燃料電池シール
例示的な燃料電池シールアッセンブリは、第１の層と、第２の層と、燃料電池内における第１の層と第２の層との間で水素、酸素、またはこれら両方の移動を制限する第３の層とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に燃料電池に関し、より詳細には燃料電池用のシール構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池アッセンブリはよく知られている。燃料電池の種類の１つに固体酸化物型燃料電池（ｓｏｌｉｄ ｏｘｉｄｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）（ＳＯＦＣ）がある。知られているように、ＳＯＦＣの多くは、カソード電極とアノード電極との間に配置された電解質層を有する三層電池を備える。アノード電極の近くの相互接続器とカソード電極の近くの別の相互接続器とによって燃料電池を燃料電池スタックアッセンブリ内の隣接する燃料電池へ電気的に接続することが容易になる。
【０００３】
シールによって、燃料電池スタックアッセンブリ内での燃料および酸化剤などの流体の流れを制御するのが助けられる。例えば、いくつかのシールが、燃料電池と燃料電池フレームとの間の領域をシールするのに使用される。別のいくつかのシールが、隣接する燃料電池間の接続面の近くの流れを制御するのに使用される。いくつかのＳＯＦＣは、銀および銅シールを備える。知られているように、銀および銅または銀および銅酸化物（ＣｕＯ）シールは、金属およびセラミックをうまく結合し、それによって、燃料電池環境内でシールするのに特にうまく適合する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池シールはしばしば、複数の雰囲気の近くに位置する。例えば、燃料電池のカソード電極およびアノード電極の近くに配置されたシールは、水素含有雰囲気および酸素含有雰囲気の両方の近くに位置する。知られているように、銀および銅または銀および銅酸化物シールの安定性は、シールが１つの雰囲気に曝されるときより複数の雰囲気に曝されるときにより急速に低下する。例えば、シールを通って移動する水素と酸素が結合して、過熱水蒸気が生成することがあり、この過熱水蒸気は、時間の経過とともに細孔を形成し、シールを劣化させ、不都合なことにはシールの使用寿命を短縮してしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
例示的な燃料電池シールアッセンブリは、第１の層と、第２の層と、燃料電池内における第１の層と第２の層との間で水素、酸素、またはこれら両方の移動を制限する第３の層とを備える。
【０００６】
例示的な燃料電池流体をシールする方法は、障壁層を用いて燃料電池流体の移動を阻止し、合金を用いて障壁層からの蒸発性成分の移動を制限することを含む。例示的な移動は、固体状態媒体内、多孔質媒体内、バルク流体空間内、接続面などにおける勾配駆動流または拡散過程を含む。
【０００７】
本開示のさまざまな特徴および利点は、以下の詳細な説明から当業者には明らかになるであろう。詳細な説明に付随する図面は、以下に簡単に説明できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】燃料電池スタックアッセンブリの概略図。
【図２】図１のアッセンブリ内の固体酸化物型燃料電池の概略図。
【図３】図２の一部の部分分解図。
【図４】図３のシール位置における上面図。
【図５】図４の５−５線で取った断面図。
【図６】図１の燃料電池スタックアッセンブリの一部で取った断面図。
【図７】図１の燃料電池スタックアッセンブリの別の一部で取った断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１、図２を参照すると、実施例の燃料電池スタックアッセンブリ１０は、ＳＯＦＣ１４ａ、ＳＯＦＣ１４ｂの間に配置された固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）１４を備える。第１の金属板１８および第２の金属板２２が、燃料電池スタックアッセンブリ１０の両端に取り付けられる。電子がＳＯＦＣ１４ａからＳＯＦＣ１４、ＳＯＦＣ１４ｂへ、そして第２の金属板２２へと移動し、それによって、既知のように燃料電池スタックアッセンブリ１０から経路２６に沿って電力が提供される。ＳＯＦＣ１４はまた、いくつかの実施例では燃料電池スタック繰り返し単位と呼ばれる。
【００１０】
実施例のＳＯＦＣ１４は、三層電池３０を備える。この実施例は、カソード電極層３８とアノード電極層４２との間に配置された電解質層３４を備える。取り付けシート４６が、電池３０に取り付けられており、ＳＯＦＣ１４内の流体流れを制御するようにシールアッセンブリ５０に結合される。電解質層３４もまたシールアッセンブリ５０に結合される。カソード電極層３８は、カソード相互接続器５４の方へと取り付けシート４６を通って部分的に延在する。アノード電極層４２は、アノード相互接続器６２を用いて隔離板５８に取り付けられる。燃料が、アノード相互接続器６２を通って三層電池３０へと移動する。この実施例では、シールアッセンブリ５０および溶接された接続部４４によって、図示されていない燃料入口および出口ポートを除き、アノード電極層４２、アノード相互接続器６２、および隔離板５８と取り付けシート４６との間の燃料を密閉シールするのが容易になる。
【００１１】
