JP2006188372A - Manufacturing method of ceramic powder - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、セラミックス粉末の製造方法に関し、詳しくは、さらに、セラミックス粉末、固体酸化物形燃料電池の電極用材料、固体酸化物形燃料電池及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a ceramic powder, and more particularly, to a ceramic powder, a material for an electrode of a solid oxide fuel cell, a solid oxide fuel cell, and a method for producing the same.
固体酸化物形燃料電池の燃料極材料として用いられるセラミックス粉末としては、Ni−Sm添加セリア(以下,単にSDCという。)などのサーメットが挙げられる。固体酸化物形燃料電池の燃料極においては、金属酸化物イオンによるイオン導電パス、Niを主体とする電子伝導パス及び燃料パスの3種の界面(三相界面)において電極反応が起こるとされている。したがって、電極性能を向上させるには、燃料極における金属Niの凝集を防止するとともに、燃料極における三相界面を増大させることが求められている。 Examples of the ceramic powder used as the fuel electrode material of the solid oxide fuel cell include cermets such as Ni-Sm-added ceria (hereinafter simply referred to as SDC). In a fuel electrode of a solid oxide fuel cell, an electrode reaction occurs at three interfaces (three-phase interface) of an ion conduction path by metal oxide ions, an electron conduction path mainly composed of Ni, and a fuel path. Yes. Therefore, in order to improve the electrode performance, it is required to prevent aggregation of metallic Ni in the fuel electrode and increase the three-phase interface in the fuel electrode.
こうした背景のもと、燃料極材料として、NiOをコアとしSDCをシェルとしたカプセル型複合粒子を含むセラミックス粉末を燃料極材料として用いることが提案されている(特許文献1)。
しかしながら、こうしたカプセル型複合粒子は、金属Niの凝集防止には有効ではあるが、三相界面を増大しようとする点においては必ずしも有効ではなかった。また、こうしたカプセル型複合粒子において、NiOからNiを還元析出させる際、Niを複合粒子表面に露出させる必要があるが、そのような析出制御は困難であった。 However, such capsule-type composite particles are effective in preventing aggregation of metallic Ni, but are not necessarily effective in terms of increasing the three-phase interface. Further, in such capsule-type composite particles, when Ni is deposited by reduction from NiO, it is necessary to expose Ni on the surface of the composite particles, but such precipitation control is difficult.
さらに、セラミックス粉末粒子を合成するには、金属の塩類溶液を液滴化し熱分解する噴霧熱分解法が有効であるが、合成セラミックス粒子内における金属酸化物相又は粒子の存在形態を高度に制御するのは困難であった。特に、2種以上の金属酸化物を含む複合型粒子における構造制御は容易ではなく、熱分解により生成する金属酸化物の焼結性に依存して粒子構造が決定される傾向があり、2種以上の金属酸化物の相を粒子内に分散して備える分散型粒子を得ることは予想外に困難であることがわかった。 Furthermore, spray pyrolysis, in which metal salt solution is converted into droplets and pyrolyzed, is effective for synthesizing ceramic powder particles, but the presence of metal oxide phase or particles in the synthetic ceramic particles is highly controlled. It was difficult to do. In particular, the structure control in composite particles containing two or more kinds of metal oxides is not easy, and the particle structure tends to be determined depending on the sinterability of the metal oxides generated by thermal decomposition. It was unexpectedly difficult to obtain dispersed particles having the above metal oxide phase dispersed in the particles.
そこで、本発明は、分散型の粒子構造を有するセラミックス粉末及びその製造方法を提供することを一つの目的とする。また、本発明は、均質又は分散型の粒子構造を有する固体酸化物形燃料電池の電極用材料、固体酸化物形燃料電池及びその製造方法を提供することを他の一つの目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a ceramic powder having a dispersed particle structure and a method for producing the same. Another object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell electrode material having a homogeneous or dispersed particle structure, a solid oxide fuel cell, and a method for producing the same.
本発明者らは、上記した課題に鑑み、噴霧熱分解法における粒子構造制御についてさらに検討をした結果、原料液における金属カチオンをキレート可能なキレート剤を添加することにより、粒子構造を制御できることを見出し、さらに、キレート剤によるキレートの程度又はキレート剤の重合程度を調整することにより、粒子形態制御が可能であることを見出し、本発明を完成した。すなわち、本発明によれば、以下の手段が提供される。 In view of the problems described above, the present inventors have further studied particle structure control in the spray pyrolysis method, and as a result, it is possible to control the particle structure by adding a chelating agent capable of chelating metal cations in the raw material liquid. The inventors have found that the particle morphology can be controlled by adjusting the degree of chelation by the chelating agent or the degree of polymerization of the chelating agent, thereby completing the present invention. That is, according to the present invention, the following means are provided.
本発明の第1の形態によれば、1種又は2種以上の金属酸化物を含有するセラミックス粉末の製造方法であって、前記金属酸化物を構成する金属の塩である金属塩類と前記金属のカチオンをキレート可能な電子供与性基と重合性官能基とを有するキレート剤とを含有する原料液を調製する原料液調製工程と、液滴化した前記原料液を加熱してセラミックスを合成する合成工程と、を備える、製造方法が提供される。 According to the first aspect of the present invention, there is provided a method for producing a ceramic powder containing one or more metal oxides, wherein the metal salt is a metal salt constituting the metal oxide and the metal. A raw material liquid preparation step for preparing a raw material liquid containing a chelating agent having an electron donating group and a polymerizable functional group capable of chelating a cation of the cation, and the ceramic material is synthesized by heating the raw material liquid formed into droplets And a synthesis step.
この形態においては、前記キレート剤は、エチレングリコール、プロピレングリコール、トリメチレングリコール、1,4−ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、エチレングリコールのオリゴマーからなる群から選択される1種又は2種以上とすることができる。なかでも、前記キレート剤は、エチレングリコールとすることが好ましい。さらに、これらの形態において、前記原料液において、前記キレート剤は前記金属カチオンに対するモル比で0.2以上10以下含有されることが好ましい。 In this embodiment, the chelating agent is selected from the group consisting of ethylene glycol, propylene glycol, trimethylene glycol, 1,4-butanediol, 1,5-pentanediol, 1,6-hexanediol, and ethylene glycol oligomers. It can be 1 type or 2 types or more. Of these, the chelating agent is preferably ethylene glycol. Furthermore, in these forms, in the raw material liquid, the chelating agent is preferably contained in a molar ratio with respect to the metal cation of 0.2 or more and 10 or less.
また、この形態においては、前記合成工程に先立って、前記原料液中の前記キレート剤の少なくとも一部を重合させる重合工程を備えることができる。この重合工程は、前記原料液を70℃以上130℃以下の温度で加熱する工程を含むことができる。 Further, in this embodiment, a polymerization step of polymerizing at least a part of the chelating agent in the raw material liquid can be provided prior to the synthesis step. This polymerization step may include a step of heating the raw material liquid at a temperature of 70 ° C. or higher and 130 ° C. or lower.
さらに、この形態においては、前記合成工程は、液滴化した前記原料液を導入部から排出部へ向かって高温に保持された加熱炉を通過させることによりセラミックスを合成する工程とすることができる。 Furthermore, in this embodiment, the synthesizing step can be a step of synthesizing ceramics by passing the raw material liquid formed into droplets through a heating furnace held at a high temperature from the introduction part to the discharge part. .
