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JP2010055951A - Seal material and electrochemical device using the same - Google Patents

Seal material and electrochemical device using the same Download PDF

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JP2010055951A
JP2010055951A JP2008220121A JP2008220121A JP2010055951A JP 2010055951 A JP2010055951 A JP 2010055951A JP 2008220121 A JP2008220121 A JP 2008220121A JP 2008220121 A JP2008220121 A JP 2008220121A JP 2010055951 A JP2010055951 A JP 2010055951A
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JP
Japan
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sealing material
electrolyte membrane
electrode
temperature
current collector
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Application number
JP2008220121A
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Japanese (ja)
Inventor
Kentaro Matsunaga
健太郎 松永
Masato Yoshino
正人 吉野
Tsuneji Kameda
常治 亀田
Seiji Fujiwara
斉二 藤原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】高温で気体を用いる機器において絶縁性を確保しつつ、気体を密封する性能を高める。
【解決手段】電解質膜11と、電解質膜11を挟むように設けられる酸素極12および水素極13とを備えた電気化学セルを、酸素極12および水素極13のそれぞれと連通するガス空間であるガス供給溝16,17を形成する集電板14,15で挟み込む。電解質膜11と集電板14,15との間に、ガス空間の中の気体の漏えいを防ぐシール材61を設ける。シール材61は、常温と使用温度との間で発泡する炭酸カルシウムなどの発泡物質と、ガラスなど使用温度で安定した溶融状態で存在する溶融物質と、発泡物質および溶融物質を常温で安定して保持するメチルセルロースなどのバインダーとを含有する。
【選択図】図1
In a device using a gas at a high temperature, the performance of sealing the gas is improved while ensuring insulation.
An electrochemical cell including an electrolyte membrane and an oxygen electrode and a hydrogen electrode provided so as to sandwich the electrolyte membrane is a gas space communicating with the oxygen electrode and the hydrogen electrode, respectively. The gas supply grooves 16 and 17 are sandwiched between current collector plates 14 and 15. A sealing material 61 is provided between the electrolyte membrane 11 and the current collector plates 14 and 15 to prevent gas leakage in the gas space. The sealing material 61 stably stabilizes the foamed material such as calcium carbonate that foams between normal temperature and the use temperature, the molten material that exists in a stable molten state at the use temperature, such as glass, and the foamed material and the molten material at normal temperature. And a binder such as methylcellulose to be retained.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、シール材およびそれを用いた電気化学装置に関する。   The present invention relates to a sealing material and an electrochemical device using the same.

固体電解質燃料電池(SOFC)は、酸素イオン導伝性を有する電解質膜を介して、還元剤(水素もしくは炭化水素など)と酸化剤(酸素など)を反応させ、そのエネルギーを電気として取り出す装置である。一方、高温水蒸気電解法は、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。固体電解質燃料電池の運転温度および高温水蒸気電解法の作動温度は、通常、600〜900℃前後である。   A solid electrolyte fuel cell (SOFC) is a device that reacts a reducing agent (such as hydrogen or hydrocarbon) with an oxidizing agent (such as oxygen) through an electrolyte membrane having oxygen ion conductivity and extracts the energy as electricity. is there. On the other hand, the high-temperature steam electrolysis method is a method of obtaining hydrogen and oxygen by electrolyzing high-temperature steam, and its operation principle is a reverse reaction of a solid electrolyte fuel cell. The operating temperature of the solid electrolyte fuel cell and the operating temperature of the high-temperature steam electrolysis method are usually around 600 to 900 ° C.

電池反応または電解反応を行う電気化学セルにおいては、酸化反応および還元反応を行う2種類の電極それぞれについて、電極反応に必要なガスが供給され、電極で生成したガスは排出される。このため、固体電解質燃料電池および高温水蒸気電解法を実用化するにあたっては、ガスの供給および排出を効率的に行う必要がある。したがって、電気化学セルの内側から外側、あるいは、外側から内側へのガスリークを防ぐシール構造を確立する必要がある。   In an electrochemical cell that performs a battery reaction or an electrolytic reaction, a gas necessary for the electrode reaction is supplied to each of two types of electrodes that perform an oxidation reaction and a reduction reaction, and a gas generated by the electrodes is discharged. For this reason, in putting a solid electrolyte fuel cell and a high-temperature steam electrolysis method into practical use, it is necessary to efficiently supply and discharge gas. Therefore, it is necessary to establish a seal structure that prevents gas leakage from the inside to the outside of the electrochemical cell or from the outside to the inside.

電気化学セルは、一般に多層のセラミックスを備えている。電気化学装置は、このような電気化学セルとともに、電気化学セルに気体を供給し、気体を排出する手段、電気を供給または取り出す手段を備えた装置である。電気化学セルと電気化学装置の筐体側の接続部との接合に際しては、膨張率の調整、シール性および接合強度の確保が求められる。   Electrochemical cells generally comprise multiple layers of ceramics. An electrochemical apparatus is an apparatus provided with a means for supplying gas to the electrochemical cell, discharging the gas, and means for supplying or taking out electricity together with such an electrochemical cell. When joining the electrochemical cell and the connection portion on the casing side of the electrochemical device, it is required to adjust the expansion coefficient, to ensure the sealing property and the joining strength.

特にシール性および接合強度を確保するためには、たとえば接合面に運転温度(たとえば800℃)以上で軟化・溶融する性質を有するガラス製パッキンを介在させて、溶融点以上に温めて溶かすことで両者を接合する方法がある。特許文献1には、円筒型セルの接合方法が開示されている。特許文献2には、ガラスを用いて平板型セルを接合する方法が開示されている。
特開2005−100868号公報 特開2007−287585号公報
In particular, in order to ensure sealing performance and bonding strength, for example, a glass packing having a property of softening and melting at an operating temperature (for example, 800 ° C.) or higher is interposed on the bonding surface, and the melting is performed by heating above the melting point. There is a method of joining the two. Patent Document 1 discloses a method for joining cylindrical cells. Patent Document 2 discloses a method of joining flat cells using glass.
Japanese Patent Laid-Open No. 2005-1000086 JP 2007-287585 A

