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燃料電池システムのグロープラグおよびこれを形成する方法

阅读:1106发布:2020-06-11

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燃料電池システムの、ハウジングと前記ハウジングの第1の端部から延びる加熱エレメントとを備えるグロープラグを密封する方法であって、 環状ベースと前記環状ベースから延びる管状カラーとを含む密封エレメントに前記加熱エレメントを挿入するステップと、 前記管状カラーを前記加熱エレメントに取り付けるとともに前記環状ベースを前記ハウジングの第1の端部に取り付けることによって前記グロープラグと前記燃料電池システムとの間の流体密結合を形成するステップと、を含み、 前記環状ベースの厚さが前記管状カラーの厚さと実質的に同じになるように、前記密封エレメントをシートメタルから形成する方法。請求項1記載の方法において、 前記ハウジングの内側に配置される前記加熱エレメントの部分にリード線を取り付けるステップをさらに含み、 前記リード線は、ニッケル−シリコン合金を含む方法。請求項2記載の方法において、 前記リード線を取り付けるステップは、前記加熱エレメントにランディングパッドを取り付けることと前記リード線を前記ランディングパッドに取り付けることとを含み、 前記ランディングパッドは、ニッケル−シリコン合金を含む方法。請求項3記載の方法において、 前記ランディングパッドは、前記加熱エレメントに取り付けられるカラーと、前記カラーから延びて前記リード線に取り付けられるリード結線とを含む方法。請求項1記載の方法において、 前記流体密結合を形成するステップは、活性化ろう付け合金金ろうを用いてろう付けすることを含む方法。請求項1記載の方法において、 前記密封エレメントは、オーステナイト系ニッケル−クロム合金を含む方法。請求項1記載の方法において、 前記グロープラグを前記燃料電池システムの壁の開口部に配置するステップをさらに含む方法。固体酸化物燃料電池システムのためのグロープラグであって、 ハウジングと、 前記ハウジングの第1の端部から延びる加熱エレメントと、 前記ハウジングと前記加熱エレメントとの間に流体密結合を形成するように構成された密封エレメントと、を備え、 前記密封エレメントは、 前記ハウジングの第1の端部に取り付けられる環状ベースと、 前記環状ベースから延びて前記加熱エレメントに取り付けられる管状カラーと、を含み、 前記環状ベースの厚さが前記管状カラーの厚さと実質的に同じになるように、前記密封エレメントをシートメタルから形成するグロープラグ。請求項8記載のグロープラグにおいて、 前記密封エレメントは、ろう付けまたはレーザー溶接によって前記ハウジングおよび前記加熱エレメントに取り付けられるグロープラグ。請求項8記載のグロープラグにおいて、 前記密封エレメントは、活性化ろう付け合金金ろうによって前記ハウジングおよび前記加熱エレメントに取り付けられるグロープラグ。請求項8記載のグロープラグにおいて、 前記密封エレメントは、オーステナイト系ニッケル−クロム合金を含むグロープラグ。請求項8記載のグロープラグにおいて、 前記ハウジング内に配置されるランディングパッドをさらに備え、 前記ランディングパッドは、前記加熱エレメントに取り付けられるランディングパッドカラーと、前記ランディングパッドカラーから延びるリード結線とを含むグロープラグ。請求項12記載のグロープラグにおいて、 前記ランディングパッドは、ニッケル−シリコン合金を含むグロープラグ。請求項13記載のグロープラグにおいて、 活性化ろう付け合金金ろうを用いて前記リード結線に取り付けられるリード線をさらに備え、 前記リード線は、ニッケル−シリコン合金を含むグロープラグ。請求項8記載のグロープラグにおいて、 ニッケル−シリコン合金を含むとともに平らにされた端部を有するリード線をさらに備え、 前記平らにされた端部は、活性化ろう付け合金金ろうを用いて前記加熱エレメントに取り付けられるグロープラグ。請求項12記載のグロープラグにおいて、 活性化ろう付け合金金ろうを用いて前記加熱エレメントに取り付けられる中央リード線をさらに備えるグロープラグ。請求項12記載のグロープラグにおいて、 前記ランディングパッドカラーは、前記環状ベースから直交方向に延びるグロープラグ。請求項12記載のグロープラグにおいて、 前記加熱エレメントは、セラミック材料を含むグロープラグ。固体酸化物燃料電池システムであって、 ホットボックスハウジングと、 前記ホットボックスハウジング内に配置された燃料電池スタックと、 前記ホットボックスハウジングの開口部を通って延びる請求項8記載のグロープラグと、 を備える固体酸化物燃料電池システム。固体酸化物燃料電池システムのためのグロープラグであって、 ハウジングと、 前記ハウジングの第1の端部から延びる加熱エレメントと、 前記ハウジング内に配置されたランディングパッドと、を備え、 前記ランディングパッドは、前記加熱エレメントに取り付けられたカラーと、前記カラーから延びるリード結線とを含み、 前記ランディングパッドは、4〜5重量%のシリコンと少なくとも94重量%のニッケルとを含有するニッケル−シリコン合金を含むグロープラグ。請求項20記載のグロープラグにおいて、 活性化ろう付け合金金ろうを用いて前記リード結線に取り付けられたリード線をさらに備え、 前記リード線は、ニッケル−シリコン合金を含むグロープラグ。請求項20記載のグロープラグにおいて、 活性化ろう付け合金金ろうを用いて前記加熱エレメントに取り付けられた中央リード線をさらに備えるグロープラグ。請求項20記載のグロープラグにおいて、 前記加熱エレメントは、セラミック材料を含むグロープラグ。請求項20記載のグロープラグにおいて、 ニッケル−シリコン合金を含むとともに平らにされた端部を有するリード線をさらに備え、 前記平らにされた端部は、活性化ろう付け合金金ろうを用いて前記加熱エレメントに取り付けられるグロープラグ。請求項20記載のグロープラグにおいて、 前記加熱エレメントと前記ハウジングとの間に配置された密封リングをさらに備え、 前記密封リングは、ガラスを含み、活性化金ろうを用いて前記加熱エレメントおよび前記ハウジングに取り付けられるグロープラグ。