この実施例では、カソード相互接続器、隔離板５８、およびアノード相互接続器６２はそれぞれ、例えば溶接操作により一緒に結合される別々の部材である。別の実施例では、カソード相互接続器５４、隔離板５８、およびアノード相互接続器６２は、一体型のバイポーラプレートを形成するようにスタンピングまたは他の金属形成操作などによって一体の部品から形成される。このような実施例では、バイポーラプレートの部分は、取り付けシート４６へ取り付けるために折り曲げられるかまたは別の方法で構成される。
【００１２】
図２を参照しながら図３〜図５を参照すると、この実施例におけるシールアッセンブリ５０は、第１の合金層７０ａと第２の合金層７０ｂとの間に配置された障壁６６を備える。この実施例では、障壁６６は、各合金層７０ａ、７０ｂから約１ｍｍ離間している。実施例の障壁６６および合金層７０ａ、７０ｂそれぞれはまた約１ｍｍ幅である。他の実施例は、間隔、幅、厚みのさまざまな組み合わせを含む。いくつかの実施例では、間隔および幅の大きさは、約０．５ｍｍ〜５ｍｍである。
【００１３】
別の実施例では、障壁６６は、合金層７０ａ、７０ｂの一方または両方と接触する。
【００１４】
この実施例では、第１の合金層７０ａは、燃料電池の技術内で知られるように燃料電池の空気流に曝される。空気流からの酸素が第１の合金層７０ａに溶解し、時間の経過とともに、いくらかの酸素が、第１の合金層７０ａと障壁６６との間の空間に流出する。第２の合金層７０ｂは燃料流に曝される。燃料流からの水素は第２の合金層７０ｂに溶解し、時間の経過とともに、いくらかの水素が、第２の合金層７０ｂと障壁６６との間の空間に流出する。しかしながら、障壁６６は、合金層７０ａ、７０ｂ間のどのような酸素および水素の移動も阻止する。従って、障壁６６は実質的に、水素および酸素がシールアッセンブリ５０を通って流れるのを阻止し、これらが結合して過熱水蒸気を生成するのを防止する。従って、合金層７０ａ、７０ｂはそれぞれ、１つの雰囲気だけ（この実施例では、それぞれ酸素または水素）に曝される。
【００１５】
この実施例では、障壁６６は、変形可能な自己回復非結晶性ガラスから成る。障壁６６として使用するのに適した他の実施例の材料は、ガラス−セラミック、ガラス−金属複合材、または第１の合金７０ａおよび第２の合金７０ｂにおいて水素および酸素が互いに接触するのを実質的に阻止するのに適した他の材料を含む。これらの実施例の材料は、５００℃〜１０００℃の燃料電池作動温度における定常作動中にそれらの構造健全性を維持する。
【００１６】
時間の経過とともに、障壁６６は、蒸発性成分を生成し、この蒸発性成分はＳＯＦＣ１４を汚染することがある。この実施例では、ホウ素（Ｂ）酸化物または他のホウ素化合物が、障壁６６の蒸発性成分の一部である。他の実施例の蒸発性成分としては、リン酸化物および他の化合物、アルカリ金属酸化物および他の化合物、アルカリ土類金属酸化物およびアルカリ土類金属水酸化物が挙げられる。
【００１７】
第１の合金層７０ａおよび第２の合金層７０ｂは両方ともシールアッセンブリ５０から燃料電池の他の部品への障壁６６からの蒸発性成分の移動を制限する。従って、第１の合金層７０ａと第１の合金層７０ｂとの間に障壁６６を配置することによって効果的に障壁６６の蒸発性成分が捕捉されまたは封じ込められ、それによって、障壁６６の蒸発性成分が流出して燃料電池スタックアッセンブリ１０の部分を汚染することが防止される。
【００１８】
この実施例における合金層７０ａ、７０ｂは、銀および銅または銀および銅酸化物（ＣｕＯ）を含む。この実施例では、合金層７０ａ、７０ｂの一方または両方はまた、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、その他などの他の貴金属を含む。他の実施例では、合金層７０ａ、７０ｂの一方または両方はまた、セラミックまたは卑金属などの、熱膨張特性または補強を修正するための材料を含む。これらの材料の集合は、添加剤または修正剤と呼ぶことができる。セラミック添加剤としては、ジルコニア、チタン酸バリウム、またはチタン酸ストロンチウムを挙げることができる。卑金属添加剤としては、スズ（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、およびこれらの組み合わせを挙げることができる。一実施例における合金層は、同じ材料および組成を有する。別の実施例では、合金層は同一ではない。
【００１９】
実施例のシールアッセンブリ５０は、実質的に細孔のない誘電体である電解質層３４に結合する。電解質３４が誘電体なので、取り付けシート４６は、随意に誘電体である。すなわち、アノード層４２と取り付けシート４６との間に実質的に電子の流れは存在しない。いくつかの実施例では、取り付けシート４６は、シールアッセンブリ５０と取り付けシートとの間の化学的相互作用を低減するため、あるいは、代替の取り付けの選択肢で隣接するＳＯＦＣ繰り返し単位の間に誘電隔離を行うために、アルミナ保護被膜などの保護被膜を備える。
【００２０】
熱処理または焼成操作によって、実施例のシールアッセンブリ５０は結合される。一実施例では、約８００℃〜１０００℃の温度を有する空気炉内でシールアッセンブリ５０を加熱することが、シールアッセンブリ５０を取り付けシート４６およびアノード電極層４２に結合するのに有効である。
【００２１】
この実施例では、取り付けシート４６は、実質的に金属であり、電解質層３４は、セラミック基材料、すなわち一実施例ではイットリア安定化ジルコニアである。一実施例では、障壁６６を形成する材料および合金層７０ａ、７０ｂを形成する材料は、同様の温度範囲で取り付けシート４６および電解質層３４に結合または焼結するそれらの能力に基づいて選択される。