燃料電池を作動させるためには、一方の電極へ酸化剤(たとえば空気)を、電解質を介した他方の電極へ還元剤(たとえば水素)の供給が必要である。また、高温水蒸気電解セルを作動させるためには、一方の電極から酸素が排出され、電解質を介した他方の電極から水素が排出される。電気化学セルの運用に際しては、これらの2種類のガスが、意図する電気化学反応を介することなくセル周辺部または互いに接する流路の隔壁から漏れ出して相互に混合・反応しないこと、および、各流路から装置外、大気中に漏れ出さないことが必要である。   In order to operate the fuel cell, it is necessary to supply an oxidizing agent (for example, air) to one electrode and a reducing agent (for example, hydrogen) to the other electrode via an electrolyte. In order to operate the high-temperature steam electrolysis cell, oxygen is discharged from one electrode, and hydrogen is discharged from the other electrode via the electrolyte. In operation of the electrochemical cell, these two kinds of gas should not leak and mix and react with each other without leaking from the peripheral part of the cell or the partition wall of the flow channel in contact with each other without going through the intended electrochemical reaction. It is necessary not to leak from the flow path to the outside of the device and into the atmosphere.

また、固体電解質を有する電気化学セルは、700〜1000℃の高温条件下で運転されるため、電気化学セル、シール部を含む電気化学装置の運転に際しては、常温から運転温度までの昇降温サイクルを経ることになる。電気化学セルは、触媒、電解質を含む複数のセラミック薄膜が積層されて形成されている。このような電気化学セルに接するガスシール構造は、必要最小限の圧力で電気化学セルと密着する必要がある。さらに、部材ごとの熱膨張率の差や構造に由来して温度変化に伴って発生する内部応力や、ゆるみの発生を吸収しつつ、良好なガスシール性を得ることが必要である。従来の発明では、ガラス質または金属製のシール材を例えばセル端面に接して設置し、上下から圧縮することで、ガスシール性を確保していた(特許文献1、2参照)。   In addition, since an electrochemical cell having a solid electrolyte is operated under a high temperature condition of 700 to 1000 ° C., when operating an electrochemical device including an electrochemical cell and a seal portion, a temperature increasing / decreasing cycle from normal temperature to an operating temperature is performed. It will go through. The electrochemical cell is formed by laminating a plurality of ceramic thin films including a catalyst and an electrolyte. Such a gas seal structure in contact with the electrochemical cell needs to be in close contact with the electrochemical cell with a minimum necessary pressure. Furthermore, it is necessary to obtain a good gas sealing property while absorbing internal stress generated due to a temperature change due to the difference in the thermal expansion coefficient and the structure of each member and the occurrence of looseness. In the conventional invention, a gas sealing property is ensured by installing a glassy or metal sealing material in contact with, for example, the cell end face and compressing from above and below (see Patent Documents 1 and 2).

しかし、特許文献1に記載された円筒セルに対するシール方法では、異種部材の熱膨張率差の吸収、セル支持の機械的強度およびガスシール性の確保の全てを、装置基体の接合部がセルと接するシール部のみに依存することとなり、安定性が問題となる。また金属製のシール材を用いる場合は、隣接するセルの電位を絶縁できず、電気化学装置の構造によっては、多層構造による電気化学セルの運転を適切に行えない場合がある。   However, in the sealing method for a cylindrical cell described in Patent Document 1, all of the absorption of the difference in thermal expansion coefficient between different members, the mechanical strength of the cell support, and the securing of the gas sealability are all achieved by the joint portion of the device base and the cell. It depends only on the seal part in contact with it, and stability becomes a problem. Moreover, when using a metal sealing material, the electric potential of an adjacent cell cannot be insulated, and depending on the structure of an electrochemical apparatus, the operation of an electrochemical cell having a multilayer structure may not be performed properly.

また、特許文献2に記載され他の平板セルに対するシール方法では、シール構造の維持がシール部材質であるガラスの粘性のみに大きく依存する。しかも、運転温度付近で当該ガラスの粘性は大きく変化するため、広い温度域および長期に亘ってのシール性の維持が難しい。また、シール面積に限りがある。これらのため、シール性能が不安定化するおそれがある。   Moreover, in the sealing method with respect to the other flat cell described in patent document 2, maintenance of a sealing structure is largely dependent only on the viscosity of the glass which is a sealing member quality. Moreover, since the viscosity of the glass largely changes near the operating temperature, it is difficult to maintain the sealing performance over a wide temperature range and for a long time. In addition, the seal area is limited. For these reasons, the sealing performance may become unstable.

そこで、本発明は、高温水蒸気電解または固体酸化物型燃料電池反応を行う電気化学セルなどのように、高温で気体を用いる機器において絶縁性を確保しつつ、気体を密封する性能を高めることを目的とする。   Therefore, the present invention improves the performance of gas sealing while ensuring insulation in devices that use gas at high temperatures, such as electrochemical cells that perform high-temperature steam electrolysis or solid oxide fuel cell reactions. Objective.

上述の目的を達成するため、本発明は、常温よりも高い使用温度で使用されて、水蒸気を電気分解して酸素および水素を生成する反応および酸素および水素を供給されて水蒸気を排出する電池反応のいずれかの反応を起こさせる電気化学装置において、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に取り付けられた酸素極と、前記電解質膜を挟んで前記酸素極に対して反対側の面に取り付けられた水素極と、を備えた電気化学セルと、前記酸素極および前記水素極の一方と連通するガス空間を形成する構造体と、常温と前記使用温度との間で発泡する発泡物質と、前記使用温度で安定した溶融状態で存在する溶融物質と、前記発泡物質および前記溶融物質を常温で安定して保持するバインダーとを含有し、前記電気化学セルと前記構造体との間に設けられて前記ガス空間の中の気体の漏えいを防ぐシール材と、を有することを特徴とする。   In order to achieve the above-mentioned object, the present invention uses a reaction that is used at a use temperature higher than normal temperature to electrolyze water vapor to generate oxygen and hydrogen, and a battery reaction that supplies oxygen and hydrogen to discharge water vapor. In an electrochemical device that causes any one of the following reactions: an electrolyte membrane; an oxygen electrode attached to one surface of the electrolyte membrane; and an attachment on a surface opposite to the oxygen electrode across the electrolyte membrane An electrochemical cell comprising: a hydrogen electrode; a structure that forms a gas space communicating with one of the oxygen electrode and the hydrogen electrode; and a foaming material that foams between normal temperature and the use temperature; A molten substance that exists in a stable molten state at the use temperature; and a binder that stably holds the foamed substance and the molten substance at room temperature, and is provided between the electrochemical cell and the structure. Is in and having a, a seal member for preventing leakage of gas in the gas space.