この形態においては、前記セラミックス粉末は、2種以上の金属酸化物の相を分散して備えている複合セラミックス粒子を含有することができる。この態様において、前記セラミックス粉末は、固体酸化物形燃料電池の電極用材料であり、2種類以上の前記金属酸化物は固体酸化物形燃料電池の導電性材料である金属酸化物と固体酸化物形燃料電池の支持体用材料である金属酸化物とを含むことができる。 In this embodiment, the ceramic powder can contain composite ceramic particles having two or more metal oxide phases dispersed therein. In this aspect, the ceramic powder is a material for an electrode of a solid oxide fuel cell, and two or more kinds of the metal oxide are a metal oxide and a solid oxide that are conductive materials of a solid oxide fuel cell. And a metal oxide which is a material for a support of a fuel cell.
なお、本発明の第1の形態によれば、こうしたセラミックス粉末の製造方法によって得られるセラミックス粉末が提供される。 In addition, according to the 1st form of this invention, the ceramic powder obtained by the manufacturing method of such a ceramic powder is provided.
本発明の第2の形態によれば、セラミックス粉末であって、焼結性の異なる2種以上の金属酸化物の相を分散して備える複合セラミックス粒子を含有する、セラミックス粉末が提供される。この形態においては、前記2種以上の金属酸化物の相は、NiO、Co2O3及びFe2O3からなる群から選択される1種又は2種以上の金属酸化物を含む第1の相と、MxCe1−xO(1−x)/2(ただし、Mは、Gd、Sm及びLaから選択され、0.1≦x≦0.8である。)、Y2O3添加ZrO2、Sc2O3添加ZrO2及びCaO添加ZrO2からなる群から選択される1種又は2種以上の金属酸化物を含む第2の相とすることができる。また、前記複合セラミックス粒子は多孔質球状体であってもよいし、薄片状であってもよい。また、前記複合セラミックス粒子の平均粒子系は2μm以下であることが好ましく、また、第1の相及び前記第2の相の平均粒子径は200nm以下であることが好ましい。こうしたセラミックス粉末は、固体酸化物形燃料電池の電極用材料として用いることができる。 According to the second aspect of the present invention, there is provided a ceramic powder that is a ceramic powder and contains composite ceramic particles provided with dispersed phases of two or more metal oxides having different sinterability. In this embodiment, the phase of the two or more metal oxides includes a first or second metal oxide selected from the group consisting of NiO, Co 2 O 3 and Fe 2 O 3 . Phase, M x Ce 1-x O (1-x) / 2 (where M is selected from Gd, Sm and La, and 0.1 ≦ x ≦ 0.8), Y 2 O 3 adding ZrO 2, Sc 2 O 3 additive can be the second phase comprising one or more metal oxides selected from the group consisting of ZrO 2 and CaO addition ZrO 2. The composite ceramic particle may be a porous spherical body or a flake shape. The average particle system of the composite ceramic particles is preferably 2 μm or less, and the average particle diameter of the first phase and the second phase is preferably 200 nm or less. Such ceramic powder can be used as an electrode material for a solid oxide fuel cell.
また、本発明の第3の形態によれば、固体酸化物形燃料電池の製造方法であって、上記いずれかに記載のセラミックス粉末を焼成して燃料極を形成する工程を、備える製造方法が提供される。 Moreover, according to the 3rd form of this invention, it is a manufacturing method of a solid oxide fuel cell, Comprising: A manufacturing method provided with the process of baking the ceramic powder as described in any one of the above, and forming a fuel electrode. Provided.
さらに本発明の第4の形態によれば、固体酸化物形燃料電池であって、上記いずれかに記載のセラミックス粉末を原料とする燃料極を備える、固体酸化物形燃料電池が提供される。 Furthermore, according to the 4th form of this invention, it is a solid oxide fuel cell, Comprising: The solid oxide fuel cell provided with the fuel electrode which uses the ceramic powder in any one of the above as a raw material is provided.
本発明のセラミックス粉末の製造方法は、1種又は2種以上の金属酸化物を含有するセラミックス粉末の製造方法であって、前記金属酸化物を構成する金属の塩である金属塩類と前記金属のカチオンをキレート可能な電子供与性基と重合性官能基とを有するキレート剤とを含有する原料液を調製する原料液調製工程と、液滴化した前記原料液を加熱してセラミックスを合成する合成工程と、を備えることを特徴としている。また、本発明のセラミックス粉末は、焼結性の異なる2種以上の金属酸化物の相を分散して備える複合セラミックス粒子を含有することを特徴としている。 The method for producing a ceramic powder according to the present invention is a method for producing a ceramic powder containing one or more metal oxides, the metal salt being a metal salt constituting the metal oxide and the metal powder. A raw material liquid preparation step for preparing a raw material liquid containing an electron donating group capable of chelating a cation and a chelating agent having a polymerizable functional group, and a synthesis for synthesizing ceramics by heating the raw material liquid formed into droplets And a process. In addition, the ceramic powder of the present invention is characterized in that it contains composite ceramic particles provided with dispersed phases of two or more metal oxides having different sinterability.
本製造方法によれば、原料液中に金属酸化物に対応する金属の塩類とこの金属のカチオンをキレート可能な電子供与性基と重合性官能基とを備えるキレート剤を含有する原料液を液滴化し加熱してセラミックスを合成する際、生成するセラミックス粒子における金属酸化物相を均一に分散させることができる。また、微細な金属酸化物相を分散させることができる。2種以上の金属酸化物の塩類を含む場合には、2相以上の金属酸化物相がおおよそ均一に、また、微際に分散したセラミックス粒子を得ることができる。さらに、キレート剤によるキレート程度又は重合程度を調整することにより、得られるセラミックス粒子につき、多孔質球状、薄片状(外皮状を含む)、中空球状などの粒子形態制御が可能となる。また、本発明のセラミックス粉末の粒子構造は、焼結性が異なる金属酸化物の相を分散して備え、さらに、各相が微細に分散されているため、このセラミックス粉末によれば従来にない微細構造を有するセラミックス焼成体を得ることができる。以下、本発明の各種形態、すなわち、セラミックス粉末の製造方法、セラミックス粉末、固体酸化物形燃料電池用電極材料、固体酸化物形燃料電池(以下,単にSOFCという。)の製造方法及びSOFCについて順次説明する。 According to this production method, a raw material liquid containing a chelating agent having a metal salt corresponding to a metal oxide, an electron donating group capable of chelating the metal cation, and a polymerizable functional group in the raw material liquid. When synthesizing ceramics by dropletization and heating, the metal oxide phase in the produced ceramic particles can be uniformly dispersed. Moreover, a fine metal oxide phase can be dispersed. When two or more kinds of metal oxide salts are included, ceramic particles in which two or more metal oxide phases are dispersed almost uniformly and finely can be obtained. Furthermore, by adjusting the degree of chelation by the chelating agent or the degree of polymerization, the resulting ceramic particles can be controlled in the form of particles such as porous spheres, flakes (including shells), and hollow spheres. Further, the particle structure of the ceramic powder of the present invention is provided with dispersed metal oxide phases having different sinterability, and each phase is finely dispersed. A ceramic fired body having a fine structure can be obtained. Hereinafter, various embodiments of the present invention, that is, a method for producing ceramic powder, a ceramic powder, a solid oxide fuel cell electrode material, a method for producing a solid oxide fuel cell (hereinafter simply referred to as SOFC), and SOFC are sequentially described. explain.