【００２２】
銀および銅または銀および銅酸化物粉末から成る金属合金層７０ａ、７０ｂを配置する実施例の処理は、所望のシール領域にペーストとして層７０ａ、７０ｂを施し、金属および酸化物粉末および有機担体から形成されたプラスチックテープから層７０ａ、７０ｂを切断し、または銀−銅合金または銀−銅−他の金属合金であって、他の金属がＰｄ、Ａｕ、他の貴金属、および卑金属Ａｌ、Ｎｉ、スズ、および亜鉛を含む場合には金属フォイルから層７０ａ、７０ｂを切断することを含む。
【００２３】
ガラスまたはガラス−セラミック基層７０ａ、７０ｂを配置する実施例の処理は、所望のシール領域に液体ビヒクル中のガラスまたはガラス−セラミック粉末のペーストまたは分散系として層７０ａ、７０ｂを施し、ガラスまたはガラス−セラミック粉末および有機担体から形成されたプラスチックテープから層７０ａ、７０ｂを切断する。
【００２４】
シールアッセンブリ５０は、この実施例では略長方形の部材をシールするものとして説明される。別の実施例では、シールアッセンブリ５０は、楕円形、円形、その他などの他の形状に対応するように適合される。実施例のシールアッセンブリ５０はまた、取り付けシート４６およびアノード電極層４２の比較的平らな表面に結合するものとして図示される。他の実施例では、取り付けシート４６、アノード電極層４２、またはこれら両方が、シールアッセンブリ５０の一部を少なくとも部分的に受ける溝または凹部を画成する。
【００２５】
実施例のシールアッセンブリ５０はまた、電池３０を取り付けシート４６またはフレームにシールするものとして説明される。他の実施例では、シールアッセンブリ５０は、ＳＯＦＣ１４の金属部材と隣接するＳＯＦＣ１４ａ、１４ｂとの間をシールする。図５に示される取り付けシート４６と電解質層３４との距離Ｘは、いくつかの実施例では実質的に１ｍｍ未満である。
【００２６】
図６を参照すると、いくつかの実施例では、より大きな距離をシールすることが必要とされる。そのような実施例では、シールアッセンブリ５０ａが、より大きな間隙にわたるようにスペーサ７４と組み合わされる。スペーサ７４およびシールアッセンブリ５０ａの両方が、流れを阻止しており、また、機械的圧縮荷重に耐えるように設計可能である。
【００２７】
例えば、図示されている「Ｃリング」スペーサなどのスペーサ７４が、ＳＯＦＣ１４ａを隣接するＳＯＦＣから離間させるように、また、流れを阻止するように使用される。実施例のスペーサ７４は、隔離板５８に溶接された第１の端部７８を備える。第１の端部７８の反対にあり、誘電隔離用のアルミナ被膜などの誘電体被膜８６を有する第２の端部８２は、シール５０ａを用いて取り付けシート４６にシールされている。第２の端部８２上の誘電体アルミナ被膜は、スペーサ７４の製造に使用される合金にアルミニウムが含有される場合は酸化によって形成され、また、任意の適切な処理によって施すこともできる。誘電体被膜８６は、代替として取り付けシート４６上にあるか、または、シール５０ａによって金属部品の対がシールされる他の領域にある。
【００２８】
実施例のスペーサ７４は、金属であるが、所望のＳＯＦＣ１４ａの特性に応じてさまざまな剛性および形状を有することができる。スペーサ７４は、実質的な間隙に橋かけしてシールすることが望まれるアッセンブリ１０（図１）の他の領域にも使用できる。
【００２９】
図６の実施例では、燃料Ｆは、アッセンブリ１０を通って上へと移動し、間隙９０を通ってＳＯＦＣ３０へと移動する。ここで図７を参照すると、他の実施例では、燃料Ｆは、アッセンブリ１０を通って、燃料電池スタックアッセンブリ１０の直接隣接する部分９８によって画成された開口部９４を通って移動する。シールアッセンブリ５０ｂは、これらの接続面をシールするのを容易にする。このような実施例では、部材９８の１つは、シールアッセンブリ５０ｂを保持するように作用する部材の部分に亘って延在する誘電体被膜９９を備える。別の実施例では、誘電体被膜は、部材の全面に亘って延在する。シールアッセンブリ５０ｂの厚みによって部材９８は互いに離間される。
【００３０】
開示された実施例の特徴は、何万時間もの使用寿命を有するシールを含む。開示された実施例の別の特徴は、銀および銅合金を複数の雰囲気でなく１つの雰囲気に曝すシール構造である。さらに別の特徴は、燃料電池内に望ましくない化学種を導入しないシールである。
【００３１】
好ましい実施例を開示したが、当業者は、特定の変更が可能であり、本開示の範囲に含まれることを理解できる。それゆえ、法的保護範囲の真の範囲を決定するには添付の特許請求の範囲を検討する必要がある。
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に燃料電池に関し、より詳細には燃料電池用のシール構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池アッセンブリはよく知られている。燃料電池の種類の１つに固体酸化物型燃料電池（ｓｏｌｉｄ ｏｘｉｄｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）（ＳＯＦＣ）がある。知られているように、ＳＯＦＣの多くは、カソード電極とアノード電極との間に配置された電解質層を有する三層電池を備える。アノード電極の近くの相互接続器とカソード電極の近くの別の相互接続器とによって燃料電池を燃料電池スタックアッセンブリ内の隣接する燃料電池へ電気的に接続することが容易になる。
【０００３】