说明书全文

本発明は、燃料電池システムを対象とし、より具体的には、固体酸化物燃料電池(SOFC)システムのためのグロープラグを対象としている。

関連特許出願の相互参照 本願は、その全体が本願明細書において参照により援用されている、2014年4月4日に出願された米国仮特許出願第61/975,233号明細書(特許文献1)に関連するとともにこの仮出願に対する優先権を主張する。

固体酸化物燃料電池などの燃料電池は、燃料に蓄えられているエネルギーを高効率で電気エネルギーに変換することのできる電気化学装置である。高温燃料電池は、固体酸化物燃料電池および溶融炭酸塩燃料電池を含む。これらの燃料電池は、素および/または炭化水素燃料を用いて動作することができる。入として電気エネルギーを用いて、酸化されている燃料を還元して酸化されていない燃料に戻す逆操作をも可能にする種類の、固体酸化物再生燃料電池などの燃料電池がある。

米国仮特許出願第61/975,233号明細書

米国特許出願第13/344,304号明細書

種々の実施形態は、燃料電池システムの、ハウジングとハウジングの第1の端部から延びる加熱エレメントとを備えるグロープラグを密封する方法に関し、この方法は、環状ベースと環状ベースから延びる管状カラーとを含む密封エレメントに加熱エレメントを挿入するステップと、カラーを加熱エレメントに取り付けるとともに環状ベースをハウジングの第1の端部に取り付けることによってグロープラグと燃料電池システムとの間の流体密結合を形成するステップとを含む。

種々の実施形態は、固体酸化物燃料電池システムのためのグロープラグに関し、このグロープラグは、ハウジングと、ハウジングの第1の端部から延びる加熱エレメントと、ハウジングと加熱エレメントとの間の流体密結合を形成するように構成された密封エレメントとを備え、この密封エレメントは、ハウジングの第1の端部に取り付けられた環状ベースと、環状ベースから延びて加熱エレメントに取り付けられた管状カラーとを含む。

種々の実施形態は、固体酸化物燃料電池システムに関し、この固体酸化物燃料電池システムは、ホットボックスハウジングと、ホットボックスハウジング内に配置された燃料電池スタックと、ホットボックスハウジングの開口部を通って延びるグロープラグとを備える。

種々の実施形態は、固体酸化物燃料電池システムのためのグロープラグに関し、このグロープラグは、ハウジングと、ハウジングの第1の端部から延びる加熱エレメントと、ハウジング内に配置されたランディングパッドとを備え、このランディングパッドは、加熱エレメントに取り付けられたカラーとカラーから延びるリード結線とを含む。

種々の実施形態は、固体酸化物燃料電池システムのためのグロープラグに関し、このグロープラグは、ハウジングと、ハウジングから延びる加熱エレメントと、加熱エレメントとハウジングとの間に配置され、かつガラスを含む密封リングとを備える。