(セラミックス粉末の製造方法)
(原料液調製工程)
本発明のセラミックス粉末の製造方法では、まず、得ようとする1種又は2種以上の金属酸化物を構成する金属の塩である金属塩類とキレート剤とを含有する原料液を調製する。金属酸化物としては特に限定しないが、本発明によれば分散形態の粒子が得られ、2種以上の金属酸化物から2種以上の金属酸化物相を備える分散して備える型複合粒子が得られることから、2種以上の金属酸化物を対象とすることが好ましい。また、本発明によれば、焼結性を制御して、すなわち、金属酸化物の焼結性への依存性を抑制できるため、異なる焼結性を備える金属酸化物を対象とするのが好ましい。なお、本明細書において、金属酸化物には、複合酸化物も包含している。
(Manufacturing method of ceramic powder)
(Raw material preparation process)
In the method for producing a ceramic powder of the present invention, first, a raw material liquid containing a metal salt which is a metal salt constituting one or more metal oxides to be obtained and a chelating agent is prepared. Although it does not specifically limit as a metal oxide, According to this invention, the particle | grains of a dispersion | distribution form are obtained, and the type | mold composite particle | grain provided by disperse | distributing and providing two or more types of metal oxide phases from two or more types of metal oxides is obtained. Therefore, it is preferable to target two or more metal oxides. In addition, according to the present invention, since the sinterability can be controlled, that is, the dependence of the metal oxide on the sinterability can be suppressed, it is preferable to target metal oxides having different sinterability. . Note that in this specification, metal oxides include composite oxides.
SOFCの燃料極材料としては、ニッケル酸化物(NiO)、ニッケル酸化物(NiO)とマグネシウム酸化物(MgO)の固溶体、コバルト酸化物(Co2O3)、酸化鉄(Fe2O3)、酸化ルテニウムなどの金属酸化物が導電性材料として挙げられる。また、これらに対応する金属塩類としては、これらの各金属の酢酸塩、硝酸塩、炭酸塩、シュウ酸塩等の各種塩や水酸化物が挙げられる。また、SOFCの燃料極の支持体材料としては、Y2O3添加ZrO2、Sc2O3添加ZrO2及びCaO添加ZrO2などの安定化ジルコニア(FSZ)並びに部分安定化ジルコニア(PSZ)、希土類酸化物がドープされた酸化セリウム(MxCe1−xO(1−x)/2)などの金属酸化物が挙げられる。これらに対応する金属塩類としては、これらの各金属の酢酸塩、硝酸塩、炭酸塩、シュウ酸塩等あるいは水酸化物等が挙げられる。なお、これらの金属塩類等の原料液は、各種金属酸化物を、濃酸など金属の塩類を構成可能な対イオンを含有する溶液に溶解するなどして調製することができる。 As fuel electrode materials of SOFC, nickel oxide (NiO), solid solution of nickel oxide (NiO) and magnesium oxide (MgO), cobalt oxide (Co 2 O 3 ), iron oxide (Fe 2 O 3 ), A metal oxide such as ruthenium oxide can be used as the conductive material. In addition, examples of metal salts corresponding to these include various salts and hydroxides such as acetates, nitrates, carbonates, and oxalates of these metals. Further, as the support material of the SOFC fuel electrode, stabilized zirconia (FSZ) such as Y 2 O 3 added ZrO 2 , Sc 2 O 3 added ZrO 2 and CaO added ZrO 2 and partially stabilized zirconia (PSZ), Examples thereof include metal oxides such as cerium oxide doped with a rare earth oxide (M x Ce 1-x O (1-x) / 2 ). Examples of metal salts corresponding to these include acetates, nitrates, carbonates, oxalates, hydroxides, and the like of these metals. These raw material liquids such as metal salts can be prepared by dissolving various metal oxides in a solution containing a counter ion capable of forming a metal salt such as concentrated acid.
なかでも、燃料極の導電性材料としては、NiO、Co2O3及びFe2O3 から選択されることが好ましい。また、燃料極の支持体材料としては、MxCe1−xO(1−x)/2(ただし、Mは、Gd、Sm及びLaから選択され、0.1≦x≦0.8である。)、Y2O3添加ZrO2、Sc2O3添加ZrO2及びCaO添加ZrO2等が挙げられる。Y2O3添加ZrO2においては、Y2O3は、3mol%以上10mol%以下であることが好ましく、Sc2O3添加ZrO2において、Sc2O3は3mol%以上mol%以下であることが好ましく、CaO添加ZrO2では、CaOは5mol%以上20mol%以下であることが好ましい。なお、NiO、Co2O3及びFe2O3の群と、MxCe1−xO(1−x)/2、Y2O3添加ZrO2、Sc2O3添加ZrO2及びCaO添加ZrO2の群とは、焼結性が異なっており、両群からそれぞれ1種以上を選択することにより、それぞれの金属相を分散して備えるセラミックス複合粒子が得られる。 Among these, the conductive material for the fuel electrode is preferably selected from NiO, Co 2 O 3 and Fe 2 O 3 . The support material for the fuel electrode is M x Ce 1-x O (1-x) / 2 (where M is selected from Gd, Sm, and La, and 0.1 ≦ x ≦ 0.8) And Y 2 O 3 -added ZrO 2 , Sc 2 O 3 -added ZrO 2 and CaO-added ZrO 2 . In Y 2 O 3 added ZrO 2 , Y 2 O 3 is preferably 3 mol% or more and 10 mol% or less, and in Sc 2 O 3 added ZrO 2 , Sc 2 O 3 is 3 mol% or more and mol% or less. In the case of CaO-added ZrO 2 , CaO is preferably 5 mol% or more and 20 mol% or less. In addition, the group of NiO, Co 2 O 3 and Fe 2 O 3 , M x Ce 1-x O (1-x) / 2 , Y 2 O 3 added ZrO 2 , Sc 2 O 3 added ZrO 2 and CaO added The sinterability is different from that of the ZrO 2 group, and by selecting one or more from each of the two groups, ceramic composite particles having the respective metal phases dispersed therein can be obtained.