シールによって、燃料電池スタックアッセンブリ内での燃料および酸化剤などの流体の流れを制御するのが助けられる。例えば、いくつかのシールが、燃料電池と燃料電池フレームとの間の領域をシールするのに使用される。別のいくつかのシールが、隣接する燃料電池間の接続面の近くの流れを制御するのに使用される。いくつかのＳＯＦＣは、銀および銅シールを備える。知られているように、銀および銅または銀および銅酸化物（ＣｕＯ）シールは、金属およびセラミックをうまく結合し、それによって、燃料電池環境内でシールするのに特にうまく適合する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池シールはしばしば、複数の雰囲気の近くに位置する。例えば、燃料電池のカソード電極およびアノード電極の近くに配置されたシールは、水素含有雰囲気および酸素含有雰囲気の両方の近くに位置する。知られているように、銀および銅または銀および銅酸化物シールの安定性は、シールが１つの雰囲気に曝されるときより複数の雰囲気に曝されるときにより急速に低下する。例えば、シールを通って移動する水素と酸素が結合して、過熱水蒸気が生成することがあり、この過熱水蒸気は、時間の経過とともに細孔を形成し、シールを劣化させ、不都合なことにはシールの使用寿命を短縮してしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
例示的な燃料電池シールアッセンブリは、第１の層と、第２の層と、燃料電池内における第１の層と第２の層との間で水素、酸素、またはこれら両方の移動を制限する第３の層とを備える。
【０００６】
例示的な燃料電池流体をシールする方法は、障壁層を用いて燃料電池流体の移動を阻止し、合金を用いて障壁層からの蒸発性成分の移動を制限することを含む。例示的な移動は、固体状態媒体内、多孔質媒体内、バルク流体空間内、接続面などにおける勾配駆動流または拡散過程を含む。
【０００７】
本開示のさまざまな特徴および利点は、以下の詳細な説明から当業者には明らかになるであろう。詳細な説明に付随する図面は、以下に簡単に説明できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】燃料電池スタックアッセンブリの概略図。
【図２】図１のアッセンブリ内の固体酸化物型燃料電池の概略図。
【図３】図２の一部の部分分解図。
【図４】図３のシール位置における上面図。
【図５】図４の５−５線で取った断面図。
【図６】図１の燃料電池スタックアッセンブリの一部で取った断面図。
【図７】図１の燃料電池スタックアッセンブリの別の一部で取った断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１、図２を参照すると、実施例の燃料電池スタックアッセンブリ１０は、ＳＯＦＣ１４ａ、ＳＯＦＣ１４ｂの間に配置された固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）１４を備える。第１の金属板１８および第２の金属板２２が、燃料電池スタックアッセンブリ１０の両端に取り付けられる。電子がＳＯＦＣ１４ａからＳＯＦＣ１４、ＳＯＦＣ１４ｂへ、そして第２の金属板２２へと移動し、それによって、既知のように燃料電池スタックアッセンブリ１０から経路２６に沿って電力が提供される。ＳＯＦＣ１４はまた、いくつかの実施例では燃料電池スタック繰り返し単位と呼ばれる。
【００１０】
実施例のＳＯＦＣ１４は、三層電池３０を備える。この実施例は、カソード電極層３８とアノード電極層４２との間に配置された電解質層３４を備える。取り付けシート４６が、電池３０に取り付けられており、ＳＯＦＣ１４内の流体流れを制御するようにシールアッセンブリ５０に結合される。電解質層３４もまたシールアッセンブリ５０に結合される。カソード電極層３８は、カソード相互接続器５４の方へと取り付けシート４６を通って部分的に延在する。アノード電極層４２は、アノード相互接続器６２を用いて隔離板５８に取り付けられる。燃料が、アノード相互接続器６２を通って三層電池３０へと移動する。この実施例では、シールアッセンブリ５０および溶接された接続部４４によって、図示されていない燃料入口および出口ポートを除き、アノード電極層４２、アノード相互接続器６２、および隔離板５８と取り付けシート４６との間の燃料を密閉シールするのが容易になる。
【００１１】
この実施例では、カソード相互接続器、隔離板５８、およびアノード相互接続器６２はそれぞれ、例えば溶接操作により一緒に結合される別々の部材である。別の実施例では、カソード相互接続器５４、隔離板５８、およびアノード相互接続器６２は、一体型のバイポーラプレートを形成するようにスタンピングまたは他の金属形成操作などによって一体の部品から形成される。このような実施例では、バイポーラプレートの部分は、取り付けシート４６へ取り付けるために折り曲げられるかまたは別の方法で構成される。
【００１２】
図２を参照しながら図３〜図５を参照すると、この実施例におけるシールアッセンブリ５０は、第１の合金層７０ａと第２の合金層７０ｂとの間に配置された障壁６６を備える。この実施例では、障壁６６は、各合金層７０ａ、７０ｂから約１ｍｍ離間している。実施例の障壁６６および合金層７０ａ、７０ｂそれぞれはまた約１ｍｍ幅である。他の実施例は、間隔、幅、厚みのさまざまな組み合わせを含む。いくつかの実施例では、間隔および幅の大きさは、約０．５ｍｍ〜５ｍｍである。
【００１３】
別の実施例では、障壁６６は、合金層７０ａ、７０ｂの一方または両方と接触する。
【００１４】