比較例に従うSOFCシステムのベース部分を示す3次元切り取り図である。

典型的な実施形態に従うSOFCシステムの横断面の略図である。

他の1つの典型的な実施形態に従うSOFCシステムのベース部分を示す3次元切り取り図である。

他の1つの典型的な実施形態に従うSOFCシステムのベース部分を示す3次元切り取り図である。

種々の実施形態に従うSOFCシステムのベース部分を示す3次元切り取り図である。

種々の実施形態に従うSOFCシステムのガスケットおよびフレームの分解図である。

種々の実施形態に従う密封部材の側面図である。

種々の実施形態に従う密封部材の平面図である。

種々の実施形態に従う、図6Aおよび図6Bの密封部材を含むグロープラグの平面図である。

種々の実施形態に従う、図6Aおよび図6Bの密封部材を含むグロープラグの側面図である。

図6Dの差し込みエリアの側面横断面拡大図である。

種々の実施形態に従うランディングパッドの透視図である。

種々の実施形態に従うランディングパッドの平面図である。

種々の実施形態に従う、加熱エレメントに取り付けられた図7Aおよび図7Bのランディングパッドの側面図である。

種々の実施形態に従う、加熱エレメントに取り付けられた図7Aおよび図7Bのランディングパッドの平面図である。

種々の実施形態に従うグロープラグの側面横断面図である。

種々の実施形態に従うグロープラグアセンブリの側面横断面図である。

種々の実施形態に従うグロープラグアセンブリの側面横断面図である。

高い動作効率を維持するために、燃料電池の所望の温度が動作中終始維持されるべきである。しかし、燃料電池ホットボックスの層内のギャップと計装貫通穴とが、顕著な熱漏れをもたらし、結果として望ましくない温度変動をもたらし得る。さらに、高温動作と温度の変動とは燃料電池コンポーネントに応力と損傷を生じさせ得る。

グロープラグなどのコンポーネントは、貫通穴を通して挿入され得る。グロープラグは、SOFC動作を維持するために熱を供給する加熱エレメントを有する燃料電池コンポーネントである。グロープラグは、通例、反応室に挿入され、しばしばグロープラグアセンブリのハウジングに収容される。グロープラグは貫通穴を通してSOFC反応室内に供給されるので、反応室に挿入されたグロープラグまたは加熱エレメントは、エレメントと、エレメントを支持して挿入を容易にするハウジングとの間に生じ得る漏れを防ぐために密封されるべきである。さらに、反応室の中またはその近くにあるコンポーネントは、極端な動作温度および極端な温度変化にさらされ得る。動作温度条件および変化が極端であるために、ハウジングコンポーネントと加熱エレメントとの間の熱膨張係数(CTE)の差が、加熱エレメントにミクロ割れ形成を生じさせる応力を引き起こすこともあり、それにより加熱エレメントの寿命を短くし、漏れを生じさせ、SOFCの動作信頼性および耐用寿命を減少させることもある。

高温のSOFCシステムの動作中に温度サイクルまたは変動に対する弾力性を提供するとともにグロープラグ故障を減少させるために、本発明の実施形態は、固体酸化物燃料電池(SOFC)システムと、グロープラグおよび/またはグロープラグアセンブリを密封する方法とに向けられる。さらに、本願明細書で開示する絶縁を用いて高温のSOFCシステムの動作中安定した温度を維持することにより、このようなシステムにおいて熱効率および電気効率の両方が改善され得るとともにグロープラグ故障の可能性が低減され得る。任意に、実施形態は、熱効率を改善するために注ぎ込み可能な絶縁材料を含むSOFCシステムに向けられ得る。1つのタイプの注ぎ込み可能な絶縁材料は、SOFCハウジングの開口部に注ぎ込まれることができる流体であって、硬化させられると固まって高温耐性材料となる「自由流れ」絶縁材であり得る。あるいは、注ぎ込み可能な絶縁材料は、硬化させられなくてもよい流動可能な絶縁材料である。高温燃料電池システムのベース部分を絶縁させる1つの方法が、その全体が本願明細書において参照により援用されている、2012年1月5日に出願された米国特許出願第13/344,304号明細書(特許文献2)に開示されている。この方法の結果が図1Aに示されている。燃料電池スタック(図示せず)は、絶縁材501で満たされたベースパン502の上に位置するスタック支持ベース500上に配置される。スタック支持ベース500は、密封エレメントのうちの1つを不要にするブリッジング管900を含む。ブリッジング管900を、セラミックなどの電気絶縁性材料から作ることもできるし、あるいはベースパン502の外側でセラミック管に接合される導電性材料から作ってもよい。ブリッジング管900の使用は、空気漏れ経路をなくす。スタックからの集電装置/電気端子950は、ブリッジング管900内でスタック支持ベース500の頂部から、微孔性ボードから作られたベース絶縁材501を通ってベースパン502の外へ通される。管900をベースパン502に固定するためにシートメタルリテーナ503を使用することができる。本願明細書において後でさらに詳述する実施形態において、グロープラグのための電気配線の挿入点および経路を提供するために同様の構成を使用することができる。グロープラグが挿入される実施形態では、電気配線は、グロープラグの外側からホットボックスの外側ハウジング300の側壁330を通るかあるいはベースパン502を通って延びることができる。

