シール５は２個の連続形状部５ａ，５ｂを備え、これら連続形状部５ａ，５ｂは、それぞれ板金を単独スタンピング加工して得られ、またこれら連続形状部の平面５２ａ、５２ｂの一方で溶接またはろう付によって互いに接合する。有利なことに、溶接はレーザ溶接とすることができる。この実施形態では、特別なアンダーカットをセルホルダ２のような固体部分に形成するのを回避することができる。この場合、端部部分５３の半径方向の圧縮は、セルホルダ２の垂直端縁２Ａに対して発生する。垂直端縁２Ａは、電解槽の内側に指向する端縁、すなわち、セル１から出力されたガスと接触する可能性の高い端縁である。
【００６８】
図４に示すこの実施形態では、シール５は、本発明のアセンブリに埋め込む前の時点で、平均厚さは０．１ｍｍのオーダー、表面５０，５２を表面５１から分離する絞り深さは０．３ｍｍのオーダー、共通表面５２ａ，５２ｂは０．５ｍｍのオーダー、表面５２ｂを中間表面５４から分離する絞り深さは０．５ｍｍのオーダー、各平面を互いに接合するセグメントの傾斜角θは４５°のオーダーである。
【００６９】
図２、図３Ａ、および図３Ｂに示す実施形態のシール５についても、平均熱膨張係数の差α２−αｊが１．１０−６Ｋ−１よりも大きく、係数α２がシール５の係数よりも大きくなるような構成部材２によってアセンブリを形成するならば、これと同じ構造で使用することができる。
【００７０】
図５の実施形態は、シール５の平均熱膨張係数αｊと各係数α１およびα２との差が少なくとも１．１０−６Ｋ−１だけ大きい２つの構成部材２，３のアセンブリに対応する。この場合、２つの連続形状部５ａ、５ｂは、ほぼ同一であり、共通平面５１ａ，５１ｂによって定義される平面Ｐに対して対称的に相互に固定される。したがって、アンダーカット３０は、構成部材３内にも形成する。このため、この実施形態では、クランプ力に基づく軸線方向圧縮による封止と、熱膨張差に基づく半径方向圧縮による封止とを組み合わせることにより、２重封止が得られる。
【００７１】
図６の実施形態は、シール５が図５の構造と同一構造を有する２つの構成部材２，３間のアセンブリに対応する。この場合、シール５の平均熱膨張係数αｊは、以下のようになる。
・差αｊ−α２が少なくとも１．１０−６Ｋ−１だけ大きい；
・差α３−αｊが少なくとも１．１０−６Ｋ−１だけ大きい。
換言すると、構成部材３の平均熱膨張係数は、シールの平均熱膨張係数よりも大きくなる。この場合、２つの連続形状部５ａ、５ｂは、ほぼ同一であり、２つの端部部分５３ａ、５３ｂが互いに対向し合わないようにヘッド・ツー・テール形式で互いに固定する。図６に示すこの実施形態でも、クランプ力に基づく軸線方向圧縮と、シール５と各構成部材２、３との間の熱膨張差による半径方向圧縮と、を利用することによって封止は２重となるが、図５の実施形態と比較すると、この場合はシール５よりも構成部材３の膨張が大きくなる。
【００７２】
本発明の範囲から逸脱しない他の改良例も想定することができる。
【００７３】
以上添付図面につき、カソード隔室を封止し、またＨＴＥ電解槽内で生成される水素の損失を回避する、本発明の高温アセンブリを説明した。これと同様のことをアノード側で再現すれば、酸素側のシールを形成することができる。
【００７４】
例えば、図２のＨＴＥ内に示すシール５は、ほぼ環状形状である。前記ＨＴＥの寸法は、Ｒ１＝６０ｍｍのオーダー、Ｒ２＝７０ｍｍのオーダー、Ｈ＝１０ｍｍのオーダーである。同じ寸法または異なる寸法の矩形または他の形状のシール５を形成することも等しく可能であろう。
【００７５】
本発明のアセンブリは、主として膨張係数の差によって変形が生じるＨＴＥ電解槽またはＳＯＦＣ燃料電池の大型構造にも特に適合する。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、例えば金属構成部材およびセラミック構成部材から選択される、平均熱膨張係数が異なる２つの構成部材間のシール形成に関する。
【０００２】
本発明は、一般に高温で動作するセラミック‐金属間連結部に応用する。
【０００３】
有利なことに、本発明は、水素生成に使用する高温蒸気電解槽（一般に、また以下に「ＨＴＥ」と称される）に応用する。
【０００４】
本発明は、高温で動作する燃料電池、すなわち固体酸化物燃料電池（一般に、また以下に「ＳＯＦＣ」と称される）にも応用することができる。
【背景技術】
【０００５】
ＨＴＥは、６００℃〜１０００℃の範囲における水の電気分解によって水素を生成する電気化学系に関するものである。これら電気化学系は、最も将来性のある水素生成プロセスの１つである。
【０００６】
したがって、本願人は、温室効果ガスを発生しない熱源、とりわけ原子力、地熱または太陽由来の熱源に結合した電解槽の迅速な製造を企図する。
【０００７】
競争力のある生成コストを実現するための１つの選択肢としては、蒸気相の水を高温で電気分解することが挙げられる。この技術では、継続的なガス管理および封止維持が大きな障壁となっている。
【０００８】
想定される温度では、主にセラミックの３層スタックを備える電気化学セルが使用されるが、１つの欠点はその脆弱性にある。この脆弱性が原因でシールに加える力を制限することになる。さらに、電解質材料は低温でのイオン伝導性が低いため、抵抗損を制限するために動作温度を６００℃以上に上昇させる必要がある。このため金属材料、とりわけバイポーラプレートおよびシールの耐久性を持たせることが困難となる。バイポーラプレートに関しては、酸化が高温下での主な欠点のように思われるが、シールの機械強度はより重大な欠点となる。
【０００９】
