JP5401847B2 - Composite ceramic powder, method for producing the same, and solid oxide fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、複合セラミックス粉体及びその製造方法並びに固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)に関し、さらに詳しくは、ジルコニア粒子と酸化ニッケル粒子とを含み、粒子の分布性及び組成制御性に優れた複合セラミックス粉体及びその製造方法、この複合セラミックス粉体を電極用材料として用いた固体酸化物形燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a composite ceramic powder, a method for producing the same, and a solid oxide fuel cell (SOFC), and more specifically, containing zirconia particles and nickel oxide particles, and particle distribution and composition control. The present invention relates to a composite ceramic powder having excellent properties, a method for producing the same, and a solid oxide fuel cell using the composite ceramic powder as an electrode material.
従来、複数種の酸化物を含む複合セラミックス粉体を製造する方法としては、通常、複数種の酸化物粉体をボールミル、自動乳鉢等の解砕・粉砕機を用いて、それぞれの粉体を解砕・粉砕しながら攪拌混合して複合セラミックス粉体とする方法が一般的である。
また、複数種の金属イオンを含む溶液にアルカリ溶液を加えて中和沈殿物を生成させ、その後、この中和沈殿物を焼成して酸化物を生成させ、複合セラミック粉体を得る、いわゆる共沈焼成法も知られている。
Conventionally, as a method for producing a composite ceramic powder containing a plurality of types of oxides, usually, a plurality of types of oxide powders are pulverized and pulverized using a ball mill, an automatic mortar, or the like. A method of stirring and mixing while crushing and crushing to obtain a composite ceramic powder is common.
In addition, an alkali solution is added to a solution containing a plurality of types of metal ions to form a neutralized precipitate, and then the neutralized precipitate is fired to generate an oxide to obtain a composite ceramic powder. A settling method is also known.
ところで、従来の各種の方法で得られた複合セラミックス粉体は、複数種の酸化物1次粒子同士が凝集して不均一に混合された複合粉体であったり、あるいは、複数種の酸化物1次粒子それぞれが凝集して粗大な複合粉体になってしまう等の問題があった。したがって、このような複合粉体を触媒や燃料電池用電極として用いた場合には、特性を充分に発揮することができないという不具合があった。
これらの問題を解決するために、これまでにも様々な複合セラミック粉体の製造方法が提案されている。
By the way, the composite ceramic powder obtained by various conventional methods is a composite powder in which a plurality of types of primary oxide particles are aggregated and mixed nonuniformly, or a plurality of types of oxides. There was a problem that each primary particle aggregated into a coarse composite powder. Therefore, when such a composite powder is used as a catalyst or an electrode for a fuel cell, there is a problem that the characteristics cannot be sufficiently exhibited.
In order to solve these problems, various methods for producing composite ceramic powders have been proposed so far.
これらの方法の1つに、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)またはサマリアドープセリアからなる酸素イオン導電性を有する酸化物粉体を、ニッケルイオンまたはコバルトイオンを含む溶液中に浸漬した後、乾燥し、次いで、加熱処理して酸素イオン導電性を有する酸化物粉体の表面にニッケル酸化物またはコバルト酸化物を保持し、この酸化物粉体にさらにニッケルまたはコバルトの酸化物粉体を混合して原料粉体とする方法が提案されている(特許文献1)。
一方、酸化物の均一性や組成の制御性に優れた方法としてミスト熱分解法が知られており、例えば、イットリア安定化ジルコニア粒子と酢酸ニッケルとを含む溶液をミスト化し、このミストを乾燥した後に酢酸ニッケルの熱分解温度以上に加熱し、イットリア安定化ジルコニア粒子群が酸化ニッケル粒子群の表面側に偏在した複合体粒子を得る方法が提案されている(特許文献2)。
On the other hand, a mist pyrolysis method is known as a method excellent in oxide uniformity and composition control. For example, a solution containing yttria-stabilized zirconia particles and nickel acetate is misted and the mist is dried. A method has been proposed in which the composite particles in which the yttria-stabilized zirconia particles are unevenly distributed on the surface side of the nickel oxide particles are obtained by heating to a temperature higher than the thermal decomposition temperature of nickel acetate (Patent Document 2).
ところで、従来の複数種の酸化物粉体を混合する方法では、混合方法を適宜選択することにより、これらの酸化物粉体を比較的均一に混ぜることができるために、これら複数種の酸化物粉体が均一に分布した複合セラミックス粉体を得ることができるが、これらの酸化物粉体そのものの組成を制御することが困難であるという問題点があった。
また、従来のミスト熱分解法では、確かに、複数種の酸化物の分布の均一性や組成の制御性は改善されるものの、得られた複合体粒子中の酸化物の1次粒子径が大きく、したがって、この粗粒の複合体粒子を触媒や燃料電池用電極として用いた場合、充分な特性が得られないという問題点があった。
By the way, in the conventional method of mixing a plurality of kinds of oxide powders, these oxide powders can be mixed relatively uniformly by appropriately selecting the mixing method. Although it is possible to obtain a composite ceramic powder in which the powder is uniformly distributed, there is a problem that it is difficult to control the composition of these oxide powders themselves.
In addition, the conventional mist pyrolysis method certainly improves the uniformity of the distribution of multiple types of oxides and the controllability of the composition, but the primary particle size of the oxides in the obtained composite particles is small. Therefore, when this coarse composite particle is used as a catalyst or an electrode for a fuel cell, there is a problem that sufficient characteristics cannot be obtained.
特に、固体酸化物形燃料電池の分野では、燃料極は燃料ガスと酸化剤とを反応させるための触媒としての役割を有しており、このときの電極において反応場となるのは三相界面であるといわれている。すなわち、ニッケル−イットリア安定化ジルコニア(Ni−YSZ)(燃料極)/イットリア安定化ジルコニア(電解質)系では、ニッケル(Ni)、イットリア安定化ジルコニア及び燃料ガスが全て接する部分が三相界面である。したがって、固体酸化物形燃料電池の出力特性を向上させるには、燃料極の三相界面の増大による電子の発生量の増加、及び発生した電子の外部回路への効率的な供給が必要になる。
そこで、複数種の酸化物粒子それぞれの粒子径がより均一で、分布性や組成制御性に優れ、三相界面のより多い複合セラミックス粉体、すなわち1次粒子径のより小さい複合セラミックス粉体が求められているが、なかなか難しいのが現状である。
In particular, in the field of solid oxide fuel cells, the fuel electrode has a role as a catalyst for reacting fuel gas and oxidant, and the reaction field in this electrode is the three-phase interface. It is said that it is. That is, in the nickel-yttria stabilized zirconia (Ni-YSZ) (fuel electrode) / yttria stabilized zirconia (electrolyte) system, the portion where nickel (Ni), yttria stabilized zirconia and fuel gas are all in contact is a three-phase interface. . Therefore, in order to improve the output characteristics of the solid oxide fuel cell, it is necessary to increase the amount of electrons generated by increasing the three-phase interface of the fuel electrode and to efficiently supply the generated electrons to the external circuit. .
Therefore, a composite ceramic powder having a more uniform particle size, excellent distribution and composition controllability, and having a larger number of three-phase interfaces, that is, a composite ceramic powder having a smaller primary particle size. Although it is required, the current situation is quite difficult.