管900はベースにおいてスーパーウール901および/または注ぎ込み可能な絶縁材料902で絶縁され得る。注ぎ込み可能な絶縁材料は「自由流れ」絶縁材902とすることができ、これは、管900の周りのベース500の開口部に注ぎ込まれてから、硬化させられると固まって高温耐性材料となる。注ぎ込み可能な絶縁材料902は、管900の周りのベース空洞の10体積%未満を満たす。1つの代わりの実施形態では、注ぎ込み可能な絶縁材料902は乾燥固体粒子から作られる。グロープラグアセンブリとグロープラグアセンブリへの電気結線とのための導管も、グロープラグエレメントに対する熱的変動と熱曝露とを減少させるために、前述したように絶縁させられ得る。

図1Bは、SOFCシステム100の第1の実施形態を示す横断面図である。SOFCシステム100は、スタック支持ベース500上に位置する燃料電池スタック9の1つ以上のコラム11を含む。各燃料電池スタックは、その全体が本願明細書において参照により援用されている米国特許出願第13/344,304号明細書(特許文献2)に記載されているように、1つ以上の燃料電池を含む。燃料マニホルド404は、コラム11において燃料電池スタック9間に配置され得る。燃料電池スタック9のコラム11は、ベースプレート500上に置かれ、中央プレナム150の周りに配列され得る。中央プレナム150は、改質装置および/またはアノードクーラー熱交換器などの熱交換器および/またはアノード排気レキュペレータ(図示せず)などの種々の補助設備コンポーネントを含むことができる。SOFCシステム100の中央プレナム150は、燃料流入導管152、オキシダント流入導管154、燃料/オキシダント排気流出導管156(例えば、オキシダント排気により酸化された燃料排気を含むアノード排ガス酸化剤産出物)をも含む。

SOFCシステム100は、燃料電池スタック9のコラム11の外周の周りに置かれたカソードレキュペレータ200をも含む。SOFCシステム100を熱損失から絶縁させるために、カソードレキュペレータ200とSOFCシステム100の外側ハウジング300(例えば、ホットボックス)の側壁330との間のギャップに弾力のある絶縁層210を設けることができる。SOFCシステム100をさらに絶縁させるために、弾力のある絶縁層210とSOFCシステム100の外側ハウジング300の側壁330との間のギャップ250に柔軟な絶縁層260を設けることができる。弾力のある絶縁層210を、注ぎ込み可能な材料(例えば、自由流れ材料、または固体粒状材料などの任意の適切な熱絶縁性弾力性材料)から作ることができる。柔軟な層260を、耐熱性フェルト、紙、またはウールなどの任意の適切な材料から作ることができる。ここで使用される「柔軟な」材料は、損傷なしで少なくとも10体積パーセント縮み膨張する材料である。スタック支持ベース500、ハウジング300のベースパン502の底壁332および外側ハウジング300の側壁330により少なくとも部分的に画定されるベース空洞102(図3にも示されている)を、後でより詳しく論じるように、微孔性ボード501、注ぎ込み可能な絶縁材902またはそれらの組み合わせなどのベース絶縁材901で満たすことができる。1つの典型的な実施形態では、微孔性ボード501は、ハウジング300のベース空洞102の体積の四分の一またはそれ未満を満たす。

SOFCの動作中の熱的変動は、薄い外側ハウジング300(例えば、金属ハウジング)を、SOFCシステムのより大きくて重い内部コンポーネント(例えば、スタックなど)よりも迅速に膨張させ、収縮させることができる。これは、絶縁シェル/コンテインメントおよび/または外側ハウジング300および/またはカソードレキュペレータの疲労および損傷をもたらし得る。さらに、弾力のある絶縁層210と外側ハウジングの側壁330との間のギャップ250に柔軟な絶縁層260がないとすると、外側ハウジング300の側壁330がSOFCシステムの内部コンポーネントより速く膨張すれば、耐圧縮性の(すなわち、弾力のある)注ぎ込み可能な絶縁材210がSOFCシステムから脱出するのを許すのに十分に大きなギャップを生成することができる。しかし、弾力のある絶縁層210と外側ハウジングの側壁330との間のギャップ250への柔軟な絶縁層260の追加は、SOFCシステムの内部コンポーネントの膨張に起因する応力を吸収し、これによって外側ハウジング300、カソードレキュペレータ200、弾力のある層210および/または柔軟な絶縁層260を保護するとともに、膨張して、外側ハウジング300がSOFCシステムの内部コンポーネントより速く膨張したとすれば、形成されるであろうギャップを埋める。他の実施形態では、ベース空洞の、少なくとも50%などの少なくとも30体積%(例えば、50〜75体積%などの30〜100体積%)が注ぎ込み可能な絶縁材で満たされる。