シールの耐漏洩性（leak-tightness）が不十分である場合、すなわち燃料（および最終生成物）の損失が１％を超える場合は、ＨＴＥまたは高温燃料電池（ＳＯＦＣ）が今日の成熟している技術と比較して競争力のあるエネルギー収率を達成することはできなくなる。
【００１０】
これら電気化学系の封止に関する基本的な解決策は、ガラスシールを使用する。しかしながら、ガラスは熱サイクル特性が悪い。
【００１１】
現在商業的に利用可能であり、十分な性能レベルを得ることが可能となる、圧縮の下に配置した金属シールを使用する封止解決策では、典型的には２０Ｎ／ｃｍを上回る高いクランプ力をシールに加えることが必要となる。
【００１２】
また、上述のとおり、ＳＯＦＣタイプまたはＨＴＥ向けの燃料電池で使用されるセルは、セラミック電解質や多孔質電極のようなもろい材料を含む。このようなもろい材料は、上述のような高いクランプ力に耐えることができない。
【００１３】
したがって、最近では低圧縮力で済む様々なシールが開発されている。開発段階のシールを、燃料電池アセンブリ内の基本セルを分離するスペーサに組み込むものもある。
【００１４】
特許文献１（米国特許第７，２２６，６８７号）には、１個のセルのアノードと隣接するセルのカソードとを、シールとして作用する金属セパレータによって分離する燃料電池スタックが開示されている。各セパレータは、スタンピング加工を使用し、また端縁をカーリングして形成する。端縁がカーリングされた各セパレータは、軸方向の圧縮下でのみ作用する。この特許文献１は、平均熱膨張係数が異なる２つの材料間のシールには注目していない。
【００１５】
したがって、ＳＯＦＣおよび／またはＨＴＥに直接適用可能であり、典型的には２０Ｎ／ｃｍ未満の低いクランプ力によるシールの封止解決策は、現時点ではほとんど提案されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】米国特許第７，２２６，６８７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
したがって、本発明の目的は、平均熱膨張係数が異なる２つの構成部材間における新しいタイプの連結を提案することである。典型的には、低いクランプ力を利用して５００℃以上の高温における耐漏洩性を効率的に保証するとともに、ＨＴＥおよび／またはＳＯＦＣで実施される熱サイクルに耐えられるようにする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
したがって、本発明の要旨は、異なる平均熱膨張係数を有する２つの構成部材間のアセンブリであり、該アセンブリは、前記２つの構成部材間に挿入されてシールを形成する素子を備え、前記シールの平均熱膨張係数は、前記２つの構成部材のうち少なくとも一方の平均熱膨張係数から少なくとも１．１０−６Ｋ−１の値だけ異なり、また前記シールの連続形状は、互いに分離した平面と、前記平面間に形成される部分の外側に位置する少なくとも１つの端部部分と、を備える。
【００１９】
本発明によれば、前記アセンブリの封止は、
・所定の閾値温度を下回る場合には、前記各構成部材を互いに接近する方向に一定にクランプすることにより前記構成部材に対して直交する直交方向（Ｘ）のシール圧縮によって得られ、このシール圧縮は、前記平面の一部が一方の前記構成部材に対して固定されるよう圧迫接触し、また前記平面の別の部分が他方の前記構成部材に対して固定されるよう圧迫接触するとともに、前記シールの前記端部部分はどこにも接触しないままとなるように生じ、
・前記閾値温度を上回る場合には、やはりクランプによって達成される前記シールの直交方向の圧縮と、温度の上昇中に前記構成部材上で圧迫接触状態にある前記平面の少なくとも一部が摺動し、前記端部部分が構成部材による半径方向の圧縮状態となるまで摺動することによって達成される前記各構成部材に対する半径方向のシール圧縮と、によって得られるように生ずる。
【００２０】
したがって、本発明の解決策には、初期クランプによって達成される各構成部材に対して直交する直交方向の圧縮と、シールが一方（又は両方）の構成部材による軸方向の圧縮状態下になるまでシールを熱膨張差により摺動させることによって達成される半径方向の圧縮と、の組合せが含まれる。
【００２１】
材料の粘塑性によるクリープおよび弛緩現象も考慮しなければならない。
【００２２】
クリープは、よく知られている現象であり、時間の関数である。この現象は、粘塑性材料が時間にわたって一定の力を受けるときに発生する。したがって、当業者は、アセンブリの使用期間にわたる熱サイクル中に降伏点に達することがないようにシール形状を注意深く画定する。
【００２３】
同様に、シールが一定の高さで作用する、すなわち（材料の弛緩時から）経時的に変化する力の下で作用する場合、材料および厚さの選択は、材料の弛緩が十分低く保たれ、それによって所望の封止を保証する十分な接触力を維持するように適合される。
【００２４】
図１に示す表は、ＡＩＳＩ ４３０またはＦ１７フェライト鋼に関してＵＧＩＮＥから提供されるものである。図１の表は、この材料のクリープ破断強度（単位はＭＰａ）を、該材料が受ける温度と使用時間の関数として示している。したがって、本発明によれば、（例えばＨＴＥ電解槽の据置き用途において）アセンブリが６００℃の温度で使用サイクル１０，０００時間超となる場合、本発明に適したＦ１７フェライト鋼では、シールの破断強度は４５ＭＰａ未満となる。
【００２５】
これらの問題を考慮に入れて、材料および材料の厚さの選択は、商用シミュレーションソフトウェアを使用して行うことができる。