また、本発明は、常温よりも高い使用温度で使用される機器に用いられるシール材において、常温と前記使用温度との間で発泡する発泡物質と、前記使用温度で安定した溶融状態で存在する溶融物質と、前記発泡物質および前記溶融物質を常温で安定して保持するバインダーと、を含有することを特徴とする。   In addition, the present invention is a sealing material used in equipment used at a use temperature higher than normal temperature, and a foaming substance that foams between normal temperature and the use temperature, and exists in a stable molten state at the use temperature. It contains a molten material and a binder that stably holds the molten material and the molten material at room temperature.

本発明によれば、高温水蒸気電解または固体酸化物型燃料電池反応を行う電気化学セルなどのように、高温で気体を用いる機器において絶縁性を確保しつつ、気体を密封する性能を高めることができる。   According to the present invention, it is possible to improve the performance of sealing a gas while ensuring insulation in a device that uses a gas at a high temperature, such as an electrochemical cell that performs high-temperature steam electrolysis or a solid oxide fuel cell reaction. it can.

本発明に係る電気化学装置の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。   Embodiments of an electrochemical device according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or similar structure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

[第1の実施の形態]
図1は、本発明に係る電気化学装置の第1の実施の形態における縦断面図とともに示す電気化学装置のブロック図である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a block diagram of an electrochemical device shown together with a longitudinal sectional view in the first embodiment of the electrochemical device according to the present invention.

本実施の形態の電気化学装置は、電気化学セルと、集電板14,15と、シール材61とを有している。電気化学セルは、電解質膜11と、酸素極12と、水素極13と積層したものである。電解質膜11、酸素極12および水素極13は、たとえばいずれも正方形の平板状に形成されている。酸素極12は、支持基材である電解質膜11の一方の面に接して設けられている。水素極13は、電解質膜11を挟んで酸素極12に対して反対側の面に接して設けられている。酸素極12および水素極13は、いずれも電解質膜11よりも小さく、電解質膜11の外周にはこれらの電極で覆われていない部分がある。   The electrochemical device according to the present embodiment includes an electrochemical cell, current collector plates 14 and 15, and a sealing material 61. The electrochemical cell is formed by laminating an electrolyte membrane 11, an oxygen electrode 12, and a hydrogen electrode 13. The electrolyte membrane 11, the oxygen electrode 12 and the hydrogen electrode 13 are all formed in a square flat plate shape, for example. The oxygen electrode 12 is provided in contact with one surface of the electrolyte membrane 11 which is a support base material. The hydrogen electrode 13 is provided in contact with the surface opposite to the oxygen electrode 12 with the electrolyte membrane 11 interposed therebetween. The oxygen electrode 12 and the hydrogen electrode 13 are both smaller than the electrolyte membrane 11, and there are portions that are not covered with these electrodes on the outer periphery of the electrolyte membrane 11.

電解質膜11は、たとえばイットリア安定化ジルコニア(YSZ)など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11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。酸素極12は、たとえばランタン・ストロンチウム・マンガン系ペロブスカイト型酸化物(LSM)で形成される。水素極13は、たとえばニッケルとYSZのサーメットで多孔質体として形成される。   The electrolyte membrane 11 is formed by densely forming a solid oxide material having electronic insulating properties and oxygen ion conductivity, such as yttria stabilized zirconia (YSZ). Here, the dense state may be a dense density that allows gas leakage in the electrolyte membrane 11 to be substantially ignored. The oxygen electrode 12 is formed of, for example, a lanthanum / strontium / manganese perovskite oxide (LSM). The hydrogen electrode 13 is formed as a porous body with a cermet of nickel and YSZ, for example.

また、集電板14,15は、電気化学セルを酸素極12および水素極13の外側から挟むように配置されている。2つの集電板14,15は、それぞれ酸素極12および水素極13と電気的に接続されている。集電板14,15は、電極全面から均等に集電するため、板状に形成されている。2枚の集電板14,15との間には、外部負荷25が接続されている。   The current collecting plates 14 and 15 are arranged so as to sandwich the electrochemical cell from the outside of the oxygen electrode 12 and the hydrogen electrode 13. The two current collector plates 14 and 15 are electrically connected to the oxygen electrode 12 and the hydrogen electrode 13, respectively. The current collecting plates 14 and 15 are formed in a plate shape in order to collect current evenly from the entire surface of the electrode. An external load 25 is connected between the two current collector plates 14 and 15.

また、2枚の集電板14,15は、いずれも電解質膜11よりも大きい正方形に形成されている。2枚の集電板14,15は、それぞれの電極に反応ガスを供給するために、外部のガス供給手段(図示せず)に接続されたガス供給溝16,17が形成されている。酸素極12に接する集電板14に形成されたガス供給溝16は、たとえば水素極13に接する集電板15に形成されたガス供給溝17と直行する向きに延びている。酸素極12に接する集電板14に形成されたガス供給溝16には、酸素が供給される。水素極13に接する集電板15に形成されたガス供給溝17には、図1に点線の矢印71で示す方向に水素が供給される。つまり、これらのガス供給溝16,17は、それぞれ酸素極32または水素極33と連通するガス空間であり、2枚の集電板はこれらのガス空間を形成する構造体ということができる。   The two current collecting plates 14 and 15 are both formed in a square shape larger than the electrolyte membrane 11. The two current collecting plates 14 and 15 are formed with gas supply grooves 16 and 17 connected to external gas supply means (not shown) in order to supply reaction gas to the respective electrodes. The gas supply groove 16 formed in the current collector plate 14 in contact with the oxygen electrode 12 extends, for example, in a direction perpendicular to the gas supply groove 17 formed in the current collector plate 15 in contact with the hydrogen electrode 13. Oxygen is supplied to the gas supply groove 16 formed in the current collector plate 14 in contact with the oxygen electrode 12. Hydrogen is supplied to the gas supply groove 17 formed in the current collector plate 15 in contact with the hydrogen electrode 13 in the direction indicated by the dotted arrow 71 in FIG. That is, these gas supply grooves 16 and 17 are gas spaces communicating with the oxygen electrode 32 or the hydrogen electrode 33, respectively, and the two current collector plates can be said to be structures that form these gas spaces.