図2は、SOFCシステムの他の1つの典型的な実施形態を示す。この実施形態では、スタック支持ベース500の下のベースパン502内のベース空洞102は、注ぎ込み可能な絶縁材料902で完全に満たされる。絶縁材料902は、SOFCホットボックスのベースに挿入されている管類(例えば、管900)または計装の周りに絶縁材が流れるので、「自己回復性」であり得る。この方法で、絶縁材料902は、SOFCに管類または計装を導入するために作られる貫通穴に起因する漏れを防止する。1つの典型的な実施形態では、側部絶縁材(例えば、層210および/または260)とベースとの間の空洞は、ベース空洞102を単一の工程で絶縁材料902で満たすためにアクセスされる。1つの典型的な実施形態では、弾力のある絶縁層201は、絶縁材料902と同じ材料で作られ、柔軟な絶縁層260を形成した後に1つの充填工程で形成される。絶縁材料902を、システムの外側ハウジング300の側壁330の開口部334(例えば、ベースパン502の開口部334)を介して空洞102に供給することができる。

図3は、ベース空洞を注ぎ込み可能な絶縁材料で満たす方法の他の1つの典型的な実施形態を示す。充填管336の一端部は、ハウジング300の側壁330の開口部334を通ってハウジング300の外へ延びる。他方の端部は、ベース空洞102内でベース空洞102の頂部の近くに位置する。例えば、他方の端部は、ベース空洞102の中央部分の近くに(すなわち、中央プレナム150の下に)配置され得る。この実施形態では、例えばカソードレキュペレータ200とハウジング300との間のギャップを通してベース空洞102を絶縁材料902で満たすのを促進するために充填管336に真空を用いることができる。

他の1つの典型的な実施形態が図4に示されている。この実施形態では、ベース空洞102の中央部分が、微孔性ボード904などの固体絶縁材料で満たされる。ベース空洞102の残りの部分は、注ぎ込み可能な絶縁材料902で満たされる。

図5は、他の1つの典型的な実施形態を示す。この実施形態では、グロープラグ挿入および付随配線のための開口部を含む、外側ハウジング300を通る燃料流入もしくはオキシダント流入パイプもしくは導管、ブリッジング管900、および/または計装貫通などの配管の密封を助けるためにガスケット602およびフレーム604が設けられる。ガスケット602は、シリコンでコーティングされたガラス繊維などの任意の適切な材料で作られ得る。ガラス繊維は高温耐性を提供し、シリコンコーティングは絶縁材料902の微細な粒子がベース空洞102から外へ流出するのを防ぐ。いくつかの実施形態では、ガスケット602は、可撓性材料から作られ、SOFCシステムの動作中、外側ハウジング300の側壁330の膨張および収縮に適応して僅かに伸縮することができる。

ガスケット602を外側ハウジング300の側壁330(例えば、外側ハウジング300のベースパン502部分の側壁)に固定するためにフレーム604を設けることができる。例えば、フレーム604を側壁330にボルト止めする間に、フレーム604と側壁330との間にガスケット602を配置することができる。例えば、グロープラグもしくは加熱エレメントおよび付随する配線、(熱電対など)、パイプ、管などを含む計装は、1つまたは複数のガスケット602の開口部606を貫通する。

図6A〜図6Eは、本願明細書に開示された種々の実施形態に従うグロープラグ806のエレメントを示す。具体的には、図6Aおよび図6Bは密封エレメント800の側面図および平面図をそれぞれ示し、図6Cおよび図6Dはグロープラグ806の平面図および側面図をそれぞれ示し、図6Eは図6Dのグロープラグ806の拡大された1つの部分を示す。

図6Aおよび図6Bを参照すると、密封エレメント800は、シルクハット状、漏斗状などであり得る。密封エレメント800を、薄いシートメタルから形成することができる。例えば、密封エレメント800を、オーステナイト系ニッケル−クロム合金、ガラス、またはそれらの組み合わせから形成することができる。特に、密封エレメント800を、優れた高温酸化耐性を提供するために、インコネル合金から形成することができる。密封エレメント800は、実質的に平らな環の形状を有するベース804を有することができる。密封エレメント800は、ベース804から延びる管状カラー802をさらに有することができる。カラー802は、ベース804から直交方向に延びることができる。特に、密封エレメント800は、カラー802とベース804とが結合される個所で湾曲することができる。