【００２６】
有利な一実施形態によれば、前記シールは、一方の前記構成部材の平均熱膨張係数α３から０〜１０−６Ｋ−１の範囲の値だけ異なる平均熱膨張係数と、互いに分離した３つの平面および前記平面間で形成される部分の外側に位置する端部部分を備える連続形状と、を有し、アセンブリの封止は、
・前記閾値温度を下回る場合には、前記３つの平面のうち、１つの平面が前記シールの熱膨張係数との差が最も小さい熱膨張係数を有する前記構成部材に対して圧迫接触し、他の２つの平面が前記シールの平均熱膨張係数との差が最も大きい平均熱膨張係数を有する前記構成部材に対して圧迫接触するとともに、前記端部部分はどこにも接触しないままとなる一定のクランプによって生じ、
・前記閾値温度を上回る場合には、前記平面が平均熱膨張係数差の最も小さい平均熱膨張係数を有する前記構成部材に対して固定するよう圧迫接触した状態を維持する同一のクランプによって達成される前記シールの直交方向の圧縮と、平均熱膨張係数差の最も大きい平均熱膨張係数を有する前記構成部材上で前記他の２つの平面を摺動し、前記端部部分がこの構成部材による半径方向の圧縮下に置かれるまで摺動することによって達成される前記各構成部材に対して前記シールの半径方向の圧縮と、によって生ずるようにする。
【００２７】
一実施形態によれば、熱膨張係数差の最も小さい平均熱膨張係数を有する前記構成部材は、金属構成部材とし、熱膨張係数差の最も大きい平均熱膨張係数を有する前記構成部材は、セラミック構成部材とする。
【００２８】
一変形例によれば、前記金属構成部材および前記シールは、単一ブロック素子を形成することができる。これにより、とりわけＨＴＥスタックまたはＳＯＦＣ燃料電池の構造的な一部、例えばガスを分配する役割を担う相互接続部またはコレクタにシールを直接組み込むことが可能となる。
【００２９】
１つの有利な構成によれば、前記２つの構成部材は、平面基板とし、そのうち少なくとも一方は、前記端部部分に連続した前記平面を収容するアンダーカットを備え、前記端部部分の半径方向の圧縮は、該アンダーカットの端縁に対して発生する。
【００３０】
別の好ましい構成によれば、前記端部部分の半径方向の圧縮は、前記基板のうち一方の端縁に対して発生する。
【００３１】
本発明は、上述のアセンブリ内に挿入することを想定したシールに関するものでもあり、前記シールは、互いに分離した平面と、前記平面間で形成される部分の外側に位置する端部部分とを備える少なくとも１つの連続形状を有し、前記形状は、板金の単独のスタンピング加工によって得られる。
【００３２】
前記シールの一実施形態は、有利には、２つの連続形状部を備え、各連続形状部は、それぞれ板金の単独のスタンピング加工によって得られ、また各連続形状部における平面のうち一方の平面が溶接またはろう付によって連続形状部を互いに接合する。
【００３３】
一変形形態によれば、前記２つの連続形状部は、ほぼ同一形状とし、それら２つの端部部分が互いに対向しないよう、ヘッド・ツー・テール形式で互いに接合する。本変形形態のシールは、組み立てる２つの構成部材の平均熱膨張係数αが異なり、それぞれシールの係数と少なくとも１．１０−６Ｋ−１だけ異なるが、一方の構成部材のみがシールよりも低い係数を有する場合に有利である可能性がある。
【００３４】
一変形形態によれば、前記２つの連続形状は、ほぼ同一形状とし、共通平面によって定義される平面に関して対称的に相互に接合される。本変形形態のシールは、組み立てる２つの構成部材の熱膨張係数が異なり、両方の構成部材がシールよりも低い係数を有し、その差が少なくとも１．１０−６Ｋ−１である場合に有利である可能性がある。
【００３５】
本発明は、上述のアセンブリ内に挿入することを想定したシールに関するものでもあり、前記シールの連続形状は、互いに分離され板金の単独スタンピング加工によって得られる平面を備える第１部分と、前記平面間で形成される部分の外側に位置し溶接および／またはろう付によって前記第１の部分に固定される端部部分を備える第２部分と、を備える。
【００３６】
シールの形状に達するまでスタンピングする板金は、有利にはフェライト鋼、またはオーステナイト鋼、またはＩｎｃｏｎｅｌ ６００もしくはＨａｙｎｅｓ ２３０系のニッケル合金を含むことができる。
【００３７】
耐漏洩性を備えた電気的絶縁付随物（electric insulation concomitant）を設ける必要がある用途では、前記板金を電気的絶縁材料で被覆することができる。この被覆は、スタンピングした板金の表面上に酸化物を成長させることによって形成することができ、有利には、アルミナ形成合金による一般的な層堆積によって形成することができる。このような絶縁層は、スタンピング形成前に大気中で１０００℃以上の熱酸化によって得ることが好ましい。スタンピング後は、同様の条件下で固化アニーリングを行うことを推奨する。
【００３８】
また、半径方向の封止を更に確実にするために、有利には、前記板金のスタンピング後、延性材料層を少なくとも１つの端部上または接触領域上に直接接触によってまたは電気的絶縁材料の被覆の上に堆積させることができる。前記延性層は、銀または銀含有化合物の層であってよく、好ましくは以下の元素、すなわちＣｕ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｓｉ、Ｃｏのうちの１つを含むことができる。この付加的な延性層は、電解析出またはセリグラフィによって付加することができ、上記の２つの堆積方法は、有利なことに、マスクを使用してこの層の精密な位置決めを行うことを可能にする。この延性層の厚さは、１〜１０μｍの範囲とすることができる。