2枚の集電板14,15の積層方向の外側は2枚の絶縁シート18,19で挟み込まれていて、さらに外側は2枚のエンドプレート20,21で挟み込まれている。2枚のエンドプレート20,21の間には複数のボルト22が延びている。これらのボルト22およびそれらにねじ込まれたナット23によって、2枚のエンドプレート20,21は互いに近づく方向に締め付けられている。   The outer sides of the two current collecting plates 14 and 15 in the stacking direction are sandwiched between two insulating sheets 18 and 19, and the outer sides are sandwiched between two end plates 20 and 21. A plurality of bolts 22 extend between the two end plates 20 and 21. The two end plates 20 and 21 are tightened in a direction approaching each other by these bolts 22 and nuts 23 screwed into them.

酸素極12および水素極13の外側であって2枚の集電板14,15の間には、電解質膜11と接するようにシール材61が配置されている。絶縁シート18,19とシール材61は、同じ組成の材料を用いることができる。   A sealing material 61 is disposed outside the oxygen electrode 12 and the hydrogen electrode 13 and between the two current collector plates 14 and 15 so as to be in contact with the electrolyte membrane 11. The insulating sheets 18 and 19 and the sealing material 61 can use materials having the same composition.

シール材61のさらに外側の2枚の集電板14,15の間には枠24が設けられている。枠24は、金属またはセラミックスなどの剛体で形成される。金属製の枠24を用いる場合には、2枚の集電板14,15との間での絶縁を確保するために、2つの枠24を用いて、それらの枠24の間にもシール材61などの絶縁体を介在させる。   A frame 24 is provided between the two current collecting plates 14 and 15 on the outer side of the sealing material 61. The frame 24 is formed of a rigid body such as metal or ceramics. In the case of using a metal frame 24, in order to ensure insulation between the two current collector plates 14 and 15, two frames 24 are used, and a sealing material is also provided between these frames 24. An insulator such as 61 is interposed.

シール材61は、少なくとも発泡材料と、溶融材料と、バインダーとを含有する。ここで、発泡材料とは、常温と使用温度の間で発泡する材料である。溶融材料とは、使用温度で安定した溶融状態で存在する物質である。バインダーとは、これらの発泡材料および溶融材料と混合され、これらを常温で安定して保持する材料である。   The sealing material 61 contains at least a foam material, a molten material, and a binder. Here, the foam material is a material that foams between normal temperature and use temperature. A molten material is a substance that exists in a stable molten state at the use temperature. The binder is a material that is mixed with these foamed material and molten material and stably holds them at room temperature.

シール材61の発泡物質としては、たとえば炭酸カルシウム(CaCO)を用いることができる。炭酸カルシウムは、加熱により酸化カルシウム(CaO)と二酸化炭素(CO)に分解する。このため、気体の二酸化炭素を発生し、シール材61の中に気泡が生成される。また、発泡物質として、常温と使用温度の間の温度で熱処理を施すことにより、ガラス化する成分と、水蒸気あるいは二酸化炭素などにガス化する成分とを含有するセラミックスを用いることができる。このような発泡物質としては、パーライト、フライアッシュ、黒曜石が挙げられる。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。 For example, calcium carbonate (CaCO 3 ) can be used as the foaming material of the sealing material 61. Calcium carbonate is decomposed into calcium oxide (CaO) and carbon dioxide (CO 2 ) by heating. For this reason, gaseous carbon dioxide is generated, and bubbles are generated in the sealing material 61. As the foamed material, ceramics containing a component that vitrifies and a component that gasifies into water vapor, carbon dioxide, or the like by performing a heat treatment at a temperature between normal temperature and use temperature can be used. Such foamed materials include pearlite, fly ash, and obsidian. A material foamed by applying heat treatment to obsidian is known as a shirasu balloon.

シール材61中の発泡物質の含有量が少なすぎると、発泡に伴う体積膨張が小さくなり、電気分解セルの熱膨張に追随できない可能性がある。また、発泡物質の量が多すぎると、気泡が連結して気密性を確保できない可能性がある。そこで、発泡物質の含有量は、たとえば1〜20wt%、より好ましくは5〜10wt%とする。   If the content of the foaming substance in the sealing material 61 is too small, the volume expansion associated with foaming becomes small, and there is a possibility that the thermal expansion of the electrolysis cell cannot be followed. Moreover, when there is too much quantity of a foaming substance, a bubble may connect and airtightness may not be ensured. Therefore, the content of the foaming substance is, for example, 1 to 20 wt%, more preferably 5 to 10 wt%.

シール材61の溶融材料としては、粉状またはファイバー状に成型した珪酸ソーダ、硼珪酸ガラスなどの、ガラス転移温度が使用温度以下であるガラスを用いることができる。シール材61中の溶融材料の含有量は、たとえば30〜40wt%である。   As the melting material of the sealing material 61, glass having a glass transition temperature of not more than the use temperature, such as sodium silicate and borosilicate glass molded into a powder form or a fiber form, can be used. The content of the molten material in the sealing material 61 is, for example, 30 to 40 wt%.

シール材61のバインダーとしては、メチルセルロースなど一般的な有機バインダーを用いることができる。有機バインダーとしては、Cr、Sなど、電気化学セルへの被毒成分を含まないものを用いることが好ましい。シール材61中のバインダーの含有量は、たとえば10〜30wt%である。バインダーの含有量が少なすぎると成型できず、また、多すぎると昇温過程で分解した後も残留して好ましくない。イットリア安定化ジルコニア、アルミナなどのセラミックスを、さらに、シール材61に含有させてもよい。シール材61中のこのようなセラミックスの含有量は、たとえば20〜30wt%である。   As the binder of the sealing material 61, a general organic binder such as methyl cellulose can be used. As the organic binder, it is preferable to use an organic binder that does not contain a poisoning component for electrochemical cells, such as Cr and S. The binder content in the sealing material 61 is, for example, 10 to 30 wt%. If the content of the binder is too small, molding cannot be performed, and if the content is too large, it remains undesirably remaining after decomposition in the temperature raising process. Ceramics such as yttria-stabilized zirconia and alumina may be further contained in the sealing material 61. The content of such ceramics in the sealing material 61 is, for example, 20 to 30 wt%.