カラー802の少なくとも一部分の内径を、カラーが加熱エレメント808とぴったり番うことができるように、図6C、図6D、および図6Eに示されている加熱エレメント808の外径と一致するように設定することができる。カラー802の内面と加熱エレメント808との間に追加の密封が望まれるならば、それらの間に密封材料の仕上げ厚さと一致する間隔、またはその間隔に密封材料が流入できるようにする間隔を設けることができる。密封エレメント800の利点は、その漏斗またはシルクハット形状寸法がろう付けまたはレーザー溶接などによって密封を改善できるようにすることである。

図6Cおよび図6Dを参照すると、グロープラグ806は加熱エレメント808と、加熱エレメント808がそこから延びるところのハウジング812とを含むことができる。加熱エレメント808をセラミック材料から形成することができる。ハウジング812を金属または合金から形成することができる。ハウジング812は反応室と番うように構成された第1の端部を有することができ、SOFCシステムの反応室(例えば、ホットボックスの内側)への加熱エレメント808の挿入を容易にする。特に、ハウジング812の一部分は、反応室の対応するねじ部分と番うねじ山を有することができる。ハウジング812は、加熱エレメント808への電気的接続を容易にするように構成された反対側の第2の端部をさらに有することができる。

図6Eに示されているように、密封エレメント800を、加熱エレメント808およびハウジング812に結合することができる。密封エレメント800、加熱エレメント808、およびハウジング812を、例えば活性化ろう合金(「ABA」)金ろう付け材料、レーザー溶接などを用いるろう付けによるなどの種々の方法により流体密シールを形成するように結合することができる。特に、密封エレメント800のカラー802の内面816を加熱エレメント808に付着させることができ、密封エレメント800のベース804の底面814をハウジング812に付着させることができる。ABA金ろう付け材料は、重量で96.4%の金、3.0%のニッケル、および0.6%のチタンを含むモルガンアドバンストマテリアル社により製造される金、ニッケル、およびチタンの高純度活性ろう合金であり得る。

代わりにあるいは加えて、ハウジング812内で、加熱エレメント808の周りに密封リング809を配置することができる。種々の実施形態において、これらの密封エレメントは、反応室内の加熱エレメント808の作業端部を孤立させるように作用することができる。

密封エレメント800は、熱膨張に起因する加熱エレメントのミクロ割れの形成を低減するために、加熱エレメント808のCTEと適合するように設定された熱膨張係数(CTE)を有することができる。例えば、密封エレメント800と加熱エレメント808とのCTE差は約10%未満(例えば、約0〜5%)であり得る。ここで、「CTE」は、一定圧力での温度の1度の変化あたりの寸法の分数変化を指す。体積CTE、面積CTE、および線CTEなどのいくつかのタイプのCTEを挙げることができる。適合するために、加熱エレメント808および密封エレメント800のそれぞれのCTEを、これらのエレメントが曝される動作温度範囲にわたって前述したようにぴったりと整合させることができる。例えば、縦軸に沿って半径方向における加熱エレメント808のCTEは、半径方向の膨張が、対応する半径方向における密封エレメント800のCTEに起因する密封エレメント800の膨張を超えないように、セットされるべきである。加熱エレメント808および密封エレメント800の線、面積、および体積の方面におけるそれぞれのCTEのうちの1つ以上も、前述したように整合させられるべきである。追加のあるいは代わりの実施形態では、密封エレメント800およびハウジング812の固定に起因して、ハウジング812などの追加のコンポーネントのCTEを考慮することができる。さらに、種々の実施形態において、ろう付け材料などのどんな密封材料のCTEをも考慮することができる。

種々の実施形態において、密封エレメント800は、ろう付けまたは溶接操作が行われるときに加熱エレメント808にかかる応力を低減するように、十分に薄い。在来のグロープラグでは、通例は銅から作られる固体金属リングが加熱エレメントとハウジングとの間にろう付けされ得る。対照的に、密封エレメント800を、加熱エレメント808にミクロ割れを生じさせずに熱サイクルの間に加熱エレメント808の直径または形状の変化に順応するように十分に柔軟な薄いシートメタルから形成することができる。密封エレメント800を、その特性を改善するために合金からさらに有利に形成することができる。例えば、密封エレメント800を、優れた高温酸化耐性を提供するためにインコネル合金などのオーステナイト系ニッケル−クロム合金から形成することができる。

密封エレメントのために銅の代わりにインコネル合金を利用することにより、密封エレメント800をろう付けするために融点がより高いろう付け材料を用いることができ、これによりコンポーネントの信頼性を高めることができる。さらに、銅と比べると、インコネルは優れた高温酸化耐性を有する。ろう付けサイクルの数を、例えば2から1へ、減らすことにより、典型的グロープラグのための組み立て工程をさらに改善することができる。