また、SOFCの空気極材料としては、(La,Sr)MnO3 、(La,Ca)MnO3 、(La,Sr)CoO3 、(La,Ca)CoO3などが導電性材料となる金属酸化物として挙げられる。これらの各金属に対応する金属塩類としては、各金属の酢酸塩、硝酸塩、炭酸塩、シュウ酸塩等の各種塩あるいは水酸化物等を用いることができる。また、SOFCの空気極の支持体材料としては、Y2O3添加ZrO2、Sc2O3添加ZrO2及びCaO添加ZrO2などの安定化ジルコニア(FSZ)並びに部分安定化ジルコニア(PSZ)、希土類酸化物がドープされた酸化セリウム(MxCe1−xO(1−x)/2)などの金属酸化物が挙げられる。これらに対応する金属塩類としては、これらの各金属の酢酸塩、硝酸塩、炭酸塩、シュウ酸塩等あるいは水酸化物等が挙げられる。なお、これらの金属塩類等の原料液は、各種金属酸化物を、濃酸など金属の塩類を構成可能な対イオンを含有する溶液に溶解するなどして調製することができる。 Further, as the SOFC air electrode material, (La, Sr) MnO 3 , (La, Ca) MnO 3 , (La, Sr) CoO 3 , (La, Ca) CoO 3, etc. are metal oxides that become conductive materials. It is mentioned as a thing. As metal salts corresponding to these metals, various salts such as acetates, nitrates, carbonates and oxalates of each metal or hydroxides can be used. Further, as the support material for the SOFC air electrode, stabilized zirconia (FSZ) such as Y 2 O 3 added ZrO 2 , Sc 2 O 3 added ZrO 2 and CaO added ZrO 2 and partially stabilized zirconia (PSZ), Examples thereof include metal oxides such as cerium oxide doped with a rare earth oxide (M x Ce 1-x O (1-x) / 2 ). Examples of metal salts corresponding to these include acetates, nitrates, carbonates, oxalates, and the like of these metals. These raw material liquids such as metal salts can be prepared by dissolving various metal oxides in a solution containing a counter ion capable of forming a metal salt such as concentrated acid.
また、セラミックス粉末が触媒用途の場合には、触媒材料となる金属あるいは金属酸化物と担体材料となる金属酸化物が挙げられる。触媒材料としては、ニッケル、コバルト、鉄などの金属、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化銅、マンガン酸ランタン、酸化チタンなどの金属酸化物が挙げられる。また、担体材料としては、酸化アルミニウム、酸化シリコン、酸化マグネシウム、酸化チタンなどが挙げられる。これらの金属酸化物の構成金属塩類等の原料液は、各種金属酸化物を、濃酸など金属の塩類を構成可能な対イオンを含有する溶液に溶解するなどして調製することができる。 Further, when the ceramic powder is used for a catalyst, a metal serving as a catalyst material or a metal oxide and a metal oxide serving as a support material can be used. Examples of the catalyst material include metals such as nickel, cobalt, and iron, and metal oxides such as zinc oxide, tin oxide, copper oxide, lanthanum manganate, and titanium oxide. Examples of the carrier material include aluminum oxide, silicon oxide, magnesium oxide, and titanium oxide. Raw material liquids such as constituent metal salts of these metal oxides can be prepared by dissolving various metal oxides in a solution containing a counter ion capable of forming a metal salt such as concentrated acid.
キレート剤は、原料液における金属カチオンをキレートする電子供与性基と重合性官能基を備えていることが好ましい。電子供与性基としては、エーテル基や水酸基が好ましい。これらの電子供与性基においてはいずれも酸素原子が金属カチオンのキレートに関与するものと推測される。また、重合性官能基としては、二重結合性の重合性官能基やカルボキシル基、アミノ基、水酸基など脱水によって縮合する官能基が好ましい。なかでも、水酸基が好ましい。したがって、キレート剤としては、クエン酸、アクリル酸などのオキシカルボン酸、エチレンジアミン四酢酸などのポリアミン、エチレングリコールなどポリオールが挙げられる。 The chelating agent preferably has an electron donating group and a polymerizable functional group that chelate metal cations in the raw material solution. The electron donating group is preferably an ether group or a hydroxyl group. In any of these electron donating groups, it is presumed that the oxygen atom is involved in the chelation of the metal cation. The polymerizable functional group is preferably a double bond polymerizable functional group or a functional group that condenses by dehydration, such as a carboxyl group, an amino group, or a hydroxyl group. Of these, a hydroxyl group is preferred. Accordingly, examples of the chelating agent include oxycarboxylic acids such as citric acid and acrylic acid, polyamines such as ethylenediaminetetraacetic acid, and polyols such as ethylene glycol.
本発明においては、ポリオール類が好ましく、なかでも、エチレングリコール、プロピレングリコール、トリメチレングリコール、1,4−ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオールなどのアルカンジオール類、エチレングリコールのオリゴマー(重合度は2以上7以下である。)が挙げられる。重合度が7以下であると金属カチオンを十分キレートすることができるからである。より好ましくは重合度が2以上5以下である。ポリオール類として最も好ましいのは、エチレングリコールである。 In the present invention, polyols are preferable. Among them, alkanediols such as ethylene glycol, propylene glycol, trimethylene glycol, 1,4-butanediol, 1,5-pentanediol, 1,6-hexanediol, ethylene And an oligomer of glycol (with a degree of polymerization of 2 or more and 7 or less). This is because the metal cation can be sufficiently chelated when the degree of polymerization is 7 or less. More preferably, the degree of polymerization is 2 or more and 5 or less. Most preferred as the polyol is ethylene glycol.
キレート剤は、分散形態を制御できる程度に原料液に含まれるが、好ましくは、原料液中の全金属カチオンに対するモル比で0.2以上10以下含有されていることが好ましい。0.2モル比以上であると、部分的にせよキレートが重合とともに進み、10以下であると熱分解の際にキレート剤が悪影響を及ぼさないからである。より好ましくは、1以上であり、8以下である。さらに好ましくは、1以上であり、5以下である。 The chelating agent is contained in the raw material liquid to such an extent that the dispersion form can be controlled, but preferably it is contained in a molar ratio of 0.2 to 10 in terms of the molar ratio to all metal cations in the raw material liquid. This is because if the molar ratio is 0.2 or more, the chelate partly proceeds with polymerization, and if it is 10 or less, the chelating agent does not adversely affect the thermal decomposition. More preferably, it is 1 or more and 8 or less. More preferably, it is 1 or more and 5 or less.
原料液は、こうした金属塩類とキレート剤とを含有するように調製する。好ましくは、金属塩類の溶液に対してキレート剤を添加し混合する。原料液においては、金属カチオンはキレート剤によってキレートされるものと推測されるが、キレートを促進するには、キレート剤を重合することが好ましい。キレート剤の重合の開始は、キレート剤の有する重合性官能基の種類により異なる。上記したポリオール類の場合には、適当な加熱により容易に重合が促進される。例えば、エチレングリコールの場合には、70℃以上、好ましくは80℃以上に加熱することで、効果的に重合させるとともに、キレートを促進することができる。また、好ましくは130℃以下であり、より好ましくは120℃以下であり、さらに好ましくは100℃以下である。 The raw material liquid is prepared so as to contain such metal salts and a chelating agent. Preferably, a chelating agent is added to the metal salt solution and mixed. In the raw material solution, the metal cation is presumed to be chelated by the chelating agent, but in order to promote chelation, it is preferable to polymerize the chelating agent. The initiation of polymerization of the chelating agent varies depending on the type of polymerizable functional group possessed by the chelating agent. In the case of the above polyols, the polymerization is easily promoted by appropriate heating. For example, in the case of ethylene glycol, it is possible to effectively polymerize and promote chelation by heating to 70 ° C. or higher, preferably 80 ° C. or higher. Moreover, it is preferably 130 ° C. or lower, more preferably 120 ° C. or lower, and further preferably 100 ° C. or lower.