この実施例では、第１の合金層７０ａは、燃料電池の技術内で知られるように燃料電池の空気流に曝される。空気流からの酸素が第１の合金層７０ａに溶解し、時間の経過とともに、いくらかの酸素が、第１の合金層７０ａと障壁６６との間の空間に流出する。第２の合金層７０ｂは燃料流に曝される。燃料流からの水素は第２の合金層７０ｂに溶解し、時間の経過とともに、いくらかの水素が、第２の合金層７０ｂと障壁６６との間の空間に流出する。しかしながら、障壁６６は、合金層７０ａ、７０ｂ間のどのような酸素および水素の移動も阻止する。従って、障壁６６は実質的に、水素および酸素がシールアッセンブリ５０を通って流れるのを阻止し、これらが結合して過熱水蒸気を生成するのを防止する。従って、合金層７０ａ、７０ｂはそれぞれ、１つの雰囲気だけ（この実施例では、それぞれ酸素または水素）に曝される。
【００１５】
この実施例では、障壁６６は、変形可能な自己回復非結晶性ガラスから成る。障壁６６として使用するのに適した他の実施例の材料は、ガラス−セラミック、ガラス−金属複合材、または第１の合金７０ａおよび第２の合金７０ｂにおいて水素および酸素が互いに接触するのを実質的に阻止するのに適した他の材料を含む。これらの実施例の材料は、５００℃〜１０００℃の燃料電池作動温度における定常作動中にそれらの構造健全性を維持する。
【００１６】
時間の経過とともに、障壁６６は、蒸発性成分を生成し、この蒸発性成分はＳＯＦＣ１４を汚染することがある。この実施例では、ホウ素（Ｂ）酸化物または他のホウ素化合物が、障壁６６の蒸発性成分の一部である。他の実施例の蒸発性成分としては、リン酸化物および他の化合物、アルカリ金属酸化物および他の化合物、アルカリ土類金属酸化物およびアルカリ土類金属水酸化物が挙げられる。
【００１７】
第１の合金層７０ａおよび第２の合金層７０ｂは両方ともシールアッセンブリ５０から燃料電池の他の部品への障壁６６からの蒸発性成分の移動を制限する。従って、第１の合金層７０ａと第１の合金層７０ｂとの間に障壁６６を配置することによって効果的に障壁６６の蒸発性成分が捕捉されまたは封じ込められ、それによって、障壁６６の蒸発性成分が流出して燃料電池スタックアッセンブリ１０の部分を汚染することが防止される。
【００１８】
この実施例における合金層７０ａ、７０ｂは、銀および銅または銀および銅酸化物（ＣｕＯ）を含む。この実施例では、合金層７０ａ、７０ｂの一方または両方はまた、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、その他などの他の貴金属を含む。他の実施例では、合金層７０ａ、７０ｂの一方または両方はまた、セラミックまたは卑金属などの、熱膨張特性または補強を修正するための材料を含む。これらの材料の集合は、添加剤または修正剤と呼ぶことができる。セラミック添加剤としては、ジルコニア、チタン酸バリウム、またはチタン酸ストロンチウムを挙げることができる。卑金属添加剤としては、スズ（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、およびこれらの組み合わせを挙げることができる。一実施例における合金層は、同じ材料および組成を有する。別の実施例では、合金層は同一ではない。
【００１９】
実施例のシールアッセンブリ５０は、実質的に細孔のない誘電体である電解質層３４に結合する。電解質３４が誘電体なので、取り付けシート４６は、随意に誘電体である。すなわち、アノード層４２と取り付けシート４６との間に実質的に電子の流れは存在しない。いくつかの実施例では、取り付けシート４６は、シールアッセンブリ５０と取り付けシートとの間の化学的相互作用を低減するため、あるいは、代替の取り付けの選択肢で隣接するＳＯＦＣ繰り返し単位の間に誘電隔離を行うために、アルミナ保護被膜などの保護被膜を備える。
【００２０】
熱処理または焼成操作によって、実施例のシールアッセンブリ５０は結合される。一実施例では、約８００℃〜１０００℃の温度を有する空気炉内でシールアッセンブリ５０を加熱することが、シールアッセンブリ５０を取り付けシート４６およびアノード電極層４２に結合するのに有効である。
【００２１】
この実施例では、取り付けシート４６は、実質的に金属であり、電解質層３４は、セラミック基材料、すなわち一実施例ではイットリア安定化ジルコニアである。一実施例では、障壁６６を形成する材料および合金層７０ａ、７０ｂを形成する材料は、同様の温度範囲で取り付けシート４６および電解質層３４に結合または焼結するそれらの能力に基づいて選択される。
【００２２】
銀および銅または銀および銅酸化物粉末から成る金属合金層７０ａ、７０ｂを配置する実施例の処理は、所望のシール領域にペーストとして層７０ａ、７０ｂを施し、金属および酸化物粉末および有機担体から形成されたプラスチックテープから層７０ａ、７０ｂを切断し、または銀−銅合金または銀−銅−他の金属合金であって、他の金属がＰｄ、Ａｕ、他の貴金属、および卑金属Ａｌ、Ｎｉ、スズ、および亜鉛を含む場合には金属フォイルから層７０ａ、７０ｂを切断することを含む。
【００２３】
ガラスまたはガラス−セラミック基層７０ａ、７０ｂを配置する実施例の処理は、所望のシール領域に液体ビヒクル中のガラスまたはガラス−セラミック粉末のペーストまたは分散系として層７０ａ、７０ｂを施し、ガラスまたはガラス−セラミック粉末および有機担体から形成されたプラスチックテープから層７０ａ、７０ｂを切断する。
【００２４】
シールアッセンブリ５０は、この実施例では略長方形の部材をシールするものとして説明される。別の実施例では、シールアッセンブリ５０は、楕円形、円形、その他などの他の形状に対応するように適合される。実施例のシールアッセンブリ５０はまた、取り付けシート４６およびアノード電極層４２の比較的平らな表面に結合するものとして図示される。他の実施例では、取り付けシート４６、アノード電極層４２、またはこれら両方が、シールアッセンブリ５０の一部を少なくとも部分的に受ける溝または凹部を画成する。