【００３９】
一変形例によれば、前記端部部分は、前記平面のうち１つの平面に直接接合される単純湾曲部とする。
【００４０】
前記アセンブリのサイズを１００ｍｍのオーダーとすれば、前記板金の厚さは、有利には０．０７ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲である。
【００４１】
前記板金の絞り深さに対応する２つの平面を分離する高さは、０．２ｍｍ〜１ｍｍの範囲とするのが好ましい。
【００４２】
前記平面間の線分の傾斜角は、３０〜８０°の範囲とすることができ、有利には３０〜５５°の範囲である。
【００４３】
最後に、本発明は、上述のアセンブリを備える、高温で動作する燃料電池（ＳＯＦＣ）または高温電解槽（ＨＴＥ）に関するものである。
【００４４】
以下、添付図面について行った詳細な説明を読めば、本発明の他の特徴および利点をよりよく理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】市場ではＦ１７として知られるフェライト鋼のクリープ破断強度の値を、温度と使用時間の関数として示す表である。
【図２】高温電解槽ＨＴＥ内等に形成される、本発明の第１の実施形態によるアセンブリを示す図である。
【図２Ａ】図２のＨＴＥ電解槽で使用されるＥＳＣ（Electrolyte Supported cell：電解質支持セル）タイプの基本電解セルを示す図である。
【図３Ａ】図２および図３Ｂに示すアセンブリに埋め込む前の本発明によるシールの断面図である。
【図３Ｂ】図２のアセンブリの詳細を示す図である。
【図４】第１の実施形態によるアセンブリの一変更例を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態によるアセンブリを示す図である。
【図６】本発明の第３の実施形態によるアセンブリを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
本発明のアセンブリは、高温電解槽ＨＴＥ内に形成する。本発明が提案する封止解決策は、図２〜図６に概略的に示すようなシール５を使用する。
【００４７】
ここでは、直交方向または軸線方向Ｘは、電解セル１および構成部材２、３を横切る部分に沿って延びる方向とする。また、半径方向Ｒは、電解セル１および構成部材２、３と平行な部分に沿って延びる方向とする。
【００４８】
図２の高温電解槽ＨＴＥは、セラミック支持体２によって支持し、またカソード相互接続部３とアノード相互接続部４によって挟まれる電解セル１と、本発明によるシール５（図２参照）と、を備える。図面にはセル１の一方の部分しか示していないが、他方の部分は右側に示す軸線に対して対称的に存在する。
【００４９】
図示のような電解セル１は、セラミック支持体２によって直接支持されアノード１１とカソード１２によって挟まれる電解質１０を備える（図２Ａ参照）。
【００５０】
図２および図２Ａに示す実施形態では、カソード相互接続部３は平面状の基板であり、その形成材料は、クロム含有量が約２２％のフェライト鋼であり、商品名はＣｒｏｆｅｒ ２２ＡＰＵである（ＳＯＦＣ雰囲気中での耐食性があることで知られる）。このフェライト鋼の平均熱膨張係数α３は、１２×１０−６Ｋ−１のオーダーである。
【００５１】
「平均熱膨張係数」とは、次式に示すように、この係数の値を、周囲温度Ｔａｍｂと動作温度Ｔｆｏｎｃとの間で温度関数として表す関数を、これら２つの温度間における温度差で割った値の積分を意味する。
【００５２】
【数１】
【００５３】
より一般的には、シールの適切な寸法決めには、２つの極値間の差（α(Ｔｆｏｎｃ)−α(Ｔａｍｂ)）の単純算術平均を温度差Δ=Ｔｆｏｎｃ−Ｔａｍｂで割った値でも十分である。
【００５４】
他のステンレス鋼またはニッケルベースの合金も想定できる。
【００５５】
セルホルダ２は、バルクのイットリア安定化ジルコニアで作成した平面基板である。その平均熱膨張係数α２は、周囲温度で１０−６Ｋ−１のオーダーである。
【００５６】
図２、図３Ａおよび図３Ｂに示す第１の実施形態によるシール５は、互いに個別の３つの平面５０，５１，５２と、それらの平面間で形成される部分の外側に位置する端部部分５３とを備える連続形状を有する。この端部部分５３は、平面５２に直接接合した単純な湾曲部である。この連続形状は、板金（シートメタル）の単独のスタンピング加工によって得たものである。
【００５７】
この板金は、Ｆ１７系（ＡＩＳＩ ４３０）もしくはオーステナイト系（例えばＡＩＳＩ ３１６ Ｌ）のフェライト鋼、またはＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）６００もしくはＨａｙｎｅｓ（登録商標）２３０系のニッケルベース合金とする。それらの平均熱膨張係数αｊは、それぞれ１１．１０−６、１７．１０−６、１５．１０−６、１１．１０−６Ｋ−１のオーダーである。
【００５８】
さらに、シールの形状は、所定の耐用期間におけるアセンブリ使用サイクル中にそれ自体のクリープ破断点に達することがないように設計する。この所定の耐用期間は、ＨＴＥ電解槽の所期の用途に応じて異なり、例えば可搬用途では少なくとも５，０００時間、据置き用途では少なくとも５０，０００時間である。
【００５９】
シール５の構造は、電解槽の想定温度および使用時間（図１の表参照）に関連するフェライトＡＩＳＩ ４３０鋼のシール５のクリープ破断強度に対する知識に基づいて定義することができる。
【００６０】