キレート及び重合の程度は、特に限定しないが、キレート又は重合の程度により得られるセラミックス粒子形態が異なってくる。加熱などにより重合をしない場合には、セラミックス粒子は、中空状の球状粒子やこのような中空粒子の外皮状粒子等の薄片状粒子などとなりやすくなる。一方、重合させた場合には、多孔質球状粒子が得られやすくなる。例えば、エチレングリコール及びそのオリゴマー(重合度が2以上7以下)を重合させた場合には、球状で多孔質の粒子を主体とするセラミックス粉末が得られ。重合条件としては、エチレングリコールをキレート剤として用い、70℃以上120℃以下で6時間以上10時間以下の加熱条件で、重合させた場合には、球状で多孔質の粒子を主体とするセラミックス粉末が得られる。 The degree of chelation and polymerization is not particularly limited, but the form of ceramic particles obtained depends on the degree of chelation or polymerization. When the polymerization is not carried out by heating or the like, the ceramic particles are likely to become flaky particles such as hollow spherical particles or skin particles of such hollow particles. On the other hand, when polymerized, porous spherical particles are easily obtained. For example, when ethylene glycol and its oligomer (polymerization degree is 2 or more and 7 or less) are polymerized, a ceramic powder mainly composed of spherical and porous particles can be obtained. As polymerization conditions, ceramic powder mainly composed of spherical and porous particles when polymerized under heating conditions of 70 ° C. to 120 ° C. for 6 hours to 10 hours using ethylene glycol as a chelating agent. Is obtained.
(合成工程)
合成工程は、原料液を液滴化し、加熱してセラミックスを合成する工程である。原料液の液滴化に際しては、必要に応じて水などの溶媒で希釈することができる。例えば、重合工程を実施することで粘度が上昇した場合には、液滴化に適した粘度にまで希釈することが好ましい。
(Synthesis process)
The synthesizing step is a step of synthesizing ceramics by making the raw material liquid into droplets and heating. When the raw material liquid is formed into droplets, it can be diluted with a solvent such as water as necessary. For example, when the viscosity is increased by carrying out the polymerization step, it is preferable to dilute to a viscosity suitable for droplet formation.
液滴化には、一般に使用されるスプレー法や超音波法を用いるなどの各種の液体の霧化方法を特に限定することなく使用できる。液滴の加熱は、適当な加熱炉などを用いて行うことができる。例えば、原料液の液滴を移送できるキャリアガスにより加熱炉へ液滴を導入するようにしてもよい。加熱炉の形態は特に限定しないが、原料液の液滴化、加熱・合成及び合成したセラミックスの回収を考慮すると、キャリアガスによって原料液の液滴を通過させることのできる管状の加熱炉とすることが好ましい。 Various liquid atomization methods such as a commonly used spraying method and ultrasonic method can be used for droplet formation without particular limitation. The droplets can be heated using a suitable heating furnace or the like. For example, the droplets may be introduced into the heating furnace using a carrier gas that can transfer the droplets of the raw material liquid. The form of the heating furnace is not particularly limited, but in consideration of the formation of droplets of the raw material liquid, heating / synthesis, and recovery of the synthesized ceramics, a tubular heating furnace capable of passing the liquid droplets of the raw material liquid with a carrier gas is used. It is preferable.
こうしたセラミックス合成装置2の一例を図1に示す。図1に示す合成装置2は、超音波振動子を備える液滴化部4と、この液滴化部4と連絡管6を介して連通する管状の加熱炉ユニット8と、加熱炉ユニット8に連続して設置される集塵部10を備えている。加熱炉ユニット8は、キャリアガスの移動方向、すなわち、原料液の液滴の移動方向に沿って連設される加熱炉8a、8b、8c、8dを備えており、これらの加熱炉8a〜8dは、個々に加熱温度が設定可能となっており、通常は、液滴導入部から排出部へと順次高い温度に加熱温度が設定される。 An example of such a ceramic synthesizer 2 is shown in FIG. A synthesizer 2 shown in FIG. 1 includes a droplet forming unit 4 including an ultrasonic vibrator, a tubular heating furnace unit 8 communicating with the droplet forming unit 4 via a communication tube 6, and a heating furnace unit 8. The dust collection part 10 installed continuously is provided. The heating furnace unit 8 includes heating furnaces 8a, 8b, 8c, and 8d that are continuously provided along the moving direction of the carrier gas, that is, the moving direction of the liquid droplets of the raw material liquid, and these heating furnaces 8a to 8d. The heating temperature can be set individually, and normally the heating temperature is set to a higher temperature sequentially from the droplet introduction part to the discharge part.
本発明を拘束するものではないが、このような合成工程によれば、原料液の液滴内に金属イオンが重合した又は重合していないキレート剤によってキレートされて均一に分散した状態で存在されるために、セラミックスが合成される際、金属イオンが偏在されることがないため、均質及び/又は微細な相を有するセラミックス粒子が合成されるものと推測される。 Although not restricting the present invention, according to such a synthesis step, metal ions are present in a state of being uniformly dispersed by being chelated by a polymerized or non-polymerized chelating agent in droplets of a raw material liquid. Therefore, when ceramics are synthesized, metal ions are not unevenly distributed. Therefore, it is presumed that ceramic particles having a homogeneous and / or fine phase are synthesized.
(セラミックス粉末)
合成されたセラミックス粉末は、図1に示す合成装置2における集塵部10などにより捕集される。捕集されたセラミックス粉末は、容易に粒子状に解砕される。本発明によれば、原料液中にキレート剤を含有していることにより、1種又は2種以上の金属酸化物の相を均質に保持する複合セラミックス粒子を含有する本発明のセラミックス粉末を得ることができる。複合セラミックス粒子の平均粒子径は2μm以下であることが好ましい。さらに、個々の金属酸化物相(粒子)の平均粒子径はナノレベル、好ましくは200nm以下、さらに好ましくは100nm以下とすることができる。特に、焼結性が異なる2種以上の金属酸化物の相を分散して備え、しかも、ナノレベルで分散して備える分散型複合粒子を含有するセラミックス粉末を得ることができる。例えば、NiO、Co2O3及びFe2O3からなる群から選択される1種又は2種以上の金属酸化物を含む第1の相と、MxCe1−xO(1−x)/2、Y2O3添加ZrO2、Sc2O3添加ZrO2及びCaO添加ZrO2からなる群から選択される1種又は2種以上の金属酸化物を含む第2の相とを有する分散型複合粒子を得ることができる。このような複合セラミックス粒子を含有するセラミックス粉末は、SOFCの燃料極用材料として好ましい。
(Ceramic powder)
The synthesized ceramic powder is collected by the dust collection unit 10 or the like in the synthesis apparatus 2 shown in FIG. The collected ceramic powder is easily crushed into particles. According to the present invention, by containing a chelating agent in the raw material liquid, the ceramic powder of the present invention containing composite ceramic particles that uniformly hold the phase of one or more metal oxides is obtained. be able to. The average particle diameter of the composite ceramic particles is preferably 2 μm or less. Furthermore, the average particle diameter of the individual metal oxide phases (particles) can be nano level, preferably 200 nm or less, more preferably 100 nm or less. In particular, it is possible to obtain a ceramic powder containing dispersed composite particles having two or more kinds of metal oxide phases having different sinterability and dispersed at the nano level. For example, a first phase containing one or more metal oxides selected from the group consisting of NiO, Co 2 O 3 and Fe 2 O 3 , and M x Ce 1-x O (1-x) / 2 , dispersion having a second phase containing one or more metal oxides selected from the group consisting of Y 2 O 3 -added ZrO 2 , Sc 2 O 3 -added ZrO 2 and CaO-added ZrO 2 Type composite particles can be obtained. A ceramic powder containing such composite ceramic particles is preferable as a fuel electrode material for SOFC.