【００２５】
実施例のシールアッセンブリ５０はまた、電池３０を取り付けシート４６またはフレームにシールするものとして説明される。他の実施例では、シールアッセンブリ５０は、ＳＯＦＣ１４の金属部材と隣接するＳＯＦＣ１４ａ、１４ｂとの間をシールする。図５に示される取り付けシート４６と電解質層３４との距離Ｘは、いくつかの実施例では実質的に１ｍｍ未満である。
【００２６】
図６を参照すると、いくつかの実施例では、より大きな距離をシールすることが必要とされる。そのような実施例では、シールアッセンブリ５０ａが、より大きな間隙にわたるようにスペーサ７４と組み合わされる。スペーサ７４およびシールアッセンブリ５０ａの両方が、流れを阻止しており、また、機械的圧縮荷重に耐えるように設計可能である。
【００２７】
例えば、図示されている「Ｃリング」スペーサなどのスペーサ７４が、ＳＯＦＣ１４ａを隣接するＳＯＦＣから離間させるように、また、流れを阻止するように使用される。実施例のスペーサ７４は、隔離板５８に溶接された第１の端部７８を備える。第１の端部７８の反対にあり、誘電隔離用のアルミナ被膜などの誘電体被膜８６を有する第２の端部８２は、シール５０ａを用いて取り付けシート４６にシールされている。第２の端部８２上の誘電体アルミナ被膜は、スペーサ７４の製造に使用される合金にアルミニウムが含有される場合は酸化によって形成され、また、任意の適切な処理によって施すこともできる。誘電体被膜８６は、代替として取り付けシート４６上にあるか、または、シール５０ａによって金属部品の対がシールされる他の領域にある。
【００２８】
実施例のスペーサ７４は、金属であるが、所望のＳＯＦＣ１４ａの特性に応じてさまざまな剛性および形状を有することができる。スペーサ７４は、実質的な間隙に橋かけしてシールすることが望まれるアッセンブリ１０（図１）の他の領域にも使用できる。
【００２９】
図６の実施例では、燃料Ｆは、アッセンブリ１０を通って上へと移動し、間隙９０を通ってＳＯＦＣ３０へと移動する。ここで図７を参照すると、他の実施例では、燃料Ｆは、アッセンブリ１０を通って、燃料電池スタックアッセンブリ１０の直接隣接する部分９８によって画成された開口部９４を通って移動する。シールアッセンブリ５０ｂは、これらの接続面をシールするのを容易にする。このような実施例では、部材９８の１つは、シールアッセンブリ５０ｂを保持するように作用する部材の部分に亘って延在する誘電体被膜９９を備える。別の実施例では、誘電体被膜は、部材の全面に亘って延在する。シールアッセンブリ５０ｂの厚みによって部材９８は互いに離間される。
【００３０】
開示された実施例の特徴は、何万時間もの使用寿命を有するシールを含む。開示された実施例の別の特徴は、銀および銅合金を複数の雰囲気でなく１つの雰囲気に曝すシール構造である。さらに別の特徴は、燃料電池内に望ましくない化学種を導入しないシールである。
【００３１】
好ましい実施例を開示したが、当業者は、特定の変更が可能であり、本開示の範囲に含まれることを理解できる。それゆえ、法的保護範囲の真の範囲を決定するには添付の特許請求の範囲を検討する必要がある。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の層と、
第２の層と、
燃料電池内における第１の層と第２の層との間で水素、酸素、またはこれら両方の移動を制限する第３の層と、
を備えることを特徴とする燃料電池シールアッセンブリ。
【請求項２】
第１の層および第２の層の少なくとも一方が、銀および銅を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池シールアッセンブリ。
【請求項３】
第１の層および第２の層の少なくとも一方が、銀および銅酸化物を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池シールアッセンブリ。
【請求項４】
第１の層および第２の層の少なくとも一方が、銀および銅と、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、およびこれらの組み合わせから成る群より選択される貴金属とを含むことを特徴とする請求項２記載の燃料電池シールアッセンブリ。
【請求項５】
第１の層および第２の層の少なくとも一方が、銀および銅と、Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、およびこれらの組み合わせから成る群より選択される卑金属とを含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池シールアッセンブリ。
【請求項６】
第１の層および第２の層の少なくとも一方が、銀および銅と、ジルコニア、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、およびこれらの組み合わせから成る群より選択されるセラミックとを含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池シールアッセンブリ。
【請求項７】
第３の層の少なくとも一部が、第１の層と第２の層との間に配置されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池シールアッセンブリ。
【請求項８】