実施形態のグロープラグへの結線を作るときにさらなる難題が生じ得る。種々の実施形態において、ろう付けは、いくつかのまたは全てのろう付け接合部でABA金ろうを利用することができる。ろう付け接合部でABA金ろうを利用することにより、グロープラグの寿命を増大させることができる。在来のグロープラグアセンブリはAgCu28ろうを利用し、これはTi2ペーストを含む。高SOFCホットボックス動作温度において、セラミック加熱エレメントおよびリード線の腐食および/または故障をもたらすことがあるTi活性に起因して大きなコンポーネント故障率を経験することがある。AgCu28ろうおよび/またはTi2ペーストは、779℃以上の温度で反応し、時間が経過するとセラミック加熱エレメントの腐食をもたらす。対照的に、ABA金ろうはより高い温度に定格され、1,030℃より低い温度ではリフローしない。1,000℃以下の温度で流動しない他のろうを使用することもできる。

図7Aおよび図7Bは、それぞれランディングパッド1000の透視図および平面図である。図7Cおよび図7Dは、それぞれ、加熱エレメント808に取り付けられたランディングパッド1000の側面図および平面図である。図7A〜図7Dを参照すると、ランディングパッド1000をニッケルシリコン合金(Nisil)から形成することができる。典型的なNisil合金は、約4.4重量%シリコンなどの4〜5重量%のシリコンと、95〜96重量%ニッケルなどの少なくとも94重量%のニッケルとを含有する。

ランディングパッド1000は、カラー1002と、カラー1002から延びるリード結線1004とを有することができる。カラー1002は、加熱エレメント808を少なくとも部分的に囲むように半円形に形成され得る。ランディングパッド1000は、Nisilリード線1018と結合されることができる。特に、ABA金ろうを用いて、リード線1018はリード結線1004にろう付けされることができ、ランディングパッド1000のカラー1002は加熱エレメント808にろう付けされることができる。図7A〜図7Cには示されていないけれども、加熱エレメント808に第2ののリード線を取り付けることができる。

ランディングパッド1000および/またはABA金ろう付けは、例えば熱サイクルの間のミクロ割れ形成のリスクを軽減することにより、グロープラグの信頼性を高めるように作用することができる。在来のリード材料を利用する使用済みグロープラグのコイル状リード線領域の横断面がCTE不一致に起因してミクロ割れの形成および成長を示すことが観察されている。ランディングパッド1000およびリード線にNisilを用いることにより、熱膨張に起因して加熱エレメント808にかかる応力を軽減することができ、リード線をろう付けするために改善された金属表面を提供することができる。

在来のグロープラグリード線では、よく選択される材料は、銅、ニッケルメッキされた銅、およびニッケルである。しかし、高温では、これらの在来の材料は急速に酸化してグロープラグの故障をもたらす。対照的に、ランディングパッド1000およびリード線にNisilを利用することにより、高温動作および高温での例外的耐食性を提供することができる。さらに、Nisilは、ランディングパッド1000およびリード線に優れた導電率を提供する。なおさらに、Nisilランディングパッド1000は、加熱エレメント808の熱膨張に起因する応力を軽減することができるとともに、SOFCシステムの動作中のセラミック加熱エレメントの自然膨張および収縮に順応する柔軟な層を提供することができる。

代わりの実施形態では、Nisilリード線1018を加熱エレメント808に直接ろう付けすることができる。特に、ろう付けの前に加熱エレメント808との接触点でリード線1018を平らにして電気接触面積を大きくすることができる。

さらなる実施形態では、図7Eに示されているように、グロープラグ807は、ハウジング812から延びる加熱エレメント808を含むことができる。加熱エレメント808は、作業端部808aおよび反対側の電気結合端部808bを含むことができる。加熱エレメント808の作業端部808aは、SOFCの反応室に挿入されて反応室内で燃料と相互作用して燃焼を促進することができる。加熱エレメント808の電気結合端部808bを、本願明細書に記載されているように密封により反応室から隔離することができる。示されてはいないけれども、グロープラグ807は、密封エレメント800をさらに含むことができる。

加熱エレメント808の電気結合端部808bにリード線1112を結合させることができる。ハウジング812を密封するために、金属リングなどの密封リング1100が加熱エレメント808およびハウジング812の両方にろう付けされる。種々の実施形態において、リード線1112はNisilリード線とすることができ、これを、加熱エレメント808の電気結合端部808bの内側でABA金ろう付けにより結合させることができる。加熱エレメント808の電気結合端部808bは、リード線1112との結合のために凹所、中空コア、くぼみ、あるいは同様のフィーチャを備えることができる。