また、本発明のセラミックス粉末におけるセラミックス粒子は、既に説明したように、原料液における重合程度に対応した各種の形態を採ることができる。したがって、2種以上の金属酸化物相を有し、多孔質かつ球状の粒子を得ることができる。この場合、個々の金属酸化物相は、個々の一次粒子として存在することができる。複合セラミックス粒子の平均粒子径は2μm以下であることが好ましい。その一次粒子の平均粒子径はナノレベルであり、好ましくは200nm以下、さらに好ましくは100nm以下である。また、2種以上の金属酸化物相を有し、中空球状、外皮状又は薄片状の粒子を得ることもできる。こうした、中空球状等の粒子においても、個々の金属酸化物相は平均粒子径が200nm以下であることが好ましい。 Moreover, as already explained, the ceramic particles in the ceramic powder of the present invention can take various forms corresponding to the degree of polymerization in the raw material liquid. Therefore, porous and spherical particles having two or more metal oxide phases can be obtained. In this case, the individual metal oxide phases can be present as individual primary particles. The average particle diameter of the composite ceramic particles is preferably 2 μm or less. The average particle diameter of the primary particles is at the nano level, preferably 200 nm or less, more preferably 100 nm or less. Moreover, it has a 2 or more types of metal oxide phase, and can also obtain the hollow spherical shape, outer-shell-like, or flake-like particle | grains. Also in such particles such as hollow spheres, the individual metal oxide phases preferably have an average particle diameter of 200 nm or less.
(SOFC及びその製造方法)
SOFCの燃料極用材料であるセラミックス粉末を膜状に焼成することにより、SOFCの燃料極並びに該燃料極を備えるSOFCを製造できる。作製した燃料極を備えるSOFCを作動させた後の燃料極は、分散型複合粒子の形態は消失し、替わりに三次元的な網目構造が形成され、良好な多孔構造が形成され、この結果、三相界面が増大される。なお、セラミックス粉末を用いて燃料極を形成するには、セラミックス粉末を用いて行う通常の成膜方法を適宜選択して用いることができる。また、SOFCは、こうした燃料極と従来公知の空気極材料から得られる空気極とで電解質層とを挟む形の積層体として得ることができる。
(SOFC and its manufacturing method)
By firing ceramic powder, which is a material for SOFC fuel electrodes, into a film, an SOFC fuel electrode and an SOFC including the fuel electrode can be manufactured. In the fuel electrode after operating the SOFC including the produced fuel electrode, the form of the dispersed composite particles disappears, and instead, a three-dimensional network structure is formed, and a good porous structure is formed. The three phase interface is increased. In addition, in order to form a fuel electrode using ceramic powder, the normal film-forming method performed using ceramic powder can be selected suitably, and can be used. The SOFC can be obtained as a laminate in which an electrolyte layer is sandwiched between such a fuel electrode and an air electrode obtained from a conventionally known air electrode material.
以上説明したように、本発明によれば、原料液に金属酸化物を形成する金属のカチオンをキレート可能なキレート剤を含有するため、原料液の液滴からナノレベルの金属酸化物相によって均質に構成されたセラミックス粒子を得ることができる。セラミックス粒子は2種以上の金属酸化物相からなる場合、セラミックス粒子は分散型複合粒子となる。こうして個々のセラミックス粒子の構成がナノレベル及び/又は均質な金属酸化物相を有するセラミックス粉末を原料とすることで、従来にない微細構造のセラミックス焼成体を得ることができる。また、SOFCの燃料極を構成することで、従来にない微細な多孔構造を有し、従来に比して増大した三相界面を有する燃料極を得ることができる。 As described above, according to the present invention, since the raw material liquid contains the chelating agent capable of chelating the metal cation forming the metal oxide, it is homogeneous from the liquid droplets of the raw material liquid by the nano-level metal oxide phase. It is possible to obtain ceramic particles constituted as follows. When the ceramic particles are composed of two or more metal oxide phases, the ceramic particles are dispersed composite particles. Thus, by using as a raw material ceramic powder having individual ceramic particles having a nano-level and / or homogeneous metal oxide phase, it is possible to obtain an unprecedented microstructured ceramic fired body. In addition, by configuring the SOFC fuel electrode, it is possible to obtain a fuel electrode having a fine porous structure that has not been conventionally provided and an increased three-phase interface as compared with the conventional one.
以下、本発明を実施例によりさらに詳しく説明するが、本発明をその要旨を超えない限りこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in more detail, this invention is not limited at all by these Examples, unless the summary is exceeded.
(セラミックス粉末の合成)
硝酸セリウム(Ce(NO3)3)、酸化サマリウム(Sm2O3)を濃硝酸に溶解し、その後に酢酸ニッケル(Ni(NO3)2)を加え、さらにキレート剤としてエチレングリコールを全金属カチオン量の5倍モル量を加えて攪拌混合して原料液を調製した。この原料液を80℃で8時間加熱してエチレングリコールを重合させキレート化を促進した。この重合後の原料液125mlに対して水を375ml加えたものを、図1に示す合成装置に適用して、セラミックス粉末を合成した。なお、合成装置2における加熱炉ユニット8は、全体が内径20mmで長さ1450mmのアルミナ管であり、長さ方向に配列された4つの加熱炉8a〜8dは、それぞれ200℃、400℃、800℃及び1000℃に炉内を維持している。キャリアガス(空気)流量は、1.0L/分とした。捕集した粉末は空気中1000℃で24時間仮焼した。
(Synthesis of ceramic powder)
Cerium nitrate (Ce (NO 3 ) 3 ) and samarium oxide (Sm 2 O 3 ) are dissolved in concentrated nitric acid, then nickel acetate (Ni (NO 3 ) 2 ) is added, and ethylene glycol is added as a chelating agent to all metals. A 5-fold molar amount of the cation amount was added and mixed by stirring to prepare a raw material solution. This raw material liquid was heated at 80 ° C. for 8 hours to polymerize ethylene glycol to promote chelation. A ceramic powder was synthesized by applying 375 ml of water to 125 ml of the raw material liquid after polymerization and applying it to the synthesizer shown in FIG. The heating furnace unit 8 in the synthesizer 2 is an alumina tube having an inner diameter of 20 mm and a length of 1450 mm. The four heating furnaces 8a to 8d arranged in the length direction are 200 ° C., 400 ° C. and 800 ° C., respectively. The inside of the furnace is maintained at ℃ and 1000 ℃. The carrier gas (air) flow rate was 1.0 L / min. The collected powder was calcined in air at 1000 ° C. for 24 hours.
(セラミックス粉末の形態及び組成分析)
得られた合成セラミックス粉末を走査電子顕微鏡(SEM)で観察するとともに、セラミックス粒子を透過電子顕微鏡(TEM)及びその組成をエネルギー分散型X線分光器(EDS)で分析した。図2には、SEM観察結果を示し、図3及び4には、セラミックス粒子及びその一部のTEM観察結果とEDS分析結果とをそれぞれ示す。
(Ceramic powder morphology and composition analysis)
The obtained synthetic ceramic powder was observed with a scanning electron microscope (SEM), and the ceramic particles were analyzed with a transmission electron microscope (TEM) and the composition thereof with an energy dispersive X-ray spectrometer (EDS). 2 shows SEM observation results, and FIGS. 3 and 4 show TEM observation results and EDS analysis results of ceramic particles and a part thereof, respectively.