第３の層は、第１の層および第２の層から離間していることを特徴とする請求項３記載の燃料電池シールアッセンブリ。
【請求項９】
第３の層は、ガラス部分を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池シールアッセンブリ。
【請求項１０】
ガラス部分は、自己回復かつ変形可能であることを特徴とする請求項５記載の燃料電池シールアッセンブリ。
【請求項１１】
電池スタックアッセンブリと、
燃料電池アッセンブリに付随するシールと、
を備える燃料電池アッセンブリであって、シールは、合金に隣接して配置される部分を有する障壁を備え、この合金は、障壁からの蒸発性成分の移動を制限することを特徴とする燃料電池アッセンブリ。
【請求項１２】
障壁部分が、燃料電池アッセンブリ内の水素および酸素の流れを制限することを特徴とする請求項１１記載の燃料電池アッセンブリ。
【請求項１３】
合金は、複数の層から成り、障壁は、この複数の層の間に配置されることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池アッセンブリ。
【請求項１４】
障壁層は、前記複数の層の間で水素および酸素の移動を制限することを特徴とする請求項１３記載の燃料電池アッセンブリ。
【請求項１５】
前記層の少なくとも１つが、水素雰囲気または酸素雰囲気に曝されるように配置されることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池アッセンブリ。
【請求項１６】
障壁は、ガラスを含むことを特徴とする請求項１１記載の燃料電池アッセンブリ。
【請求項１７】
合金は、銀および銅と、貴金属、卑金属またはセラミックとを含み、貴金属は、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、およびこれらの組み合わせから成る群より選択され、卑金属は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、およびこれらの組み合わせから成る群より選択され、セラミックは、ジルコニア、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、およびこれらの組み合わせから成る群より選択されることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池アッセンブリ。
【請求項１８】
燃料電池アッセンブリは、アノードと、取り付けシートとを備えており、シールは、アノードおよび取り付けシートの両方に付着されることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池アッセンブリ。
【請求項１９】
シールは、スペーサと、セルスタックアッセンブリの別の部分とに取り付けられることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池アッセンブリ。
【請求項２０】
障壁層を用いて燃料電池流体の移動を阻止し、
合金を用いて障壁層からの蒸発性成分の移動を制限する、
ことを含むことを特徴とする、燃料電池内における接続面をシールする方法。
【請求項２１】
合金は、銀および銅を含むことを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
障壁層の両側に隣接して合金を配置することを含むことを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２３】
合金および障壁層を燃料電池部材に結合することを含むことを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項１】
第１の層と、
第２の層と、
燃料電池内における第１の層と第２の層との間で水素、酸素、またはこれら両方の移動を制限する第３の層と、
を備えることを特徴とする燃料電池シールアッセンブリ。
【請求項２】
第１の層および第２の層の少なくとも一方が、銀および銅を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池シールアッセンブリ。
【請求項３】
第１の層および第２の層の少なくとも一方が、銀および銅酸化物を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池シールアッセンブリ。
【請求項４】
第１の層および第２の層の少なくとも一方が、銀および銅と、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、およびこれらの組み合わせから成る群より選択される貴金属とを含むことを特徴とする請求項２記載の燃料電池シールアッセンブリ。
【請求項５】
第１の層および第２の層の少なくとも一方が、銀および銅と、Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、およびこれらの組み合わせから成る群より選択される卑金属とを含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池シールアッセンブリ。
【請求項６】
第１の層および第２の層の少なくとも一方が、銀および銅と、ジルコニア、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、およびこれらの組み合わせから成る群より選択されるセラミックとを含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池シールアッセンブリ。