図２および図３Ａに示す実施形態では、セルの直径を１２０ｍｍとした場合、シール５は、本発明のアセンブリに埋め込む前の時点で、平均厚さｅは０．１ｍｍのオーダー、２つの平面部分を分離する絞り深さ（draw depth）ｐ１は０．３ｍｍのオーダー、他の２つの平面部分を分離する絞り深さｐ２は０．６ｍｍのオーダー、平面５０と５１、平面５１と５２をそれぞれ接合するセグメントの傾斜角θは４５°のオーダーである。
【００６１】
図２および図３に示す実施形態では、平面５２および端部部分５３は、セルホルダ２に形成したアンダーカット２０内に収容する。
【００６２】
したがって、図２および図３に示す本発明の第１実施形態によるアセンブリは、セルホルダ２と金属相互接続部３との間でシールを以下のように形成する。
【００６３】
１）所定の閾値温度を下回る場合には、シール５は、構成部材２，３に対して直交するＸ方向に圧縮される。この圧縮は、各構成部材２，３を互いに接近する方向に一定にクランプすることによって達成される。この初期クランプにより、平面５１は金属相互接続部３に対して固定されるよう圧迫接触し、平面５１，５２はセルホルダ２に対して圧迫接触する状態になるとともに、シールの端部部分５３はどこにも接触しないままとなる（図３Ｂの端部部分５３とアンダーカット２０の垂直端縁２００との間における自由空間を参照）。
【００６４】
２）閾値温度を上回る場合には、シール５は、やはりクランプによってＸ方向に圧縮されたまま、構成部材２，３に対して半径方向Ｒに圧縮されるようになる。より厳密に言うと、温度の上昇中に、平面５１は、相互接続部３に対して固定されるよう圧迫接触状態に保持されるとともに、平面５０および５２は、セルホルダ２とシール５との間の熱膨張差により、端部部分５３がアンダーカット２０の垂直端縁２００に対して半径方向に圧縮される状態になるまでセルホルダ上で摺動する。
【００６５】
閾値温度は、アセンブリの半径方向寸法、材料、それらの膨張係数、およびアセンブリの動作温度に関連して決定される。
【００６６】
図中の矢印Ｆ１は、Ｘ方向の軸線方向圧縮に寄与する、セルホルダ２と相互接続部３との間における２０Ｎ／ｃｍ未満のシール５のクランプ力を示し、矢印Ｆ２は、シール５とセルホルダ２との間の熱膨張差によってシール５に加わる半径方向の圧縮を示す。図中には、温度の上昇中に本発明の耐漏洩性がもたらされる領域を示す楕円部分も示す。
【００６７】
図４に示す実施形態では、シール５は２個の連続形状部５ａ，５ｂを備え、これら連続形状部５ａ，５ｂは、それぞれ板金を単独スタンピング加工して得られ、またこれら連続形状部の平面５２ａ、５２ｂの一方で溶接またはろう付によって互いに接合する。有利なことに、溶接はレーザ溶接とすることができる。この実施形態では、特別なアンダーカットをセルホルダ２のような固体部分に形成するのを回避することができる。この場合、端部部分５３の半径方向の圧縮は、セルホルダ２の垂直端縁２Ａに対して発生する。垂直端縁２Ａは、電解槽の内側に指向する端縁、すなわち、セル１から出力されたガスと接触する可能性の高い端縁である。
【００６８】
図４に示すこの実施形態では、シール５は、本発明のアセンブリに埋め込む前の時点で、平均厚さは０．１ｍｍのオーダー、表面５０，５２を表面５１から分離する絞り深さは０．３ｍｍのオーダー、共通表面５２ａ，５２ｂは０．５ｍｍのオーダー、表面５２ｂを中間表面５４から分離する絞り深さは０．５ｍｍのオーダー、各平面を互いに接合するセグメントの傾斜角θは４５°のオーダーである。
【００６９】
図２、図３Ａ、および図３Ｂに示す実施形態のシール５についても、平均熱膨張係数の差α２−αｊが１．１０−６Ｋ−１よりも大きく、係数α２がシール５の係数よりも大きくなるような構成部材２によってアセンブリを形成するならば、これと同じ構造で使用することができる。
【００７０】
図５の実施形態は、シール５の平均熱膨張係数αｊと各係数α１およびα２との差が少なくとも１．１０−６Ｋ−１だけ大きい２つの構成部材２，３のアセンブリに対応する。この場合、２つの連続形状部５ａ、５ｂは、ほぼ同一であり、共通平面５１ａ，５１ｂによって定義される平面Ｐに対して対称的に相互に固定される。したがって、アンダーカット３０は、構成部材３内にも形成する。このため、この実施形態では、クランプ力に基づく軸線方向圧縮による封止と、熱膨張差に基づく半径方向圧縮による封止とを組み合わせることにより、２重封止が得られる。
【００７１】
図６の実施形態は、シール５が図５の構造と同一構造を有する２つの構成部材２，３間のアセンブリに対応する。この場合、シール５の平均熱膨張係数αｊは、以下のようになる。
・差αｊ−α２が少なくとも１．１０−６Ｋ−１だけ大きい；
・差α３−αｊが少なくとも１．１０−６Ｋ−１だけ大きい。
換言すると、構成部材３の平均熱膨張係数は、シールの平均熱膨張係数よりも大きくなる。この場合、２つの連続形状部５ａ、５ｂは、ほぼ同一であり、２つの端部部分５３ａ、５３ｂが互いに対向し合わないようにヘッド・ツー・テール形式で互いに固定する。図６に示すこの実施形態でも、クランプ力に基づく軸線方向圧縮と、シール５と各構成部材２、３との間の熱膨張差による半径方向圧縮と、を利用することによって封止は２重となるが、図５の実施形態と比較すると、この場合はシール５よりも構成部材３の膨張が大きくなる。
【００７２】
本発明の範囲から逸脱しない他の改良例も想定することができる。
【００７３】
以上添付図面につき、カソード隔室を封止し、またＨＴＥ電解槽内で生成される水素の損失を回避する、本発明の高温アセンブリを説明した。これと同様のことをアノード側で再現すれば、酸素側のシールを形成することができる。