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、複数種の酸化物粒子の分布性、組成制御性に優れ、しかも三相界面が多く、電子伝導性に優れた複合セラミックス粉体及びその製造方法並びに固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and is a composite ceramics excellent in the distribution and composition controllability of a plurality of types of oxide particles, having many three-phase interfaces, and excellent in electron conductivity. An object of the present invention is to provide a powder, a method for producing the same, and a solid oxide fuel cell.
本発明者等は、上記の課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、イットリア安定化ジルコニアからなるジルコニア粒子と、ニッケルイオンと、を含有し、前記ジルコニア粒子の分散平均粒子径が20nm以下であるジルコニア酸性分散液をアルカリ溶液に添加して中和沈殿物を生成させ、この中和沈殿物を熱処理すれば、粒子の分布性、組成制御性に優れ、しかも三相界面が多く、電子伝導性にも優れた複合セラミックス粉体を容易に得ることができることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies in order to solve the above-mentioned problems, the present inventors contain zirconia particles made of yttria-stabilized zirconia and nickel ions, and the dispersion average particle diameter of the zirconia particles is 20 nm or less. When the neutralized precipitate is formed by adding an acidic dispersion of zirconia to an alkaline solution, and this neutralized precipitate is heat-treated, it has excellent particle distribution and composition controllability, and has many three-phase interfaces. The present inventors have found that composite ceramic powder having excellent conductivity can be easily obtained, and have completed the present invention.
すなわち、本発明の複合セラミックス粉体は、酸化ニッケルとジルコニアとを含有してなる複合セラミックス粉体であって、イットリア安定化ジルコニアからなるジルコニア粒子と、ニッケルイオンと、を含有し、前記ジルコニア粒子の分散平均粒子径が20nm以下であるジルコニア酸性分散液をアルカリ溶液に添加して得られた中和沈殿物を熱処理してなることを特徴とする。 That is, the composite ceramic powder of the present invention is a composite ceramic powder containing nickel oxide and zirconia, containing zirconia particles made of yttria-stabilized zirconia and nickel ions, and the zirconia particles A neutralized precipitate obtained by adding a zirconia acidic dispersion having a dispersion average particle diameter of 20 nm or less to an alkaline solution is heat-treated.
600℃にて6時間熱処理を行った場合における、前記酸化ニッケルの結晶子径は9nm以下、かつ、前記イットリア安定化ジルコニアの結晶子径は3.6nm以下であることが好ましい。When heat treatment is performed at 600 ° C. for 6 hours, the crystallite diameter of the nickel oxide is preferably 9 nm or less, and the crystallite diameter of the yttria-stabilized zirconia is preferably 3.6 nm or less.
本発明の複合セラミックス粉体の製造方法は、イットリア安定化ジルコニアからなるジルコニア粒子と、ニッケルイオンと、を含有し、前記ジルコニア粒子の分散平均粒子径が20nm以下であるジルコニア酸性分散液を、アルカリ溶液に添加して中和沈殿物を生成させ、次いで、この中和沈殿物を200℃以上の温度にて熱処理し、酸化ニッケルとジルコニアとを含有する粉体を生成することを特徴とする。 The method for producing a composite ceramic powder according to the present invention includes a zirconia acidic dispersion containing zirconia particles made of yttria-stabilized zirconia and nickel ions , wherein the zirconia particles have a dispersion average particle diameter of 20 nm or less. A neutralized precipitate is produced by adding to the solution, and then the neutralized precipitate is heat-treated at a temperature of 200 ° C. or higher to produce a powder containing nickel oxide and zirconia.
前記ジルコニア酸性分散液における前記ニッケルイオンのモル百分率(M)と前記ジルコニア粒子のモル百分率(Z)との比(M:Z)は、
M:Z=90:10〜10:90の範囲にあることが好ましい。
The ratio (M: Z) of the molar percentage (M) of the nickel ions and the molar percentage (Z) of the zirconia particles in the zirconia acidic dispersion is:
M: Z is preferably in the range of 90:10 to 10:90.
本発明の固体酸化物形燃料電池は、本発明の複合セラミックス粉体を電極材料としたことを特徴とする。 The solid oxide fuel cell of the present invention is characterized in that the composite ceramic powder of the present invention is used as an electrode material.
本発明の複合セラミックス粉体によれば、イットリア安定化ジルコニアからなるジルコニア粒子と、ニッケルイオンと、を含有し、前記ジルコニア粒子の分散平均粒子径が20nm以下であるジルコニア酸性分散液をアルカリ溶液に添加して得られた中和沈殿物を熱処理したので、複数種の酸化物粒子からなる粉体における粒子の分布性を向上させることができ、粒子の組成制御性を向上させることができる。したがって、複数種の酸化物粒子の分布性、組成制御性に優れ、しかも三相界面が多く、電子伝導性に優れた複合セラミックス粉体を提供することができる。 According to the composite ceramic powder of the present invention , a zirconia acidic dispersion containing zirconia particles made of yttria-stabilized zirconia and nickel ions , wherein the zirconia particles have a dispersion average particle diameter of 20 nm or less is used as an alkaline solution. Since the neutralized precipitate obtained by the addition is heat-treated, the particle distribution in the powder composed of a plurality of types of oxide particles can be improved, and the composition controllability of the particles can be improved. Therefore, it is possible to provide a composite ceramic powder that is excellent in distribution and composition controllability of a plurality of types of oxide particles, has many three-phase interfaces, and is excellent in electronic conductivity.
本発明の複合セラミックス粉体の製造方法によれば、イットリア安定化ジルコニアからなるジルコニア粒子と、ニッケルイオンと、を含有し、前記ジルコニア粒子の分散平均粒子径が20nm以下であるジルコニア酸性分散液を、アルカリ溶液に添加して中和沈殿物を生成させ、次いで、この中和沈殿物を200℃以上の温度にて熱処理するので、酸化ニッケルとジルコニアとを含有する複合セラミックス粉体を、容易かつ安価に作製することができる。
According to the method for producing a composite ceramic powder of the present invention , a zirconia acidic dispersion containing zirconia particles made of yttria-stabilized zirconia and nickel ions , wherein the zirconia particles have a dispersion average particle diameter of 20 nm or less. Then, it is added to an alkaline solution to produce a neutralized precipitate, and then this neutralized precipitate is heat-treated at a temperature of 200 ° C. or higher, so that a composite ceramic powder containing nickel oxide and zirconia can be easily and It can be manufactured at low cost.
本発明の固体酸化物形燃料電池によれば、本発明の複合セラミックス粉体を電極材料としたので、電子の発生量を増大させることができる。その結果、電子を外部回路へ効率的に供給することができ、出力特性を向上させることができる。 According to the solid oxide fuel cell of the present invention, since the composite ceramic powder of the present invention is used as an electrode material, the amount of electrons generated can be increased. As a result, electrons can be efficiently supplied to an external circuit, and output characteristics can be improved.
本発明の複合セラミックス粉体及びその製造方法並びに固体酸化物形燃料電池を実施するための最良の形態について説明する。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The best mode for carrying out the composite ceramic powder of the present invention, the production method thereof, and the solid oxide fuel cell will be described.
This embodiment is specifically described for better understanding of the gist of the invention, and does not limit the present invention unless otherwise specified.