【請求項７】
第３の層の少なくとも一部が、第１の層と第２の層との間に配置されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池シールアッセンブリ。
【請求項８】
第３の層は、第１の層および第２の層から離間していることを特徴とする請求項３記載の燃料電池シールアッセンブリ。
【請求項９】
第３の層は、ガラス部分を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池シールアッセンブリ。
【請求項１０】
ガラス部分は、自己回復かつ変形可能であることを特徴とする請求項５記載の燃料電池シールアッセンブリ。
【請求項１１】
電池スタックアッセンブリと、
燃料電池アッセンブリに付随するシールと、
を備える燃料電池アッセンブリであって、シールは、合金に隣接して配置される部分を有する障壁を備え、この合金は、障壁からの蒸発性成分の移動を制限することを特徴とする燃料電池アッセンブリ。
【請求項１２】
障壁部分が、燃料電池アッセンブリ内の水素および酸素の流れを制限することを特徴とする請求項１１記載の燃料電池アッセンブリ。
【請求項１３】
合金は、複数の層から成り、障壁は、この複数の層の間に配置されることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池アッセンブリ。
【請求項１４】
障壁層は、前記複数の層の間で水素および酸素の移動を制限することを特徴とする請求項１３記載の燃料電池アッセンブリ。
【請求項１５】
前記層の少なくとも１つが、水素雰囲気または酸素雰囲気に曝されるように配置されることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池アッセンブリ。
【請求項１６】
障壁は、ガラスを含むことを特徴とする請求項１１記載の燃料電池アッセンブリ。
【請求項１７】
合金は、銀および銅と、貴金属、卑金属またはセラミックとを含み、貴金属は、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、およびこれらの組み合わせから成る群より選択され、卑金属は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、およびこれらの組み合わせから成る群より選択され、セラミックは、ジルコニア、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、およびこれらの組み合わせから成る群より選択されることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池アッセンブリ。
【請求項１８】
燃料電池アッセンブリは、アノードと、取り付けシートとを備えており、シールは、アノードおよび取り付けシートの両方に付着されることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池アッセンブリ。
【請求項１９】
シールは、スペーサと、セルスタックアッセンブリの別の部分とに取り付けられることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池アッセンブリ。
【請求項２０】
障壁層を用いて燃料電池流体の移動を阻止し、
合金を用いて障壁層からの蒸発性成分の移動を制限する、
ことを含むことを特徴とする、燃料電池内における接続面をシールする方法。
【請求項２１】
合金は、銀および銅を含むことを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
障壁層の両側に隣接して合金を配置することを含むことを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２３】
合金および障壁層を燃料電池部材に結合することを含むことを特徴とする請求項２０記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公表番号】特表２０１２−５０６６１３（Ｐ２０１２−５０６６１３Ａ）
【公表日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５３３１４５（Ｐ２０１１−５３３１４５）
【出願日】平成２０年１０月２２日（２００８．１０．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０８０６６７
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０４７６９２
【国際公開日】平成２２年４月２９日（２０１０．４．２９）
【出願人】（５００４７７４４７）ユーティーシー パワー コーポレイション (138)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月２２日（２００８．１０．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０８０６６７
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０４７６９２
【国際公開日】平成２２年４月２９日（２０１０．４．２９）
【出願人】（５００４７７４４７）ユーティーシー パワー コーポレイション (138)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]