【００７４】
例えば、図２のＨＴＥ内に示すシール５は、ほぼ環状形状である。前記ＨＴＥの寸法は、Ｒ１＝６０ｍｍのオーダー、Ｒ２＝７０ｍｍのオーダー、Ｈ＝１０ｍｍのオーダーである。同じ寸法または異なる寸法の矩形または他の形状のシール５を形成することも等しく可能であろう。
【００７５】
本発明のアセンブリは、主として膨張係数の差によって変形が生じるＨＴＥ電解槽またはＳＯＦＣ燃料電池の大型構造にも特に適合する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる平均熱膨張係数α２、α３を有する２つの構成部材（２，３）間のアセンブリであって、前記２つの構成部材間に挿入されてシール（５）を形成する素子を備え、前記シール（５）の平均熱膨張係数αｊは、前記２つの構成部材（２、３）のうち少なくとも一方の平均熱膨張係数から少なくとも１．１０−６Ｋ−１の値だけ異なり、また前記シール（５）の連続形状は、互いに分離した平面（５０，５１，５２）と、前記平面間に形成される部分の外側に位置する少なくとも１つの端部部分（５３）と、を備え、前記アセンブリの封止は、
所定の閾値温度を下回る場合には、前記各構成部材を互いに接近する方向に一定にクランプすることにより前記構成部材に対して直交する直交方向（Ｘ）のシール圧縮によって得られ、このシール圧縮は、前記平面の一部（５１）が一方の前記構成部材（３）に対して固定されるよう圧迫接触し、また前記平面の別の部分（５０，５２）が他方の前記構成部材（２）に対して固定されるよう圧迫接触するとともに、前記シールの前記端部部分（５３）はどこにも接触しないままとなるように生じ、
前記閾値温度を上回る場合には、やはりクランプによって達成される前記シールの直交方向圧縮と、温度の上昇中に前記端部部分（５３）が構成部材（２）による半径方向圧縮状態となるまで、前記構成部材（２）上で圧迫接触状態にある前記平面（５０，５２）の少なくとも一部が摺動することによって達成される前記各構成部材に対する半径方向（Ｒ）のシール圧縮と、によって得られるように生ずる、
アセンブリ。
【請求項２】
請求項１に記載のアセンブリにおいて、前記シール（５）は、一方の前記構成部材（３）の平均熱膨張係数α３から０〜１０−６Ｋ−１の範囲の値だけ異なる平均熱膨張係数αｊと、互いに分離した３つの平面（５０，５１，５２）および前記平面間で形成される部分の外側に位置する端部部分（５３）を備える連続形状と、を有し、アセンブリの封止は、
前記閾値温度を下回る場合には、前記３つの平面のうち、１つの平面（５１）が前記シール（５）の平均熱膨張係数との差が最も小さい平均熱膨張係数α３を有する前記構成部材（３）に対して圧迫接触し、他の２つの平面（５０，５２）が前記シール（５）の平均熱膨張係数αｊとの差が最も大きい平均熱膨張係数を有する前記構成部材（２）に対して圧迫接触するとともに、前記端部部分（５３）はどこにも接触しないままとなる一定のクランプによって生じ、
前記閾値温度を上回る場合には、前記平面（５１）が平均熱膨張係数差の最も小さい平均熱膨張係数α３を有する前記構成部材（３）に対して固定するよう圧迫接触した状態を維持する同一の一定クランプによって達成される前記シールの直交方向圧縮と、平均熱膨張係数差の最も大きい平均熱膨張係数α２を有する前記構成部材（２）上で前記他の２つの平面（５０，５２）を摺動、前記端部部分がこの構成部材による半径方向の圧縮下に置かれるまで摺動することによって達成される前記各構成部材に対する前記シールの半径方向（Ｒ）の圧縮と、によって生ずるようにした、
アセンブリ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のアセンブリにおいて、熱膨張係数差の最も小さい平均熱膨張係数α３を有する前記構成部材は、金属構成部材（３）とし、熱膨張係数差の最も大きい平均熱膨張係数α２を有する前記構成部材は、セラミック構成部材（２）とした、アセンブリ。
【請求項４】
請求項３に記載のアセンブリにおいて、前記金属構成部材および前記シールは、単一ブロック素子を形成する、アセンブリ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のアセンブリにおいて、前記２つの構成部材（２、３）は、平面基板とし、そのうち少なくとも一方は、前記端部部分（５３）に連続した前記平面（５２）を収容するアンダーカット（２０，３０）を備え、前記端部部分（５３）の半径方向の圧縮は、該アンダーカットの端縁（２００）に対して発生する、アセンブリ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のアセンブリにおいて、前記２つの構成部材は、平面基板とし、前記端部の半径方向の圧縮は、前記基板のうちの一方（２）の端縁（２Ａ）に対して発生する、アセンブリ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のアセンブリ内のシール（５）において、互いに分離した平面（５０，５１，５２）と、前記平面間で形成される部分の外側に位置する端部部分（５３）とを備える少なくとも１つの連続形状を有し、前記形状は、板金の単独のスタンピング加工によって得られる、シール。
【請求項８】
請求項７に記載のシール（５）において、２つの連続形状部（５ａ，５ｂ）を備え、各連続形状部（５ａ，５ｂ）は、それぞれ板金の単独のスタンピング加工によって得られ、また各連続形状部（５ａ，５ｂ）における平面（５２ａ、５２ｂ）のうち一方の平面が溶接またはろう付によって連続形状部（５ａ，５ｂ）を互いに接合する、シール。