[複合セラミックス粉体]
本実施形態の複合セラミックス粉体は、酸化ニッケルとジルコニアとを含有してなる複合セラミックス粉体であり、イットリア安定化ジルコニアからなるジルコニア粒子と、ニッケルイオンと、を含有するジルコニア酸性分散液をアルカリ溶液に添加して得られた中和沈殿物を熱処理してなる粉体である。
上記のジルコニア酸性分散液におけるジルコニア粒子の分散平均粒子径は、20nm以下であることが好ましい。
[Composite ceramic powder]
The composite ceramic powder of the present embodiment is a composite ceramic powder containing nickel oxide and zirconia, and an alkaline dispersion of zirconia acidic dispersion containing zirconia particles made of yttria-stabilized zirconia and nickel ions. It is a powder obtained by heat-treating a neutralized precipitate obtained by adding to a solution.
The dispersion average particle diameter of the zirconia particles in the zirconia acidic dispersion is preferably 20 nm or less.
この複合セラミックス粉体は、イットリア安定化ジルコニアからなるジルコニア粒子と、ニッケルイオンと、を含有するジルコニア酸性分散液を、アルカリ溶液に添加して中和沈殿物を生成させ、次いで、この中和沈殿物を200℃以上の温度にて熱処理することにより作製される。 This composite ceramic powder is obtained by adding a zirconia acidic dispersion containing zirconia particles made of yttria-stabilized zirconia and nickel ions to an alkaline solution to form a neutralized precipitate, and then this neutralized precipitate. It is manufactured by heat-treating an object at a temperature of 200 ° C. or higher.
[複合セラミックス粉体の製造方法]
本実施形態の複合セラミックス粉体の製造方法について、以下、詳細に説明する。
「ジルコニア酸性分散液の作製」
ジルコニア分散液にニッケルイオンを添加し、ジルコニア酸性分散液を作製する。
このジルコニア分散液に含まれるジルコニア粒子は、イットリア安定化ジルコニア粒子である。
このイットリア安定化ジルコニア粒子は、水熱合成法や焼成法により作製することができ、例えば、次に挙げる方法が好適である(特開2006−16236号公報参照)。
[Production method of composite ceramic powder]
Hereinafter, the method for producing the composite ceramic powder of the present embodiment will be described in detail.
"Preparation of zirconia acidic dispersion"
Nickel ions are added to the zirconia dispersion to produce a zirconia acidic dispersion.
The zirconia particles contained in this zirconia dispersion are yttria-stabilized zirconia particles.
The yttria-stabilized zirconia particles can be produced by a hydrothermal synthesis method or a firing method. For example, the following method is suitable (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-16236).
この方法は、金属塩溶液を塩基性溶液にて中和させて金属酸化物前駆体を生成させ、この金属酸化物前駆体から金属酸化物ナノ粒子を製造する方法であり、この金属塩溶液中の金属イオンまたは金属酸化物イオンの価数をm、この塩基性溶液中の水酸基のモル比をnとするとき、これらm及びnが次式
0.5<n<m ……(1)
を満たすように、金属塩溶液に塩基性溶液を加えて金属塩溶液部分中和させ、次いで、この部分中和された溶液に無機塩を加えて混合溶液とし、この混合溶液を加熱する方法である。
This method is a method of producing a metal oxide precursor by neutralizing a metal salt solution with a basic solution, and producing metal oxide nanoparticles from the metal oxide precursor. Where m is the valence of the metal ions or metal oxide ions, and n is the molar ratio of the hydroxyl groups in the basic solution, the m and n are represented by the following formula 0.5 <n <m (1)
In order to satisfy the above, a basic solution is added to the metal salt solution to partially neutralize the metal salt solution, then an inorganic salt is added to the partially neutralized solution to form a mixed solution, and the mixed solution is heated by a method of heating. is there.
この金属塩溶液としては、イットリウム(Y)塩及びジルコニウム(Zr)塩を含む水溶液が好適に用いられる。 As this metal salt solution, an aqueous solution containing an yttrium (Y) salt and a zirconium (Zr) salt is preferably used.
このイットリア安定化ジルコニアからなるジルコニア粒子の分散平均粒子径は、20nm以下であることが好ましい。
その理由は、分散平均粒子径が20nmを超えると、後工程でアルカリ溶液に加えたときに、ジルコニア粒子とニッケルとの不均一な沈殿物が生成し易くなり、その結果、分布性が悪く、組成の不均一な複合セラミックス粉体が生じる虞があるからである。
ここで、分散平均粒子径とは、分散液中の粒子がブラウン運動により拡散する速度を動的光散乱法により光学的に測定することで、この分散液における粒度分布を測定し、この粒度分布の最大値に対応する粒子径のことである。
The dispersion average particle diameter of the zirconia particles made of yttria-stabilized zirconia is preferably 20 nm or less.
The reason for this is that when the dispersion average particle diameter exceeds 20 nm, when added to the alkaline solution in the subsequent step, a non-uniform precipitate of zirconia particles and nickel is likely to be generated, resulting in poor distribution. This is because composite ceramic powder having a non-uniform composition may occur.
Here, the dispersion average particle diameter means that the particle size distribution in this dispersion is measured by optically measuring the speed at which particles in the dispersion are diffused by Brownian motion by the dynamic light scattering method. The particle diameter corresponding to the maximum value of.
次いで、このジルコニア分散液に、塩酸、硝酸、酢酸等の酸を添加し、この分散液のpH(水素イオン濃度)を4以下に調製し、ジルコニア酸性分散液とする。
ここで、pHを4以下としたのは、後工程で、ニッケル(Ni)の塩化物、硝酸塩、硫酸塩、酢酸塩等を含む水溶液を混合させた際に、ニッケルの水酸化物等の沈殿物が生じないようにするためである。
Next, an acid such as hydrochloric acid, nitric acid, and acetic acid is added to the zirconia dispersion, and the pH (hydrogen ion concentration) of the dispersion is adjusted to 4 or less to obtain a zirconia acidic dispersion.
Here, the pH was set to 4 or lower when nickel hydroxide (Ni) chloride, nitrate, sulfate, acetate, etc. were mixed in an aqueous solution in the subsequent step, and precipitation of nickel hydroxide, etc. This is to prevent things from being generated.
次いで、このジルコニア酸性分散液に、ニッケルの塩化物、硝酸塩、硫酸塩、酢酸塩等の塩を含む水溶液を添加し、イットリア安定化ジルコニアからなるジルコニア粒子と、ニッケルイオンとが共存するジルコニア酸性分散液を作製する。 Next, an aqueous solution containing a salt of nickel chloride, nitrate, sulfate, acetate or the like is added to the zirconia acidic dispersion, and zirconia acidic dispersion in which zirconia particles made of yttria-stabilized zirconia and nickel ions coexist. Make a liquid.
このジルコニア酸性分散液におけるニッケルイオンのモル百分率(M)とジルコニア粒子のモル百分率(Z)との比(M:Z)は、
M:Z=90:10〜10:90
の範囲にあることが好ましく、より好ましくは、
M:Z=80:20〜20:80
の範囲である。
The ratio (M: Z) of the molar percentage of nickel ions (M) and the molar percentage of zirconia particles (Z) in this acidic zirconia dispersion is:
M: Z = 90: 10-10: 90
Preferably, it is in the range of
M: Z = 80: 20 to 20:80
Range.