図2のSEM観察結果に示すように、平均粒子径が1μm程度の多孔質で球状の粒子が得られていた。また、図3及び図4のTEM観察結果に示すように、セラミックス粒子は、平均粒子径が20nm程度の一次粒子が集合して複合粒子を構成していた。さらに図3及び図4のEDS分析結果からは、Niの存在する一次粒子とCeが存在する一次粒子とが異なることがわかった。さらに、図4に示すように、これらの一次粒子は、ナノオーダーサイズで微小であって均質な混合相を構成していることがわかった。 As shown in the SEM observation result of FIG. 2, porous and spherical particles having an average particle diameter of about 1 μm were obtained. Moreover, as shown in the TEM observation results of FIGS. 3 and 4, the ceramic particles are composed of composite particles in which primary particles having an average particle diameter of about 20 nm are aggregated. Further, from the EDS analysis results of FIGS. 3 and 4, it was found that the primary particles in which Ni is present are different from the primary particles in which Ce is present. Furthermore, as shown in FIG. 4, these primary particles were found to be nano-sized and fine and constituted a homogeneous mixed phase.
(固体酸化物形燃料電池の発電特性)
得られたセラミックス粉末を固体酸化物形燃料電池の燃料極材料として用いて、3%で加湿した水素を燃料ガスとして発電特性を調べた。粉末1.5gに、バインダーとしてポリエチレングリコール0.8g及び分散剤としてエタノール1.5gを添加し、アルミナ自動乳鉢で約20分間混合し、エタノールを蒸発させた後、厚さ100μmのLSGM板状体上に、スクリーン(メッシュ#200)印刷し、これを1250℃、2時間の条件で焼付けた。燃料極の厚みは20μm程度であった。さらに空気極として(La,Sr)CoO3を用いた。粉末1.5gにバインダーとしてポリエチレングリコール0.6g及び分散剤としてエタノール1.5gを添加し、アルミナ自動乳鉢で約20分間混合し,エタノールを蒸発させた後に、燃料極を焼き付けたLSGM板の裏面にスクリーン(メッシュ#200)印刷し、これを1000℃、4時間の条件で焼き付けた。空気極の厚みは20μm程度であった。この評価用電池セルについて、750℃及び600℃における発電特性の評価結果を図5及び6に示す。また、評価後の燃料極と電解質の界面のSEM観察結果を図7に示す。
(Power generation characteristics of solid oxide fuel cells)
Using the obtained ceramic powder as a fuel electrode material of a solid oxide fuel cell, the power generation characteristics were investigated using hydrogen humidified at 3% as a fuel gas. To 1.5 g of powder, 0.8 g of polyethylene glycol as a binder and 1.5 g of ethanol as a dispersing agent are added and mixed in an alumina automatic mortar for about 20 minutes to evaporate ethanol, and then a LSGM plate having a thickness of 100 μm. On top of this, a screen (mesh # 200) was printed and baked at 1250 ° C. for 2 hours. The thickness of the fuel electrode was about 20 μm. Further, (La, Sr) CoO 3 was used as the air electrode. Add 1.5g of polyethylene glycol as binder to 1.5g of powder and 1.5g of ethanol as dispersant, mix in alumina automatic mortar for about 20 minutes, evaporate ethanol, then backside of LSGM plate with fuel electrode baked A screen (mesh # 200) was printed on this, and baked at 1000 ° C. for 4 hours. The thickness of the air electrode was about 20 μm. 5 and 6 show the evaluation results of the power generation characteristics at 750 ° C. and 600 ° C. for this evaluation battery cell. Moreover, the SEM observation result of the interface of the fuel electrode and electrolyte after evaluation is shown in FIG.
図5に示すように、750℃では、最大出力密度1.69Wcm−2が得られた。これは従来のカプセル型複合粒子に得られている最大出力密度(1.11Wcm−2)を50%上回る発電特性であった。また、図6に示すように、600℃の低温であっても、0.24Wcm−2と優れた発電特性を示すことがわかった。これは、作製した燃料極が、分散型複合粒子を原料として用いたことにより、三相界面が増大された電極構造が得られたためと考察された。 As shown in FIG. 5, a maximum output density of 1.69 Wcm −2 was obtained at 750 ° C. This was a power generation characteristic that exceeded the maximum power density (1.11 Wcm −2 ) obtained in the conventional capsule composite particles by 50%. Further, as shown in FIG. 6, it was found that even at a low temperature of 600 ° C., 0.24 Wcm −2 showed excellent power generation characteristics. It was considered that this was because the produced fuel electrode used the dispersed composite particles as a raw material to obtain an electrode structure with an increased three-phase interface.
また、図7の発電特性評価後の燃料極のSEM観察結果からは、分散型複合粒子を有するセラミックス粉末を原料として燃料極を構成することにより、微細な多孔質構造が形成されていることがわかった。 Further, from the SEM observation result of the fuel electrode after the evaluation of the power generation characteristics in FIG. 7, it can be seen that a fine porous structure is formed by configuring the fuel electrode using ceramic powder having dispersed composite particles as a raw material. all right.
(セラミックス粉末の合成)
硝酸セリウム(Ce(NO3)3)、酸化サマリウム(Sm2O3)を濃硝酸に溶解し、その後に酢酸ニッケル(Ni(NO3)2)を加え、さらにキレート剤としてエチレングリコールを全金属カチオン量の0.25倍モル量、0.5倍モル量及び1倍モル量を加えて攪拌混合して原料液を調製した。この原料液をそのまま、図1に示す合成装置に適用して、セラミックス粉末を合成した。なお、合成装置2における加熱炉ユニット8は、実施例1と同一のものを用いた。また、4つの加熱炉8a〜8dは、それぞれ200℃、400℃、800℃及び1000℃に炉内を維持している。キャリアガス(空気)流量は、1.0L/分とした。
(Synthesis of ceramic powder)
Cerium nitrate (Ce (NO 3 ) 3 ) and samarium oxide (Sm 2 O 3 ) are dissolved in concentrated nitric acid, then nickel acetate (Ni (NO 3 ) 2 ) is added, and ethylene glycol is added as a chelating agent to all metals. A 0.25-fold molar amount, a 0.5-fold molar amount and a 1-fold molar amount of the cation amount were added and mixed by stirring to prepare a raw material solution. This raw material liquid was directly applied to the synthesis apparatus shown in FIG. 1 to synthesize ceramic powder. The heating furnace unit 8 in the synthesizer 2 was the same as that in Example 1. Moreover, the four heating furnaces 8a to 8d maintain the inside of the furnace at 200 ° C., 400 ° C., 800 ° C., and 1000 ° C., respectively. The carrier gas (air) flow rate was 1.0 L / min.