図2は、本実施の形態の電気化学装置の製造途中の状態を示す平面図である。   FIG. 2 is a plan view showing a state during the production of the electrochemical device of the present embodiment.

本実施の形態の電気化学装置を製造する際には、まず、これらの材料を混合して練った混練物を、カレンダーロールなどでシート状に整形する。図3に示すように、シート状に整形したシール材61を、酸素極32および水素極33のそれぞれの電極の周りを額縁状に囲う形に切り出して、電気化学セルの両面に貼り付ける。この際、シール材61には、ボルト22が貫通する貫通孔26を形成しておく。その後、シール材61を貼り付けた電気化学セルを、2枚の集電板14,15、絶縁シート18,19、および、エンドプレート20,21で順次挟み込み、ボルト22およびナット23で締め付ける。   When manufacturing the electrochemical device of the present embodiment, first, a kneaded material obtained by mixing and kneading these materials is shaped into a sheet shape with a calendar roll or the like. As shown in FIG. 3, the sealing material 61 shaped into a sheet shape is cut out in a shape surrounding the respective electrodes of the oxygen electrode 32 and the hydrogen electrode 33 in a frame shape and attached to both surfaces of the electrochemical cell. At this time, a through hole 26 through which the bolt 22 passes is formed in the sealing material 61. Thereafter, the electrochemical cell to which the sealing material 61 is attached is sequentially sandwiched between the two current collecting plates 14 and 15, the insulating sheets 18 and 19, and the end plates 20 and 21, and tightened with the bolts 22 and the nuts 23.

シート状の混練物の厚さは、たとえば0.1〜0.5mm、好ましくは0.3〜0.5mmである。また、ガスシール性を確保するためは、シール材61の幅は、1〜3cmとするのが好ましい。   The thickness of the sheet-like kneaded material is, for example, 0.1 to 0.5 mm, preferably 0.3 to 0.5 mm. Moreover, in order to ensure gas-sealing property, it is preferable that the width | variety of the sealing material 61 shall be 1-3 cm.

外部のガス供給手段から、酸素極12と連通するガス供給溝16に酸素を供給し、水素極13と連通するガス供給溝17に水素を供給することにより電気化学セルは発電し、集電板14,15から電力が取り出されて、外部負荷25で消費される。なお、外部負荷25の代わりに外部電源を接続し、水素極13に水蒸気を供給することによって、水蒸気を電気分解する反応を起こさせることもできる。   By supplying oxygen from an external gas supply means to a gas supply groove 16 communicating with the oxygen electrode 12 and supplying hydrogen to a gas supply groove 17 communicating with the hydrogen electrode 13, the electrochemical cell generates electricity, and a current collector plate Electric power is taken out from 14 and 15 and consumed by the external load 25. In addition, a reaction for electrolyzing water vapor can be caused by connecting an external power source instead of the external load 25 and supplying water vapor to the hydrogen electrode 13.

このような電気化学装置では、最初の運転時などに昇温すると、シール材61に含有される発泡性物質から気体が発生し、シール材61の内部に気泡が生成される。この際、シール材61中のバインダーは分解して消滅する。このため、昇温によって集電板14,15などの他の構成部品が膨張したとしても、その膨張に応じてシール材61は膨張し、シール性を維持することができる。また、シール材61に含有されるガラスなどの溶融物質は、昇温の過程で溶融し、かつ、使用温度では安定した溶融状態で存在する。このため、シール材61は、他の構成物品の熱膨張などの変形に追従して変形し、シール性を維持することができる。   In such an electrochemical device, when the temperature is raised during the first operation or the like, a gas is generated from the foaming substance contained in the sealing material 61, and bubbles are generated inside the sealing material 61. At this time, the binder in the sealing material 61 is decomposed and disappears. For this reason, even if other components such as the current collector plates 14 and 15 expand due to the temperature rise, the sealing material 61 expands according to the expansion, and the sealing performance can be maintained. In addition, a molten material such as glass contained in the sealing material 61 is melted in the process of increasing the temperature and exists in a stable molten state at the use temperature. For this reason, the sealing material 61 can be deformed following deformation such as thermal expansion of other constituent articles, and the sealing performance can be maintained.

このように、本実施の形態の電気化学装置は、室温から運転温度である800ないし900℃程度まで昇温する間に、ガスリークを抑制する絶縁性シール構造を得ることとなる。また、この絶縁性シール構造は、たとえばシート状に成形したシール材61を必要な場所に配置しておくことで得られるため、構造が単純で、かつ、電気化学セルを傷めることもない。この結果、電気化学装置を高効率で運転することができる。   As described above, the electrochemical device according to the present embodiment obtains an insulating seal structure that suppresses gas leakage while the temperature is raised from room temperature to about 800 to 900 ° C. that is the operating temperature. Further, this insulating seal structure can be obtained, for example, by arranging the sealing material 61 formed in a sheet shape at a necessary place, so that the structure is simple and the electrochemical cell is not damaged. As a result, the electrochemical device can be operated with high efficiency.

さらに、シール材61に含有させる溶融物質としてガラスを用いた場合には、最初の運転時などの昇温過程およびその後の降温過程で集電板14,15および電解質膜11などと融着する。このため、適切な接合強度を確保することができる。また、本実施の形態では、剛体の枠24を設けているため、高温時にシール材61が電気化学装置の外周に溶けて流れ落ちるのを防ぎ、更に長期に亘ってガスシール性を保つことができる。なお、発泡性物質から発生した気体を気泡として閉じ込めておくために、シール材61の使用温度における流動性が大きくなりすぎないように、溶融物質などの組成を選択する必要がある。   Further, when glass is used as the molten material to be contained in the sealing material 61, it is fused to the current collector plates 14 and 15 and the electrolyte membrane 11 in the temperature rising process such as the first operation and the subsequent temperature falling process. For this reason, appropriate joint strength is securable. Further, in the present embodiment, since the rigid frame 24 is provided, it is possible to prevent the sealing material 61 from melting and flowing down to the outer periphery of the electrochemical device at a high temperature, and to maintain gas sealing performance for a long period of time. . In addition, in order to confine the gas generated from the foamable substance as bubbles, it is necessary to select a composition such as a molten substance so that the fluidity of the sealant 61 at the use temperature does not become too large.