比(M:Z)を上記の範囲内とすることにより、イットリア安定化ジルコニアからなるジルコニア粒子中に酸化ニッケル(NiO)粒子が複合化された複合セラミックス粒子、あるいは、酸化ニッケル粒子中にイットリア安定化ジルコニアからなるジルコニア粒子が複合化された複合セラミックス粒子、を自由に制御作製することができる。 By making the ratio (M: Z) within the above range, composite ceramic particles in which nickel oxide (NiO) particles are compounded in zirconia particles made of yttria-stabilized zirconia, or yttria stable in nickel oxide particles. Composite ceramic particles in which zirconia particles made of zirconia are combined can be freely controlled and produced.
この比(M:Z)が上記の範囲を外れた場合、複合セラミックス粒子の表面における少量成分の粒子の露出割合が著しく低下し、したがって、三相界面量が大幅に低下し、その結果、固体酸化物形燃料電池用電極としての電気的特性も大幅に低下するので好ましくない。 When this ratio (M: Z) is out of the above range, the exposure ratio of the minor component particles on the surface of the composite ceramic particle is remarkably reduced, and therefore the three-phase interface amount is greatly reduced, resulting in solids. Since the electrical characteristics as an electrode for an oxide fuel cell are also greatly deteriorated, it is not preferable.
このジルコニア酸性分散液における、イットリア安定化ジルコニアからなるジルコニア粒子とニッケルイオンとの合計の濃度については、特に制限はないが、生産性及びハンドリング性の観点から、ジルコニア粒子とニッケルイオンとの合計が0.5質量%〜10質量%程度が好ましい。 The total concentration of zirconia particles composed of yttria-stabilized zirconia and nickel ions in this acidic zirconia dispersion is not particularly limited, but from the viewpoint of productivity and handling properties, the total of zirconia particles and nickel ions is About 0.5 mass%-10 mass% are preferable.
「中和沈殿物の生成」
上記のジルコニア酸性分散液をアルカリ溶液に添加し、中和沈殿物を生成する。
アルカリ溶液としては、水酸化ナトリウム(NaOH)、水酸化カリウム(KOH)、炭酸ナトリウム(Na2CO3)、炭酸カリウム(K2CO3)、炭酸水素ナトリウム(NaHCO3)、炭酸水素カリウム(KHCO3)、炭酸水素アンモニウム(NH4HCO3)、炭酸アンモニウム((NH4)2CO3)、アンモニア水(NH4OH)、水溶性有機アミン類の水溶液等を用いることができる。
このアルカリ溶液における濃度としては、特に制限を設けるものではないが、生産性やハンドリングの観点から0.1mol%〜5mol%の範囲が好ましい。
"Neutralized precipitate formation"
The above zirconia acidic dispersion is added to the alkaline solution to produce a neutralized precipitate.
Examples of the alkaline solution include sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), potassium carbonate (K 2 CO 3 ), sodium hydrogen carbonate (NaHCO 3 ), potassium hydrogen carbonate (KHCO). 3 ), ammonium hydrogen carbonate (NH 4 HCO 3 ), ammonium carbonate ((NH 4 ) 2 CO 3 ), aqueous ammonia (NH 4 OH), an aqueous solution of water-soluble organic amines, and the like can be used.
The concentration in the alkaline solution is not particularly limited, but is preferably in the range of 0.1 mol% to 5 mol% from the viewpoint of productivity and handling.
また、上記のジルコニア酸性分散液を添加するアルカリ溶液の量としては、ジルコニア酸性分散液を添加して中和沈殿物が生成した後の溶液のpHが6以上となるように、アルカリ溶液の量を調整する。その理由は、生成後の溶液のpHが6未満、すなわち酸性側になった場合、ニッケルイオンの中和が不十分になり、得られる複合セラミックス粉体の組成の均一性が低下するからである。
上記のジルコニア酸性分散液をアルカリ溶液に添加する際の、それぞれの溶液の温度については、常温で良く、より好ましくは1℃〜50℃の範囲である。
The amount of the alkaline solution to which the above zirconia acidic dispersion is added is such that the pH of the solution after the neutralized precipitate is formed by adding the zirconia acidic dispersion is 6 or more. Adjust. The reason is that when the pH of the solution after generation is less than 6, that is, on the acidic side, the neutralization of nickel ions becomes insufficient and the uniformity of the composition of the resulting composite ceramic powder is reduced. .
About the temperature of each solution at the time of adding said zirconia acidic dispersion to an alkaline solution, normal temperature may be sufficient, More preferably, it is the range of 1 to 50 degreeC.
「中和沈殿物の熱処理」
上記の中和沈殿物から、通常の濾過洗浄装置等を用いて、アルカリイオンやハロゲンイオン等の不純物イオンを除去し、その後、乾燥機を用いて乾燥する。
次いで、得られた乾燥物を、例えば、電気炉等を用いて、大気雰囲気中、200℃以上、好ましくは500℃以上かつ1000℃以下の最高保持温度にて熱処理することにより、酸化ニッケル粒子と、イットリア安定化ジルコニアからなるジルコニア粒子とからなる複合セラミックス粉体を作製する。
"Heat treatment of neutralized precipitate"
Impurity ions such as alkali ions and halogen ions are removed from the neutralized precipitate using a normal filtration and washing device, and then dried using a dryer.
Next, the obtained dried product is heat treated at a maximum holding temperature of 200 ° C. or higher, preferably 500 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower in an air atmosphere using an electric furnace or the like, for example. A composite ceramic powder comprising zirconia particles comprising yttria-stabilized zirconia is prepared.
ここで、熱処理の最高保持温度を200℃以上と限定した理由は、最高保持温度が200℃より低いと、酸化ニッケル粒子の生成が不十分になり、その結果、イットリア安定化ジルコニアからなるジルコニア粒子中に酸化ニッケル粒子が複合化された複合セラミックス粒子、あるいは、酸化ニッケル粒子中にイットリア安定化ジルコニアからなるジルコニア粒子が複合化された複合セラミックス粒子、を自由に制御作製することができないからである。 Here, the reason for limiting the maximum holding temperature of the heat treatment to 200 ° C. or higher is that if the maximum holding temperature is lower than 200 ° C., the generation of nickel oxide particles becomes insufficient, and as a result, zirconia particles made of yttria-stabilized zirconia. This is because composite ceramic particles in which nickel oxide particles are composited or composite ceramic particles in which zirconia particles composed of yttria-stabilized zirconia are combined in nickel oxide particles cannot be freely controlled and produced. .
この方法では、熱処理前の乾燥物は、ナノメートルサイズの微細なイットリア安定化ジルコニアからなるジルコニア粒子と酸化ニッケルの前駆体粒子とが均一に混合された状態であり、しかも、その均一に分布するジルコニア粒子が熱処理時の酸化ニッケルの融着の防止及び粒成長の防止を行う。よって、熱処理により複合セラミックス粉体中に粗大な酸化ニッケル粒子を生成する虞がなく、イットリア安定化ジルコニアからなるジルコニア粒子及び酸化ニッケル粒子共に微細な粒径の複合セラミックス粉体を作製することができる。 In this method, the dried product before the heat treatment is a state in which zirconia particles made of fine yttria-stabilized zirconia having a nanometer size and precursor particles of nickel oxide are uniformly mixed, and distributed uniformly. The zirconia particles prevent nickel oxide from fusing and prevent grain growth during heat treatment. Therefore, there is no possibility of generating coarse nickel oxide particles in the composite ceramic powder by heat treatment, and it is possible to produce a composite ceramic powder having a fine particle size together with zirconia particles made of yttria-stabilized zirconia and nickel oxide particles. .