(セラミックス粉末の形態及び組成分析)
得られた合成セラミックス粉末を走査電子顕微鏡(SEM)で観察するとともに、これらの合成セラミックス粉末とこれを空気中1000℃で24時間仮焼した試料についてX線回折により結晶相を調べた。SEM観察結果を図8に示し、X線回折スペクトルを図9に示す。
(Ceramic powder morphology and composition analysis)
While observing the obtained synthetic ceramic powder with a scanning electron microscope (SEM), the crystal phase was examined by X-ray diffraction for these synthetic ceramic powder and a sample calcined at 1000 ° C. for 24 hours in the air. The SEM observation result is shown in FIG. 8, and the X-ray diffraction spectrum is shown in FIG.
図8のSEM観察結果に示すように、いずれのエチレングリコール添加量であっても、中空球状〜中空球状体の外皮状などの薄片状粒子が得られていた。また、図9に示すように、仮焼の前後において結晶相に変化はなく、いずれにおいてもNiOとSDCとからなっていた。したがって、エチレングリコールの添加量の相違による結晶組成の違いや不純物相の生成などはないことがわかった。 As shown in the SEM observation results of FIG. 8, flaky particles such as hollow spheres to outer spheres of hollow spheres were obtained at any ethylene glycol addition amount. Moreover, as shown in FIG. 9, there was no change in the crystal phase before and after calcination, and both consisted of NiO and SDC. Therefore, it was found that there is no difference in crystal composition or generation of impurity phases due to differences in the amount of ethylene glycol added.
(固体酸化物形燃料電池の発電特性)
得られたセラミックス粉末を固体酸化物形燃料電池の燃料極材料として用いて、水素を燃料ガスとして発電特性を調べた。粉末1.5gに、バインダーとしてポリエチレングリコール0.8g及び分散剤としてエタノール1.5gを添加し、アルミナ自動乳鉢で約20分間混合し、エタノールを蒸発させた後、厚さ100μmのLSGM板状体上に、スクリーン(メッシュ#200)印刷し、これを1250℃、2時間の条件で焼付けた。燃料極の厚みは20μm程度であった。さらに空気極として(La,Sr)CoO3を用いた。粉末1.5gにバインダーとしてポリエチレングリコール0.6g及び分散剤としてエタノール1.5gを添加し、アルミナ自動乳鉢で約20分間混合し,エタノールを蒸発させた後に、燃料極を焼き付けたLSGM板の裏面にスクリーン(メッシュ#200)印刷し、これを1000℃、4時間の条件で焼き付けた。空気極の厚みは20μm程度であった。この評価用電池について、700℃における発電特性の評価結果を図10〜12に示す。
(Power generation characteristics of solid oxide fuel cells)
Using the obtained ceramic powder as a fuel electrode material of a solid oxide fuel cell, the power generation characteristics were investigated using hydrogen as a fuel gas. To 1.5 g of powder, 0.8 g of polyethylene glycol as a binder and 1.5 g of ethanol as a dispersing agent are added and mixed in an alumina automatic mortar for about 20 minutes to evaporate ethanol, and then a LSGM plate having a thickness of 100 μm. On top of this, a screen (mesh # 200) was printed and baked at 1250 ° C. for 2 hours. The thickness of the fuel electrode was about 20 μm. Further, (La, Sr) CoO 3 was used as the air electrode. Add 1.5g of polyethylene glycol as binder to 1.5g of powder and 1.5g of ethanol as dispersant, mix in alumina automatic mortar for about 20 minutes, evaporate ethanol, then backside of LSGM plate with fuel electrode baked A screen (mesh # 200) was printed on this, and baked at 1000 ° C. for 4 hours. The thickness of the air electrode was about 20 μm. About this evaluation battery, the evaluation result of the electric power generation characteristic in 700 degreeC is shown to FIGS.
図10〜12に示すように、エチレングリコールを添加して合成することによって燃料極の分極値haが小さくなっており,燃料極における三相界面の密度が高いことが示唆された。 As shown in FIGS. 10 to 12, by adding ethylene glycol and synthesizing, the polarization value ha of the fuel electrode is reduced, suggesting that the density of the three-phase interface in the fuel electrode is high.
2 セラミックス合成装置 4、液滴化部、6 連絡管、8 加熱炉ユニット、8a、8b、8c、8d 加熱炉、 10 集塵部。 2 Ceramic synthesizer 4, droplet forming section, 6 connecting tube, 8 heating furnace unit, 8a, 8b, 8c, 8d heating furnace, 10 dust collecting section.
Claims (18)
前記金属酸化物を構成する金属の塩である金属塩類と前記金属のカチオンをキレート可能な電子供与性基と重合性官能基とを有するキレート剤とを含有する原料液を調製する原料液調製工程と、
液滴化した前記原料液を加熱してセラミックスを合成する合成工程と、
を備える、製造方法。 A method for producing a ceramic powder containing one or more metal oxides,
A raw material liquid preparation step for preparing a raw material liquid containing a metal salt which is a metal salt constituting the metal oxide and a chelating agent having an electron donating group capable of chelating the metal cation and a polymerizable functional group When,
A synthesis process for synthesizing ceramics by heating the raw material liquid formed into droplets;
A manufacturing method comprising:
2種類以上の前記金属酸化物は固体酸化物形燃料電池の導電性材料である金属酸化物と固体酸化物形燃料電池の支持体用材料である金属酸化物とを含む、請求項8に記載の製造方法。 The ceramic powder is a material for an electrode of a solid oxide fuel cell,
The two or more types of the metal oxides include a metal oxide that is a conductive material of a solid oxide fuel cell and a metal oxide that is a material for a support of a solid oxide fuel cell. Manufacturing method.
焼結性の異なる2種以上の金属酸化物の相を分散して備える複合セラミックス粒子を含有する、セラミックス粉末。 Ceramic powder,
A ceramic powder containing composite ceramic particles having dispersed phases of two or more metal oxides having different sinterability.
NiO、Co2O3及びFe2O3からなる群から選択される1種又は2種以上の金属酸化物を含む第1の相と、
MxCe1−xO(1−x)/2(ただし、Mは、Gd、Sm及びLaから選択され、0.1≦x≦0.8である。)、Y2O3添加ZrO2、Sc2O3添加ZrO2及びCaO添加ZrO2からなる群から選択される1種又は2種以上の金属酸化物を含む第2の相と、
である、セラミックス粉末。 The phase of the two or more metal oxides is
A first phase comprising one or more metal oxides selected from the group consisting of NiO, Co 2 O 3 and Fe 2 O 3 ;
M x Ce 1-x O (1-x) / 2 (where M is selected from Gd, Sm and La, and 0.1 ≦ x ≦ 0.8), Y 2 O 3 added ZrO 2 a second phase comprising Sc 2 O 3 1 or additives are selected from the group consisting of ZrO 2 and CaO added ZrO 2 or more metal oxides,
Ceramic powder.
請求項11〜15のいずれかに記載のセラミックス粉末を原料として燃料極を形成する工程を、備える製造方法。 A method for producing a solid oxide fuel cell, comprising:
A manufacturing method provided with the process of forming a fuel electrode using the ceramic powder in any one of Claims 11-15 as a raw material.
請求項11〜15のいずれかに記載のセラミックス粉末を原料とする燃料極を備える、固体酸化物形燃料電池。 A solid oxide fuel cell,
A solid oxide fuel cell comprising a fuel electrode made from the ceramic powder according to claim 11.
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