[第2の実施の形態]
図3は、本発明に係る電気化学装置の第2の実施の形態における縦断面図とともに示す電気化学装置のブロック図である。
[Second Embodiment]
FIG. 3 is a block diagram of the electrochemical device shown together with a longitudinal sectional view in the second embodiment of the electrochemical device according to the present invention.

本実施の形態の電気化学装置は、筐体38と、電気化学セル30と、シール材61とを有している。筐体38には、開口部81が形成されている。   The electrochemical device according to the present embodiment includes a housing 38, an electrochemical cell 30, and a sealing material 61. An opening 81 is formed in the housing 38.

電気化学セル30は、電解質膜31と、酸素極32と、水素極33とを備えている。水素極33は、一方の端部が閉じた円筒状に形成されている。電解質膜31は、支持基材である水素極33の外面を被覆するように水素極33に固着されている。酸素極32は、水素極33および電解質膜31で形成された円柱の円周方向に帯状に延びるように形成されて電解質膜31に固着されている。   The electrochemical cell 30 includes an electrolyte membrane 31, an oxygen electrode 32, and a hydrogen electrode 33. The hydrogen electrode 33 is formed in a cylindrical shape with one end closed. The electrolyte membrane 31 is fixed to the hydrogen electrode 33 so as to cover the outer surface of the hydrogen electrode 33 which is a supporting base material. The oxygen electrode 32 is formed so as to extend in a band shape in the circumferential direction of a cylinder formed by the hydrogen electrode 33 and the electrolyte membrane 31, and is fixed to the electrolyte membrane 31.

酸素極32の電解質膜31に対して反対側の面には、酸素極32と電気的に接続された集電板51が形成されている。集電板51は、導電性およびガス透過性を有する。また、電解質膜31の一部には、水素極33まで貫通した貫通部が設けられていて、その部分には、水素極33と電気的に接続された集電部52が形成されている。集電部52は、導電性および気密性を有する。電解質膜31と集電部52は、全体で気密性を有している。酸素極32に接続された集電板51と水素極33に接続された集電部52との間には、直流電源39が設けられる。   A current collecting plate 51 electrically connected to the oxygen electrode 32 is formed on the surface of the oxygen electrode 32 opposite to the electrolyte membrane 31. The current collector plate 51 has conductivity and gas permeability. A part of the electrolyte membrane 31 is provided with a penetrating part that penetrates to the hydrogen electrode 33, and a current collecting part 52 that is electrically connected to the hydrogen electrode 33 is formed in that part. The current collector 52 has conductivity and airtightness. The electrolyte membrane 31 and the current collector 52 have airtightness as a whole. A DC power supply 39 is provided between the current collector plate 51 connected to the oxygen electrode 32 and the current collector 52 connected to the hydrogen electrode 33.

また、電気化学セル30は、水素極33の閉じていない方の端部に設けられた支持体37を有している。支持体37は、リング状の絶縁接着層36を介して水素極33および電解質膜31に固定されている。支持体37は、絶縁接着層36と接する部分から水素極33とほぼ同じ径で円筒状に延びる部分と、その円筒状の部分の一方の端部で円筒から外側に広がる部分とを有している。支持体37は、水素極33とほぼ同じ熱膨張率を有する金属またはセラミックスで形成されることが好ましい。絶縁接着層36には、珪酸ソーダ、硼珪酸ガラスなどのガラスを、電気化学セルの運転温度(800〜900℃)においても溶解しないよう調整したものを用いる。   The electrochemical cell 30 has a support 37 provided at the end of the hydrogen electrode 33 that is not closed. The support 37 is fixed to the hydrogen electrode 33 and the electrolyte membrane 31 via a ring-shaped insulating adhesive layer 36. The support 37 has a portion extending in a cylindrical shape with a diameter substantially the same as that of the hydrogen electrode 33 from a portion in contact with the insulating adhesive layer 36, and a portion extending outward from the cylinder at one end of the cylindrical portion. Yes. The support 37 is preferably formed of a metal or ceramic having substantially the same thermal expansion coefficient as that of the hydrogen electrode 33. The insulating adhesive layer 36 is made of a glass such as sodium silicate or borosilicate glass that is adjusted so as not to melt even at the operating temperature (800 to 900 ° C.) of the electrochemical cell.

電気化学セル30は、円筒部分が開口部81と連通するように筐体38に固定されている。つまり、筐体38の内部は水素極33と連通するガス空間であり、筐体38の外部は酸素極32と連通するガス空間である。筐体38は、これらのガス空間を形成する構造体ということができる。シール材61は、リング状に形成され、支持体37と筐体38との間に介在している。   The electrochemical cell 30 is fixed to the housing 38 so that the cylindrical portion communicates with the opening 81. That is, the inside of the housing 38 is a gas space that communicates with the hydrogen electrode 33, and the outside of the housing 38 is a gas space that communicates with the oxygen electrode 32. The housing 38 can be said to be a structure that forms these gas spaces. The sealing material 61 is formed in a ring shape and is interposed between the support 37 and the housing 38.

電気化学セル30、シール材61および筐体38は、支持体37の円筒から外側に広がる部分と筐体38とを貫通するボルト22、および、このボルト22にねじ込まれたナット23とによって、締め付けられている。支持体37と筐体38との接着面は平滑とする。ボルト22は、開口部81の周囲に、たとえば同じ間隔で4ないし8本程度を設ける。シール材61は、第1の実施の形態と同様の組成のものを用いる。   The electrochemical cell 30, the sealing material 61, and the housing 38 are tightened by a bolt 22 that penetrates a portion of the support 37 that extends outward from the cylinder and the housing 38, and a nut 23 that is screwed into the bolt 22. It has been. The bonding surface between the support 37 and the housing 38 is smooth. For example, about 4 to 8 bolts 22 are provided around the opening 81 at the same interval. The sealing material 61 has the same composition as in the first embodiment.