[固体酸化物形燃料電池]
本実施形態の固体酸化物形燃料電池は、上記の複合セラミックス粉体を燃料極の電極材料としたものである。この電極材料は、電子の発生量を増大させることができるので、電子を外部回路へ効率的に供給することができ、出力特性を向上させることができる。
[Solid oxide fuel cell]
The solid oxide fuel cell of this embodiment uses the composite ceramic powder as an electrode material for the fuel electrode. Since this electrode material can increase the amount of generated electrons, electrons can be efficiently supplied to an external circuit, and output characteristics can be improved.
上記の複合セラミックス粉体を用いて、固体酸化物形燃料電池の燃料極を作製する方法としては、一般的に用いられる方法で良く、例えば、上記の複合セラミックス粉体と、ポリエチレングリコール、ポリビニルブチラール等のバインダーとを混合して得られたペーストを、イットリア安定化ジルコニアからなる固体電解質基板の表面に、印刷法等にて塗布して膜を形成した後、大気雰囲気下、1200℃〜1500℃の範囲内の温度で焼成する方法等である。 As a method for producing a fuel electrode of a solid oxide fuel cell using the above composite ceramic powder, a generally used method may be used. For example, the above composite ceramic powder, polyethylene glycol, polyvinyl butyral After the paste obtained by mixing with a binder such as yttria-stabilized zirconia is applied to the surface of a solid electrolyte substrate by a printing method or the like to form a film, it is 1200 ° C to 1500 ° C in an air atmosphere. And a method of firing at a temperature within the range.
上記の複合セラミックス粉体は、この固体酸化物形燃料電池の発電時の還元雰囲気下にて酸化ニッケルの還元金属化処理を行った場合においても、ニッケルの融着や粒成長を抑制することができる。したがって、三相界面量が多く、電子伝導性にも優れた燃料極を備えた固体酸化物形燃料電池を提供することができる。 The above composite ceramic powder suppresses nickel fusion and grain growth even when the reduction metallization treatment of nickel oxide is performed in a reducing atmosphere during power generation of the solid oxide fuel cell. it can. Therefore, it is possible to provide a solid oxide fuel cell having a fuel electrode with a large amount of three-phase interface and excellent electronic conductivity.
図1は電気化学特性評価装置を示す模式図であり、上記の固体酸化物形燃料電池の燃料極の電気特性を測定するための装置である。
図において、1はイットリア安定化ジルコニア等の電解質、2は白金(Pt)からなる参照極、3は電解質1の上面に形成されたLa0.8Sr0.2MnO3(LSM)等からなる空気極、4は参照極2の下面に形成された酸化ニッケル−イットリア安定化ジルコニア等からなる燃料極、5は空気極3及び燃料極4それぞれの上に配置された白金網、6はガラスシール、7、8は同軸的に配設され互いに径の異なるアルミナ管、9は白金線、10は乾燥空気、11は3%H2O−97%H2の組成の加湿水素ガスである。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an electrochemical characteristic evaluation apparatus, which is an apparatus for measuring the electric characteristics of the fuel electrode of the solid oxide fuel cell.
In the figure, 1 is an electrolyte such as yttria-stabilized zirconia, 2 is a reference electrode made of platinum (Pt), and 3 is made of La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 (LSM) formed on the upper surface of the electrolyte 1. The air electrode 4 is a fuel electrode made of nickel oxide-yttria stabilized zirconia or the like formed on the lower surface of the reference electrode 2, 5 is a platinum net disposed on each of the air electrode 3 and the fuel electrode 4, and 6 is a glass seal. , 7 and 8 are coaxially disposed alumina tubes having different diameters, 9 is a platinum wire, 10 is dry air, and 11 is a humidified hydrogen gas having a composition of 3% H 2 O-97% H 2 .
ここで、上記の固体酸化物形燃料電池の燃料極4の電極反応抵抗を測定するには、電解質1の上面に空気極3及び白金網5を順次取り付け、参照極2の下面に燃料極4及び白金網5を順次取り付け、空気極3に乾燥空気10を、燃料極4に加湿水素ガス11を、それぞれ供給しつつ、600℃〜800℃の温度範囲における燃料極4と参照極2との間の交流インピーダンスを空気極3を対極として測定する。 Here, in order to measure the electrode reaction resistance of the fuel electrode 4 of the solid oxide fuel cell, the air electrode 3 and the platinum net 5 are sequentially attached to the upper surface of the electrolyte 1, and the fuel electrode 4 is mounted on the lower surface of the reference electrode 2. And the platinum net 5 are sequentially attached, the dry air 10 is supplied to the air electrode 3, the humidified hydrogen gas 11 is supplied to the fuel electrode 4, and the fuel electrode 4 and the reference electrode 2 in the temperature range of 600 ° C to 800 ° C are supplied. The AC impedance is measured using the air electrode 3 as a counter electrode.
以上説明したように、本実施形態の複合セラミックス粉体によれば、イットリア安定化ジルコニアからなるジルコニア粒子、酸化ニッケル粒子、共に微細な粒径の粒子とすることができ、したがって、これらの粒子の分布性を向上させることができ、粒子の組成制御性を向上させることができる。したがって、イットリア安定化ジルコニアからなるジルコニア粒子、酸化ニッケル粒子等の複数種の酸化物粒子の分布性、組成制御性に優れ、しかも三相界面が多く、電子伝導性に優れた複合セラミックス粉体を提供することができる。 As described above, according to the composite ceramic powder of the present embodiment, both zirconia particles made of yttria-stabilized zirconia and nickel oxide particles can be made into particles having a fine particle size. The distribution can be improved, and the composition controllability of the particles can be improved. Therefore, a composite ceramic powder excellent in the distribution and composition controllability of a plurality of types of oxide particles such as zirconia particles made of yttria-stabilized zirconia and nickel oxide particles, and having many three-phase interfaces and excellent electronic conductivity. Can be provided.
本実施形態の複合セラミックス粉体の製造方法によれば、イットリア安定化ジルコニアからなるジルコニア粒子と、ニッケルイオンと、を含有するジルコニア酸性分散液を、アルカリ溶液に添加して中和沈殿物を生成させ、次いで、この中和沈殿物を200℃以上の温度にて熱処理するので、酸化ニッケル粒子と、イットリア安定化ジルコニアからなるジルコニア粒子と、を含有する微細な粒径の複合セラミックス粉体を、容易かつ安価に作製することができる。 According to the method for producing a composite ceramic powder of the present embodiment, a zirconia acidic dispersion containing zirconia particles made of yttria-stabilized zirconia and nickel ions is added to an alkaline solution to produce a neutralized precipitate. Then, since the neutralized precipitate is heat-treated at a temperature of 200 ° C. or higher, a composite ceramic powder having a fine particle size containing nickel oxide particles and zirconia particles made of yttria-stabilized zirconia, It can be produced easily and inexpensively.