グロープラグは、加熱エレメント808の電気結合端部808bの外面に結合された第2のリード線1114を含む。例えば、リード線1114を、加熱エレメント808の電気結合端部808bの周りに巻くことができる。リード線1114を巻くことにより、加熱エレメント808の表面とリード線1114との間の追加の結合表面積を提供して結合の弾力性および完全性を高めることができる。このリード線1114の構成およびその結果としての結合は、さらに接続部に或る程度の応力軽減をもたらすことができ、それにより、温度サイクルが繰り返された後などの接続部の信頼性を高めることができる。リード線1114はNisilリード線とすることができ、これをABA金ろう付けにより加熱エレメント808の接続端部の近くの外面に結合させることができる。いくつかの実施形態では、ランディングパッド1000を用いてリード線1114を取り付けることができるし、あるいは、前述したように、取り付けの前にリード線1114の端部を平らにすることもできる。

図7Eに示されているように、ABA金ろうは、金属密封リング1100をグロープラグのセラミック加熱エレメント808に結合させるか、金属密封リングを燃料電池システムのハウジング812に結合させるか、中央リード線1112(例えば、Nisil合金ワイヤ)をセラミック加熱エレメント808の中空内側部分に結合させるか、および/または巻かれたリード線1114(例えば、Nisil合金ワイヤ)をセラミック加熱エレメント808の外側部分に結合させるかのうちの少なくとも1つの結合をする。

ABA金ろうを用いることの1つの利点は、初めにセラミックを金属化することを必要とせずにセラミック材料を金属に付着させ得ることである。ろう接合部でAgCu28+Ti2ペーストではなくてABA金ろうを利用することにより、約779℃より高い温度での加熱エレメント808の腐食を防止することができる。さらに、ABA金ろうは、グロープラグの組み立ての間に単一のろう材料を用いることを可能にする。さらに、ABA金ろうを用いれば、ろう付けサイクルの数を、例えば3から1へ、減らすことができる。

図8Aに示されているように、グロープラグ807を密封するために追加のまたは代わりのガラス密封リング1100を用いることができる。密封リング1100は、加熱エレメント808と協働して密封する内側密封部分1108を含むことができる。密封リング1100は、ハウジング812と協働して密封する外側密封部分1110をさらに含むことができる。密封リング1100を、グロープラグ807のための内部シールを提供するためにガラス材料から形成することができる。密封リング1100は、グロープラグ807がSOFCのケーシングに挿入される個所でホットボックスの内側から外部環境へ燃料または空気が漏れないことを保証することができる。

密封リング1100をガラス材料で形成することにより、独特の利点を提供することができる。例えば、SOFCおよびホットボックスの動作温度で、ハウジング812およびセラミック加熱エレメント808は、熱膨張に起因して膨張するかまたは「大きく」なり得る。対応する温度上昇に伴って、ガラス密封リング1100は、ガラス材料が少なくとも部分的に可塑化するのに十分な程度に軟化し得る。温度上昇およびグロープラグコンポーネントの対応する膨張に伴って軟化することにより、ガラス密封リング1100は、ハウジング812および加熱エレメント808に付着し続けながら、形状寸法の変化に従い、順応するかあるいは撓むことができる。ガラス材料は、Si−O分子結合網の密度に起因して一般的に不活性である。従って、密封リング1100は、ガラス材料から形成されるので、潜在的に故障の原因となり得るセラミック加熱エレメント808との化学反応を妨げることができる。前に論じられたように、在来のグロープラグは、密封のためにAgCu28およびTi2ペーストを用いる。約779℃より高い温度では、AgCu28およびTi2ペーストの中のチタンはセラミック加熱エレメントと反応してセラミック加熱エレメントを腐食し得る。

密封リング1100にガラス材料を利用することにより、従来のろう付けで可能であるより簡単なプロセスで流体密シールを達成することができる。さらに、ガラス材料は、金属表面およびセラミック表面の両方に有利に付着させられ得る。なおさらに、ガラス材料は動作温度が高まると軟化し、これにより熱サイクルの間、セラミック加熱エレメント808の中でのミクロ割れ形成のリスクを低下させる。従って、ガラスのCTEを加熱エレメント808のものと整合させることができる。

本願明細書に記載された種々の実施形態において、図8Bに示されているように、空気/燃料の流れ1106が存在し得る比較的に高温の反応ゾーン1104と比較的に低温の結合ゾーン1102との間にシールを提供することができる。

如上は具体的な好ましい実施形態に言及しているけれども、本発明はそのように限定されないことを理解すべきである。当業者であれば、開示された実施形態に対して種々の改変を成し得ることやそのような改変が本発明の範囲内にあるべく意図されていることに想到することができるはずである。ここで引用された刊行物、特許出願および特許の全ては、その全体が本願明細書において参照により援用されている。

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