【請求項９】
請求項８に記載のシール（５）において、前記２つの連続形状部は、ほぼ同一形状とし、それら２つの端部部分（５３ａ，５３ｂ）が互いに対向し合わないよう、ヘッド・ツー・テール形式で互いに接合する、シール。
【請求項１０】
請求項８に記載のシール（５）において、前記２つの連続形状部は、ほぼ同一形状とし、共通平面によって定義される平面（Ｐ）に関して対称的に相互に接合される、シール。
【請求項１１】
請求項１〜６に記載のアセンブリ内に挿入することを想定したシール（５）において、それ自体の連続形状は、互いに分離され板金の単独スタンピング加工によって得られる平面（５０，５１，５２ａ）を備える第１部分と、前記平面間で形成される部分の外側に位置し溶接またはろう付によって前記第１部分に固定される端部部分（５３）を有する第２部分と、を備える、シール。
【請求項１２】
請求項７〜１１のいずれか一項に記載のシール（５）において、前記板金は、フェライト鋼、またはオーステナイト鋼、またはＩｎｃｏｎｅｌ ６００もしくはＨａｙｎｅｓ ２３０系のニッケルベース合金とした、シール。
【請求項１３】
請求項７〜１２のいずれか一項に記載のシール（５）において、前記板金は、有利にはアルミナ形成材料から生成される電気的絶縁材料で被覆した、シール。
【請求項１４】
請求項７〜１３のいずれか一項に記載のシール（５）において、前記板金のスタンピング加工後、延性材料を、少なくとも一方の端部部分上または接触領域上に直接接触させてまたは電気的絶縁材料の被覆上に堆積させた、シール。
【請求項１５】
請求項１４に記載のシールにおいて、前記延性層は、銀または銀含有化合物の層とし、好ましくは以下の元素、すなわちＣｕ，Ｓｎ，Ｂｉ，Ｓｉ，Ｃｏのうちの１つを含む、シール。
【請求項１６】
請求項７〜１５のいずれか一項に記載のシールにおいて、前記端部部分（５３）は、前記平面のうち１つの平面（５２）に直接接合される単純湾曲部とした、シール。
【請求項１７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のアセンブリを備える、高温で動作する燃料電池（ＳＯＦＣ）または高温電解槽（ＨＴＥ）。
【請求項１】
異なる平均熱膨張係数α２、α３を有する２つの構成部材（２，３）間のアセンブリであって、前記２つの構成部材間に挿入されてシール（５）を形成する素子を備え、前記シール（５）の平均熱膨張係数αｊは、前記２つの構成部材（２、３）のうち少なくとも一方の平均熱膨張係数から少なくとも１．１０−６Ｋ−１の値だけ異なり、また前記シール（５）の連続形状は、互いに分離した平面（５０，５１，５２）と、前記平面間に形成される部分の外側に位置する少なくとも１つの端部部分（５３）と、を備え、前記アセンブリの封止は、
所定の閾値温度を下回る場合には、前記各構成部材を互いに接近する方向に一定にクランプすることにより前記構成部材に対して直交する直交方向（Ｘ）のシール圧縮によって得られ、このシール圧縮は、前記平面の一部（５１）が一方の前記構成部材（３）に対して固定されるよう圧迫接触し、また前記平面の別の部分（５０，５２）が他方の前記構成部材（２）に対して固定されるよう圧迫接触するとともに、前記シールの前記端部部分（５３）はどこにも接触しないままとなるように生じ、
前記閾値温度を上回る場合には、やはりクランプによって達成される前記シールの直交方向圧縮と、温度の上昇中に前記端部部分（５３）が構成部材（２）による半径方向圧縮状態となるまで、前記構成部材（２）上で圧迫接触状態にある前記平面（５０，５２）の少なくとも一部が摺動することによって達成される前記各構成部材に対する半径方向（Ｒ）のシール圧縮と、によって得られるように生ずる、
アセンブリ。
【請求項２】
請求項１に記載のアセンブリにおいて、前記シール（５）は、一方の前記構成部材（３）の平均熱膨張係数α３から０〜１０−６Ｋ−１の範囲の値だけ異なる平均熱膨張係数αｊと、互いに分離した３つの平面（５０，５１，５２）および前記平面間で形成される部分の外側に位置する端部部分（５３）を備える連続形状と、を有し、アセンブリの封止は、
前記閾値温度を下回る場合には、前記３つの平面のうち、１つの平面（５１）が前記シール（５）の平均熱膨張係数との差が最も小さい平均熱膨張係数α３を有する前記構成部材（３）に対して圧迫接触し、他の２つの平面（５０，５２）が前記シール（５）の平均熱膨張係数αｊとの差が最も大きい平均熱膨張係数を有する前記構成部材（２）に対して圧迫接触するとともに、前記端部部分（５３）はどこにも接触しないままとなる一定のクランプによって生じ、
前記閾値温度を上回る場合には、前記平面（５１）が平均熱膨張係数差の最も小さい平均熱膨張係数α３を有する前記構成部材（３）に対して固定するよう圧迫接触した状態を維持する同一の一定クランプによって達成される前記シールの直交方向圧縮と、平均熱膨張係数差の最も大きい平均熱膨張係数α２を有する前記構成部材（２）上で前記他の２つの平面（５０，５２）を摺動、前記端部部分がこの構成部材による半径方向の圧縮下に置かれるまで摺動することによって達成される前記各構成部材に対する前記シールの半径方向（Ｒ）の圧縮と、によって生ずるようにした、
アセンブリ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のアセンブリにおいて、熱膨張係数差の最も小さい平均熱膨張係数α３を有する前記構成部材は、金属構成部材（３）とし、熱膨張係数差の最も大きい平均熱膨張係数α２を有する前記構成部材は、セラミック構成部材（２）とした、アセンブリ。