本実施形態の固体酸化物形燃料電池によれば、本実施形態の複合セラミックス粉体を燃料極の電極材料としたので、燃料極における電子の発生量を増大させることができる。その結果、電子を外部回路へ効率的に供給することができ、出力特性を向上させることができる。 According to the solid oxide fuel cell of the present embodiment, since the composite ceramic powder of the present embodiment is used as the electrode material of the fuel electrode, the amount of electrons generated in the fuel electrode can be increased. As a result, electrons can be efficiently supplied to an external circuit, and output characteristics can be improved.
以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention concretely, this invention is not limited by these Examples.
「実施例1」
分散平均粒子径が7.5nmの10mol%イットリア安定化ジルコニア(10YSZ)分散液(10YSZの固形分濃度:8.4質量%、pH:4.6)50gに、硝酸ニッケル6水和物(Ni(NO3)2・6H2O)30.82gをpH3.3の希硝酸650gに溶解した硝酸ニッケル水溶液を加えて攪拌し、ニッケルイオン含有10mol%イットリア安定化ジルコニア(Ni−10YSZ)酸性分散液(pH:3.95)を作製した(分散液A−1)。
"Example 1"
To 50 g of a 10 mol% yttria-stabilized zirconia (10YSZ) dispersion having a dispersion average particle diameter of 7.5 nm (solid content concentration of 10YSZ: 8.4 mass%, pH: 4.6), nickel nitrate hexahydrate (Ni A nickel nitrate aqueous solution obtained by dissolving 30.82 g of (NO 3 ) 2 · 6H 2 O) in 650 g of dilute nitric acid having a pH of 3.3 is added and stirred, and the nickel ion-containing 10 mol% yttria stabilized zirconia (Ni-10YSZ) acidic dispersion (PH: 3.95) was prepared (dispersion A-1).
次いで、炭酸水素アンモニウム(NH4HCO3)4.19gを蒸留水133gに溶解し、炭酸水素アンモニウム水溶液(塩基性の炭酸水溶液)を作製した(水溶液B−1)。
次いで、この分散液A−1を水溶液B−1に滴下し、中和沈殿物を得た。ここでは、25質量%のアンモニア水溶液を分散液A−1と同時に水溶液B−1に滴下し、水溶液B−1のpHを8に保持した。
Next, 4.19 g of ammonium hydrogen carbonate (NH 4 HCO 3 ) was dissolved in 133 g of distilled water to prepare an aqueous ammonium hydrogen carbonate solution (basic aqueous carbonate solution) (aqueous solution B-1).
Subsequently, this dispersion A-1 was dripped at the aqueous solution B-1, and the neutralization deposit was obtained. Here, a 25 mass% aqueous ammonia solution was dropped into the aqueous solution B-1 simultaneously with the dispersion A-1, and the pH of the aqueous solution B-1 was maintained at 8.
次いで、得られた中和沈殿物を吸引濾過洗浄装置にて4回水洗して不純物イオンを除去し、次いでエタノールにて溶媒置換を行い、その後、乾燥機中、80℃にて24時間乾燥した。次いで、得られた乾燥物を乳鉢で粉砕し、電気炉にて熱処理し、酸化ニッケル−イットリア安定化ジルコニア(NiO−YSZ)の複合粉体A−1を得た。
この複合粉体A−1中のNi、Y及びZrの質量を蛍光X線分析により測定し、この測定結果に基づき酸化ニッケル(NiO)とイットリア安定化ジルコニア(YSZ)との質量比を算出した。その結果、質量比(NiO:YSZ)は65:35であった。
Next, the neutralized precipitate thus obtained was washed with water four times by a suction filtration washing device to remove impurity ions, followed by solvent substitution with ethanol, and then dried in a dryer at 80 ° C. for 24 hours. . Next, the obtained dried product was pulverized in a mortar and heat-treated in an electric furnace to obtain a composite powder A-1 of nickel oxide-yttria stabilized zirconia (NiO-YSZ).
The masses of Ni, Y, and Zr in this composite powder A-1 were measured by fluorescent X-ray analysis, and the mass ratio of nickel oxide (NiO) and yttria stabilized zirconia (YSZ) was calculated based on the measurement results. . As a result, the mass ratio (NiO: YSZ) was 65:35.
図2は、この複合粉体A−1を示す透過型電子顕微鏡(TEM)像である。
この図によれば、酸化ニッケル粒子中にイットリア安定化ジルコニア粒子が複合化されて一体化されていることが分かる。
また、この複合粉体A−1の複合化の均一性を評価するために、熱処理条件を600℃にて6時間、800℃にて6時間の2通りとし、それぞれの複合粉体の酸化ニッケル及びイットリア安定化ジルコニアの結晶子径を測定した。その結果を表1に示す。
FIG. 2 is a transmission electron microscope (TEM) image showing the composite powder A-1.
According to this figure, it can be seen that yttria-stabilized zirconia particles are combined and integrated in the nickel oxide particles.
In addition, in order to evaluate the uniformity of the composite powder A-1, the heat treatment was performed at 600 ° C. for 6 hours and at 800 ° C. for 6 hours. The crystallite size of yttria stabilized zirconia was measured. The results are shown in Table 1.
次いで、上記の複合粉体A−1を1000℃にて6時間熱処理した混合粉体1.5gを、ポリエチレングリコール(分子量:400)0.5g及びエタノール10gと共にボールミルにて混合し、次いで、この混合溶液を80℃に加温してエタノールを蒸発除去し、酸化ニッケル−イットリア安定化ジルコニアペーストを作製した。次いで、このペーストを、厚み300μmの8mol%イットリア安定化ジルコニア(8YSZ)基板上にスクリーン印刷にて塗布し、その後、1300℃にて2時間焼成し、8YSZ基板上に燃料極を形成した。 Next, 1.5 g of the mixed powder obtained by heat-treating the above composite powder A-1 at 1000 ° C. for 6 hours was mixed with 0.5 g of polyethylene glycol (molecular weight: 400) and 10 g of ethanol by a ball mill. The mixed solution was heated to 80 ° C. to evaporate and remove ethanol to prepare a nickel oxide-yttria stabilized zirconia paste. Next, this paste was applied by screen printing onto an 8 mol% yttria-stabilized zirconia (8YSZ) substrate having a thickness of 300 μm, and then fired at 1300 ° C. for 2 hours to form a fuel electrode on the 8YSZ substrate.
次いで、La0.8Sr0.2MnO3(LSM)粉体1.5gを、ポリエチレングリコール(分子量:400)0.5g及びエタノール10gと共にボールミルにて混合し、次いで、この混合溶液を80℃に加温してエタノールを蒸発除去し、LSMペーストを作製した。次いで、このLSMペーストを、厚み300μmの8mol%イットリア安定化ジルコニア(8YSZ)基板上にスクリーン印刷にて塗布し、その後、1100℃にて2時間焼成し、8YSZ基板上に空気極を形成した。さらに、この8YSZ基板の側面に白金線を巻き付け、参照極とした。 Next, 1.5 g of La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 (LSM) powder was mixed with 0.5 g of polyethylene glycol (molecular weight: 400) and 10 g of ethanol in a ball mill, and then this mixed solution was mixed at 80 ° C. To remove the ethanol by evaporation to prepare an LSM paste. Next, this LSM paste was applied by screen printing onto an 8 mol% yttria-stabilized zirconia (8YSZ) substrate having a thickness of 300 μm and then baked at 1100 ° C. for 2 hours to form an air electrode on the 8YSZ substrate. Further, a platinum wire was wound around the side surface of the 8YSZ substrate to form a reference electrode.