支持体37および筐体38には、シール性をより高めるために、互いに向かい合う位置にエッジ29が形成されていてもよい。ボルト22の本数は、作業性を損なわない範囲でできるだけ多く用いた方がよい。   Edges 29 may be formed on the support 37 and the casing 38 at positions facing each other in order to further improve the sealing performance. It is better to use as many bolts 22 as possible as long as workability is not impaired.

筐体38の内部からたとえば電気化学セル30と同軸に延びる水蒸気導入管40を通って図3の点線の矢印73の方向に水蒸気が供給され、直流電源39によって酸素極32と水素極33の間に電圧が印加されると、水蒸気の電気分解反応が生じる。この電気分解反応によって生じた酸素は、酸素極から排出される。この電気分解反応によって生じた水素は、水素極33から排出され、図3の一点鎖線の矢印74の方向に流れていく。電解質膜31および集電部52は全体で気密性を有していて、シール材61が筐体38の内部および外部のガス空間からの気体の漏えいを防ぐため、電気化学セル30の内外雰囲気は、セルの近傍で混合しない。   Water vapor is supplied from the inside of the housing 38 through, for example, a water vapor introduction pipe 40 extending coaxially with the electrochemical cell 30 in the direction of the dotted arrow 73 in FIG. 3, and between the oxygen electrode 32 and the hydrogen electrode 33 by a DC power supply 39. When a voltage is applied to the water vapor, an electrolysis reaction of water vapor occurs. Oxygen generated by this electrolysis reaction is exhausted from the oxygen electrode. Hydrogen generated by this electrolysis reaction is discharged from the hydrogen electrode 33 and flows in the direction of the dashed line arrow 74 in FIG. The electrolyte membrane 31 and the current collector 52 are airtight as a whole, and the sealing material 61 prevents gas leakage from the gas space inside and outside the housing 38. Therefore, the atmosphere inside and outside the electrochemical cell 30 is Do not mix in the vicinity of the cell.

このような電気化学装置では、最初の運転時などに昇温すると、シール材61に含有される発泡性物質から気体が発生し、シール材61の内部に気泡が生成される。また、シール材61に含有されるガラスなどの溶融物質は、昇温の過程で溶融し、かつ、使用温度では安定した溶融状態で存在する。このため、第1の実施の形態と同様に、電気化学セル30を傷めることなく、絶縁性シール構造を得ることができる。   In such an electrochemical device, when the temperature is raised during the first operation or the like, a gas is generated from the foaming substance contained in the sealing material 61, and bubbles are generated inside the sealing material 61. In addition, a molten material such as glass contained in the sealing material 61 is melted in the process of increasing the temperature and exists in a stable molten state at the use temperature. For this reason, as in the first embodiment, an insulating seal structure can be obtained without damaging the electrochemical cell 30.

[他の実施の形態]
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。たとえば、第1の実施の形態の電気化学装置を電気分解に用いることができる。あるいは、第2の実施の形態の電気化学装置を、燃料電池として用いることができる。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。
[Other embodiments]
The above-described embodiments are merely examples, and the present invention is not limited to these. For example, the electrochemical device of the first embodiment can be used for electrolysis. Alternatively, the electrochemical device of the second embodiment can be used as a fuel cell. Moreover, it can also implement combining the characteristic of each embodiment.

本発明に係る電気化学装置の第1の実施の形態における縦断面図とともに示す電気化学装置のブロック図である。It is a block diagram of the electrochemical apparatus shown with the longitudinal cross-sectional view in 1st Embodiment of the electrochemical apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る電気化学装置の第1の実施の形態における製造途中の状態を示す平面図である。It is a top view which shows the state in the middle of manufacture in 1st Embodiment of the electrochemical apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る電気化学装置の第2の実施の形態における縦断面図とともに示す電気化学装置のブロック図である。It is a block diagram of the electrochemical apparatus shown with the longitudinal cross-sectional view in 2nd Embodiment of the electrochemical apparatus which concerns on this invention.

符号の説明Explanation of symbols

11…電解質膜、12…酸素極、13…水素極、14…集電板、15…集電板、16…ガス供給溝、17…ガス供給溝、18…絶縁シート、19…絶縁シート、20…エンドプレート、21…エンドプレート、22…ボルト、23…ナット、24…枠、25…外部負荷、29…エッジ、30…電気化学セル、31…電解質膜、32…酸素極、33…水素極、36…絶縁接着層、37…支持体、38…筐体、39…直流電源、40…水蒸気導入管、51…集電板、52…集電部、61…シール材、81…開口部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Electrolyte membrane, 12 ... Oxygen electrode, 13 ... Hydrogen electrode, 14 ... Current collecting plate, 15 ... Current collecting plate, 16 ... Gas supply groove, 17 ... Gas supply groove, 18 ... Insulating sheet, 19 ... Insulating sheet, 20 End plate, 21 End plate, 22 Bolt, 23 Nuts, 24 Frame, 25 External load, 29 Edge, 30 Electrochemical cell, 31 Electrolyte membrane, 32 Oxygen electrode, 33 Hydrogen electrode 36 ... Insulating adhesive layer, 37 ... Support, 38 ... Housing, 39 ... DC power supply, 40 ... Water vapor inlet tube, 51 ... Current collector plate, 52 ... Current collector, 61 ... Sealing material, 81 ... Opening

Claims (12)