【請求項４】
請求項３に記載のアセンブリにおいて、前記金属構成部材および前記シールは、単一ブロック素子を形成する、アセンブリ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のアセンブリにおいて、前記２つの構成部材（２、３）は、平面基板とし、そのうち少なくとも一方は、前記端部部分（５３）に連続した前記平面（５２）を収容するアンダーカット（２０，３０）を備え、前記端部部分（５３）の半径方向の圧縮は、該アンダーカットの端縁（２００）に対して発生する、アセンブリ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のアセンブリにおいて、前記２つの構成部材は、平面基板とし、前記端部の半径方向の圧縮は、前記基板のうちの一方（２）の端縁（２Ａ）に対して発生する、アセンブリ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のアセンブリ内のシール（５）において、互いに分離した平面（５０，５１，５２）と、前記平面間で形成される部分の外側に位置する端部部分（５３）とを備える少なくとも１つの連続形状を有し、前記形状は、板金の単独のスタンピング加工によって得られる、シール。
【請求項８】
請求項７に記載のシール（５）において、２つの連続形状部（５ａ，５ｂ）を備え、各連続形状部（５ａ，５ｂ）は、それぞれ板金の単独のスタンピング加工によって得られ、また各連続形状部（５ａ，５ｂ）における平面（５２ａ、５２ｂ）のうち一方の平面が溶接またはろう付によって連続形状部（５ａ，５ｂ）を互いに接合する、シール。
【請求項９】
請求項８に記載のシール（５）において、前記２つの連続形状部は、ほぼ同一形状とし、それら２つの端部部分（５３ａ，５３ｂ）が互いに対向し合わないよう、ヘッド・ツー・テール形式で互いに接合する、シール。
【請求項１０】
請求項８に記載のシール（５）において、前記２つの連続形状部は、ほぼ同一形状とし、共通平面によって定義される平面（Ｐ）に関して対称的に相互に接合される、シール。
【請求項１１】
請求項１〜６に記載のアセンブリ内に挿入することを想定したシール（５）において、それ自体の連続形状は、互いに分離され板金の単独スタンピング加工によって得られる平面（５０，５１，５２ａ）を備える第１部分と、前記平面間で形成される部分の外側に位置し溶接またはろう付によって前記第１部分に固定される端部部分（５３）を有する第２部分と、を備える、シール。
【請求項１２】
請求項７〜１１のいずれか一項に記載のシール（５）において、前記板金は、フェライト鋼、またはオーステナイト鋼、またはＩｎｃｏｎｅｌ ６００もしくはＨａｙｎｅｓ ２３０系のニッケルベース合金とした、シール。
【請求項１３】
請求項７〜１２のいずれか一項に記載のシール（５）において、前記板金は、有利にはアルミナ形成材料から生成される電気的絶縁材料で被覆した、シール。
【請求項１４】
請求項７〜１３のいずれか一項に記載のシール（５）において、前記板金のスタンピング加工後、延性材料を、少なくとも一方の端部部分上または接触領域上に直接接触させてまたは電気的絶縁材料の被覆上に堆積させた、シール。
【請求項１５】
請求項１４に記載のシールにおいて、前記延性層は、銀または銀含有化合物の層とし、好ましくは以下の元素、すなわちＣｕ，Ｓｎ，Ｂｉ，Ｓｉ，Ｃｏのうちの１つを含む、シール。
【請求項１６】
請求項７〜１５のいずれか一項に記載のシールにおいて、前記端部部分（５３）は、前記平面のうち１つの平面（５２）に直接接合される単純湾曲部とした、シール。
【請求項１７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のアセンブリを備える、高温で動作する燃料電池（ＳＯＦＣ）または高温電解槽（ＨＴＥ）。
【図１】
【図２】
【図２Ａ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図２Ａ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【公表番号】特表２０１１−５２６３２９（Ｐ２０１１−５２６３２９Ａ）
【公表日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５１５３４０（Ｐ２０１１−５１５３４０）
【出願日】平成２１年６月２３日（２００９．６．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００９／０５７７６４
【国際公開番号】ＷＯ２００９／１５６３７３
【国際公開日】平成２１年１２月３０日（２００９．１２．３０）
【出願人】（５０９２４８１６５）コミサリア ア レネルジ アトミ−ク エ オエネルジー アルテルナティヴ (28)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月２３日（２００９．６．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００９／０５７７６４
【国際公開番号】ＷＯ２００９／１５６３７３
【国際公開日】平成２１年１２月３０日（２００９．１２．３０）
【出願人】（５０９２４８１６５）コミサリア ア レネルジ アトミ−ク エ オエネルジー アルテルナティヴ (28)
【Ｆターム（参考）】
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