次いで、この燃料極の電極反応抵抗を、図1に示す電気化学特性評価装置を用いて測定した。ここでは、空気極と参照極に乾燥空気を、また燃料極に3%H2O−97%H2の組成の加湿水素ガスを、それぞれ50mL/分の流量にて供給し、空気極を対極とし、参照極−燃料極間の交流インピーダンスを測定することにより、燃料極の電極反応抵抗を評価した。なお、測定温度は600℃、800℃の2通りとし、測定周波数は10kHz〜0.1Hzとした。測定結果を表1に示す。
また、この燃料極の表面をTEM−EDXにより分析したところ、NiとY及びZrとが高密度に均一に分布する複合粒子であることが確認された。
Next, the electrode reaction resistance of the fuel electrode was measured using the electrochemical property evaluation apparatus shown in FIG. Here, dry air is supplied to the air electrode and the reference electrode, and humidified hydrogen gas having a composition of 3% H 2 O-97% H 2 is supplied to the fuel electrode at a flow rate of 50 mL / min. The electrode reaction resistance of the fuel electrode was evaluated by measuring the AC impedance between the reference electrode and the fuel electrode. The measurement temperature was 600 ° C. and 800 ° C., and the measurement frequency was 10 kHz to 0.1 Hz. The measurement results are shown in Table 1.
Further, when the surface of the fuel electrode was analyzed by TEM-EDX, it was confirmed that Ni, Y, and Zr were composite particles in which Ni, Y, and Zr were uniformly distributed at a high density.
「実施例2」
分散平均粒子径が7.5nmの10mol%イットリア安定化ジルコニア(10YSZ)分散液(10YSZの固形分濃度:8.4質量%、pH:4.6)50gに、硝酸ニッケル6水和物(Ni(NO3)2・6H2O)13.50gをpH3.3の希硝酸650gに溶解した硝酸ニッケル水溶液を加えて攪拌し、ニッケルイオン含有10mol%イットリア安定化ジルコニア(Ni−10YSZ)酸性分散液(pH:3.95)を作製した(分散液A−2)。
"Example 2"
To 50 g of a 10 mol% yttria-stabilized zirconia (10YSZ) dispersion having a dispersion average particle diameter of 7.5 nm (solid content concentration of 10YSZ: 8.4 mass%, pH: 4.6), nickel nitrate hexahydrate (Ni A nickel nitrate aqueous solution in which 13.50 g of (NO 3 ) 2 · 6H 2 O) is dissolved in 650 g of dilute nitric acid having a pH of 3.3 is added and stirred, and a nickel ion-containing 10 mol% yttria-stabilized zirconia (Ni-10YSZ) acidic dispersion (PH: 3.95) was prepared (dispersion A-2).
次いで、実施例1に準じて、炭酸水素アンモニウム(NH4HCO3)4.19gを蒸留水133gに溶解し、炭酸水素アンモニウム水溶液(塩基性の炭酸水溶液)を作製した(水溶液B−1)。
次いで、この分散液A−2を水溶液B−1に滴下し、中和沈殿物を得た。ここでは、25質量%のアンモニア水溶液を分散液A−2と同時に水溶液B−1に滴下し、水溶液B−1のpHを8に保持した。
Subsequently, according to Example 1, 4.19 g of ammonium hydrogen carbonate (NH 4 HCO 3 ) was dissolved in 133 g of distilled water to prepare an aqueous ammonium hydrogen carbonate solution (basic aqueous carbonate solution) (aqueous solution B-1).
Subsequently, this dispersion A-2 was dripped at the aqueous solution B-1, and the neutralization deposit was obtained. Here, a 25 mass% aqueous ammonia solution was dropped into the aqueous solution B-1 simultaneously with the dispersion A-2, and the pH of the aqueous solution B-1 was maintained at 8.
次いで、得られた中和沈殿物を吸引濾過洗浄装置にて4回水洗して不純物イオンを除去し、次いでエタノールにて溶媒置換を行い、その後、乾燥機中、80℃にて24時間乾燥した。次いで、得られた乾燥物を乳鉢で粉砕し、電気炉にて熱処理し、酸化ニッケル−イットリア安定化ジルコニアの複合粉体A−2を得た。
この複合粉体A−2中のNi、Y及びZrの質量を蛍光X線分析により測定し、この測定結果に基づき酸化ニッケル(NiO)とイットリア安定化ジルコニア(YSZ)との質量比を算出した。その結果、質量比(NiO:YSZ)は45:55であった。
Next, the neutralized precipitate thus obtained was washed with water four times by a suction filtration washing device to remove impurity ions, followed by solvent substitution with ethanol, and then dried in a dryer at 80 ° C. for 24 hours. . Next, the obtained dried product was pulverized in a mortar and heat-treated in an electric furnace to obtain a nickel oxide-yttria stabilized zirconia composite powder A-2.
The masses of Ni, Y and Zr in the composite powder A-2 were measured by fluorescent X-ray analysis, and the mass ratio of nickel oxide (NiO) and yttria stabilized zirconia (YSZ) was calculated based on the measurement results. . As a result, the mass ratio (NiO: YSZ) was 45:55.
また、この複合粉体A−2の複合化の均一性を評価するために、熱処理条件を600℃にて6時間、800℃にて6時間の2通りとし、それぞれの複合粉体の酸化ニッケル及びイットリア安定化ジルコニアの結晶子径を測定した。その結果を表1に示す。 In addition, in order to evaluate the uniformity of the composite powder A-2, the heat treatment conditions were set at two temperatures of 600 ° C. for 6 hours and 800 ° C. for 6 hours. The crystallite size of yttria stabilized zirconia was measured. The results are shown in Table 1.
次いで、上記の複合粉体A−2を1000℃にて6時間熱処理した混合粉体1.5gを、ポリエチレングリコール(分子量:400)0.5g及びエタノール10gと共にボールミルにて混合し、次いで、この混合溶液を80℃に加温してエタノールを蒸発除去し、酸化ニッケル−イットリア安定化ジルコニアペーストを作製した。次いで、このペーストを、厚み300μmの8mol%イットリア安定化ジルコニア(8YSZ)基板上にスクリーン印刷にて塗布し、その後、1300℃にて2時間焼成し、8YSZ基板上に燃料極を形成した。 Next, 1.5 g of the mixed powder obtained by heat-treating the above composite powder A-2 at 1000 ° C. for 6 hours was mixed with 0.5 g of polyethylene glycol (molecular weight: 400) and 10 g of ethanol by a ball mill. The mixed solution was heated to 80 ° C. to evaporate and remove ethanol to prepare a nickel oxide-yttria stabilized zirconia paste. Next, this paste was applied by screen printing onto an 8 mol% yttria-stabilized zirconia (8YSZ) substrate having a thickness of 300 μm, and then fired at 1300 ° C. for 2 hours to form a fuel electrode on the 8YSZ substrate.