常温よりも高い使用温度で使用されて、水蒸気を電気分解して酸素および水素を生成する反応および酸素および水素を供給されて水蒸気を排出する電池反応のいずれかの反応を起こさせる電気化学装置において、
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に取り付けられた酸素極と、前記電解質膜を挟んで前記酸素極に対して反対側の面に取り付けられた水素極と、を備えた電気化学セルと、
前記酸素極および前記水素極の一方と連通するガス空間を形成する構造体と、
常温と前記使用温度との間で発泡する発泡物質と、前記使用温度で安定した溶融状態で存在する溶融物質と、前記発泡物質および前記溶融物質を常温で安定して保持するバインダーとを含有し、前記電気化学セルと前記構造体との間に設けられて前記ガス空間の中の気体の漏えいを防ぐシール材と、
を有することを特徴とする電気化学装置。
In an electrochemical device that is used at a use temperature higher than normal temperature and causes either a reaction of electrolyzing water vapor to generate oxygen and hydrogen or a battery reaction of supplying oxygen and hydrogen to discharge water vapor ,
An electrochemical cell comprising: an electrolyte membrane; an oxygen electrode attached to one surface of the electrolyte membrane; and a hydrogen electrode attached to a surface opposite to the oxygen electrode across the electrolyte membrane; ,
A structure forming a gas space communicating with one of the oxygen electrode and the hydrogen electrode;
A foaming substance that foams between room temperature and the use temperature, a melted substance that exists in a stable molten state at the use temperature, and a binder that stably holds the foaming substance and the melted substance at room temperature. A sealing material provided between the electrochemical cell and the structure to prevent gas leakage in the gas space;
An electrochemical device comprising:
前記電解質膜は平板状に形成され、
前記酸素極および前記水素極はいずれも前記電解質膜よりも小さな平板状に形成され、
前記構造体は、前記酸素極の前記電解質膜に面する側とは反対側に形成されかつ前記酸素極よりも大きな第1の集電板と、前記水素極の前記電解質膜に面する側とは反対側に形成されかつ前記水素極よりも大きな第2の集電板と、を含み、前記第1の集電板の前記酸素極に面する側に溝が形成され、前記第2の集電板の前記水素極に面する側に溝が形成され、
前記シール材は、前記第1の集電板と前記電解質膜との間、および、前記第2の集電板と前記電解質膜との間に充填されていることを特徴とする請求項1に記載の電気化学装置。
The electrolyte membrane is formed in a flat plate shape,
Both the oxygen electrode and the hydrogen electrode are formed in a flat plate shape smaller than the electrolyte membrane,
The structure includes a first current collector plate formed on the opposite side of the oxygen electrode from the side facing the electrolyte membrane and larger than the oxygen electrode, and a side of the hydrogen electrode facing the electrolyte membrane; And a second current collector plate formed on the opposite side and larger than the hydrogen electrode, and a groove is formed on the side of the first current collector plate facing the oxygen electrode, and the second current collector plate is formed. A groove is formed on the side of the electrode plate facing the hydrogen electrode,
The sealing material is filled between the first current collector plate and the electrolyte membrane, and between the second current collector plate and the electrolyte membrane. The described electrochemical apparatus.
前記構造体は、開口部が形成された筐体であり、
前記電気化学セルは、前記開口部を覆うように形成されて、前記開口部の縁で前記筐体と係合し、
前記シール材は、前記開口部を囲むように形成されていることを特徴とする請求項1に記載の電気化学装置。
The structure is a housing in which an opening is formed,
The electrochemical cell is formed so as to cover the opening, and engages with the casing at an edge of the opening,
The electrochemical device according to claim 1, wherein the sealing material is formed so as to surround the opening.
前記筐体および前記電気化学セルは、相対する位置に前記シール材に食い込むエッジが形成されていることを特徴とする請求項3に記載の電気化学装置。   The electrochemical device according to claim 3, wherein the casing and the electrochemical cell are formed with edges that bite into the sealing material at opposing positions. 常温よりも高い使用温度で使用される機器に用いられるシール材において、
常温と前記使用温度との間で発泡する発泡物質と、
前記使用温度で安定した溶融状態で存在する溶融物質と、
前記発泡物質および前記溶融物質を常温で安定して保持するバインダーと、
を含有することを特徴とするシール材。
In sealing materials used in equipment used at higher operating temperatures than room temperature,
A foaming material that foams between room temperature and the use temperature;
A molten material present in a stable molten state at the use temperature;
A binder that stably holds the foamed material and the molten material at room temperature;
The sealing material characterized by containing.
前記溶融物質は、ガラス転移温度が前記使用温度以下のガラスであることを特徴とする請求項5に記載のシール材。   The sealing material according to claim 5, wherein the molten material is glass having a glass transition temperature equal to or lower than the use temperature. 前記発泡物質は、炭酸カルシウム、並びに、加熱されるとガラス化する成分およびガス化する成分を含有するセラミックスから選択される1以上の物質であることを特徴とする請求項5または請求項6に記載のシール材。   The foaming material is one or more materials selected from ceramics containing calcium carbonate and a component that vitrifies when heated and a component that gasifies when heated. The sealing material described. 前記発泡物質の含有量は、発泡によって生じる気泡が表裏を連絡させるように連結する割合よりも小さいことを特徴とする請求項5ないし請求項7のいずれか1項に記載のシール材。   The sealing material according to any one of claims 5 to 7, wherein the content of the foaming substance is smaller than a ratio in which bubbles generated by foaming are connected so as to communicate the front and back. 前記バインダーは常温から前記使用温度の間で分解するものであって、その含有量は成型可能な量以上かつ分解によって消滅する量以下であることを特徴とする請求項5ないし請求項8のいずれか1項に記載のシール材。   9. The binder according to claim 5, wherein the binder is decomposed between normal temperature and the use temperature, and the content thereof is not less than a moldable amount and not more than an amount disappeared by decomposition. 2. The sealing material according to item 1. 前記機器とほぼ同じ熱膨張率を有する絶縁物質をさらに含有することを特徴とする請求項5ないし請求項9のいずれか1項に記載のシール材。   The sealing material according to any one of claims 5 to 9, further comprising an insulating material having substantially the same thermal expansion coefficient as the device. 前記発泡物質の含有量は1重量%以上20重量%以下であって、前記溶融物質の含有量は30重量%以上40重量%以下であって、前記絶縁物質の含有量は20重量%以上30重量%以下であって、前記バインダーの含有量は10重量%以上30重量%以下であることを特徴とする請求項5ないし請求項10のいずれか1項に記載のシール材。   The foaming material content is 1% by weight to 20% by weight, the molten material content is 30% by weight to 40% by weight, and the insulating material content is 20% by weight to 30%. 11. The sealing material according to claim 5, wherein the content of the binder is 10% by weight or more and 30% by weight or less. シート状に成形されていることを特徴とする請求項5ないし請求項11のいずれか1項に記載のシール材。   The sealing material according to claim 5, wherein the sealing material is formed into a sheet shape.
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