次いで、La0.8Sr0.2MnO3(LSM)粉体1.5gを、ポリエチレングリコール(分子量:400)0.5g及びエタノール10gと共にボールミルにて混合し、次いで、この混合溶液を80℃に加温してエタノールを蒸発除去し、LSMペーストを作製した。次いで、このLSMペーストを、厚み300μmの8mol%イットリア安定化ジルコニア(8YSZ)基板上にスクリーン印刷にて塗布し、その後、1100℃にて2時間焼成し、8YSZ基板上に空気極を形成した。さらに、この8YSZ基板の側面に白金線を巻き付け、参照極とした。 Next, 1.5 g of La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 (LSM) powder was mixed with 0.5 g of polyethylene glycol (molecular weight: 400) and 10 g of ethanol in a ball mill, and then this mixed solution was mixed at 80 ° C. To remove the ethanol by evaporation to prepare an LSM paste. Next, this LSM paste was applied by screen printing onto an 8 mol% yttria-stabilized zirconia (8YSZ) substrate having a thickness of 300 μm and then baked at 1100 ° C. for 2 hours to form an air electrode on the 8YSZ substrate. Further, a platinum wire was wound around the side surface of the 8YSZ substrate to form a reference electrode.
次いで、この燃料極の電極反応抵抗を、図1に示す電気化学特性評価装置を用いて測定した。ここでは、空気極と参照極に乾燥空気を、また燃料極に3%H2O−97%H2の組成の加湿水素ガスを、それぞれ50mL/分の流量にて供給し、空気極を対極とし、参照極−燃料極間の交流インピーダンスを測定することにより、燃料極の電極反応抵抗を評価した。なお、測定温度は600℃、800℃の2通りとし、測定周波数は10kHz〜0.1Hzとした。測定結果を表1に示す。
また、この燃料極の表面をTEM−EDXにより分析したところ、NiとY及びZrとが高密度に均一に分布する複合粒子であることが確認された。
Next, the electrode reaction resistance of the fuel electrode was measured using the electrochemical property evaluation apparatus shown in FIG. Here, dry air is supplied to the air electrode and the reference electrode, and humidified hydrogen gas having a composition of 3% H 2 O-97% H 2 is supplied to the fuel electrode at a flow rate of 50 mL / min. The electrode reaction resistance of the fuel electrode was evaluated by measuring the AC impedance between the reference electrode and the fuel electrode. The measurement temperature was 600 ° C. and 800 ° C., and the measurement frequency was 10 kHz to 0.1 Hz. The measurement results are shown in Table 1.
Further, when the surface of the fuel electrode was analyzed by TEM-EDX, it was confirmed that Ni, Y, and Zr were composite particles in which Ni, Y, and Zr were uniformly distributed at a high density.
「実施例3」
分散平均粒子径が7.5nmの10mol%イットリア安定化ジルコニア(10YSZ)分散液(10YSZの固形分濃度:8.4質量%、pH:4.6)50gに、硝酸ニッケル6水和物(Ni(NO3)2・6H2O)75.00gをpH3.3の希硝酸650gに溶解した硝酸ニッケル水溶液を加えて攪拌し、ニッケルイオン含有10mol%イットリア安定化ジルコニア(Ni−10YSZ)酸性分散液(pH:3.95)を作製した(分散液A−3)。
"Example 3"
To 50 g of a 10 mol% yttria-stabilized zirconia (10YSZ) dispersion having a dispersion average particle diameter of 7.5 nm (solid content concentration of 10YSZ: 8.4 mass%, pH: 4.6), nickel nitrate hexahydrate (Ni An aqueous nickel nitrate solution prepared by dissolving 75.00 g of (NO 3 ) 2 · 6H 2 O in 650 g of dilute nitric acid having a pH of 3.3 is added and stirred, and a nickel ion-containing 10 mol% yttria-stabilized zirconia (Ni-10YSZ) acidic dispersion (PH: 3.95) was prepared (dispersion A-3).
次いで、実施例1に準じて、炭酸水素アンモニウム(NH4HCO3)4.19gを蒸留水133gに溶解し、炭酸水素アンモニウム水溶液(塩基性の炭酸水溶液)を作製した(水溶液B−1)。
次いで、この分散液A−3を水溶液B−1に滴下し、中和沈殿物を得た。ここでは、25質量%のアンモニア水溶液を分散液A−3と同時に水溶液B−1に滴下し、水溶液B−1のpHを8に保持した。
Subsequently, according to Example 1, 4.19 g of ammonium hydrogen carbonate (NH 4 HCO 3 ) was dissolved in 133 g of distilled water to prepare an aqueous ammonium hydrogen carbonate solution (basic aqueous carbonate solution) (aqueous solution B-1).
Subsequently, this dispersion A-3 was dripped at the aqueous solution B-1, and the neutralization deposit was obtained. Here, a 25 mass% aqueous ammonia solution was dropped into the aqueous solution B-1 simultaneously with the dispersion A-3, and the pH of the aqueous solution B-1 was maintained at 8.
次いで、得られた中和沈殿物を吸引濾過洗浄装置にて4回水洗して不純物イオンを除去し、次いでエタノールにて溶媒置換を行い、その後、乾燥機中、80℃にて24時間乾燥した。次いで、得られた乾燥物を乳鉢で粉砕し、電気炉にて熱処理し、酸化ニッケル−イットリア安定化ジルコニア(NiO−YSZ)の複合粉体A−3を得た。
この複合粉体A−3中のNi、Y及びZrの質量を蛍光X線分析により測定し、この測定結果に基づき酸化ニッケル(NiO)とイットリア安定化ジルコニア(YSZ)との質量比を算出した。その結果、質量比(NiO:YSZ)は82:18であった。
Next, the neutralized precipitate thus obtained was washed with water four times by a suction filtration washing device to remove impurity ions, followed by solvent substitution with ethanol, and then dried in a dryer at 80 ° C. for 24 hours. . Next, the obtained dried product was pulverized in a mortar and heat-treated in an electric furnace to obtain a composite powder A-3 of nickel oxide-yttria stabilized zirconia (NiO-YSZ).
The masses of Ni, Y and Zr in the composite powder A-3 were measured by fluorescent X-ray analysis, and the mass ratio of nickel oxide (NiO) and yttria stabilized zirconia (YSZ) was calculated based on the measurement results. . As a result, the mass ratio (NiO: YSZ) was 82:18.
また、この複合粉体A−3の複合化の均一性を評価するために、熱処理条件を600℃にて6時間、800℃にて6時間の2通りとし、それぞれの複合粉体の酸化ニッケル及びイットリア安定化ジルコニアの結晶子径を測定した。その結果を表1に示す。 Further, in order to evaluate the uniformity of the composite powder A-3, the heat treatment conditions were 600 ° C. for 6 hours and 800 ° C. for 6 hours, and nickel oxide of each composite powder. The crystallite size of yttria stabilized zirconia was measured. The results are shown in Table 1.
次いで、上記の複合粉体A−3を1000℃にて6時間熱処理した混合粉体1.5gを、ポリエチレングリコール(分子量:400)0.5g及びエタノール10gと共にボールミルにて混合し、次いで、この混合溶液を80℃に加温してエタノールを蒸発除去し、酸化ニッケル−イットリア安定化ジルコニアペーストを作製した。次いで、このペーストを、厚み300μmの8mol%イットリア安定化ジルコニア(8YSZ)基板上にスクリーン印刷にて塗布し、その後、1300℃にて2時間焼成し、8YSZ基板上に燃料極を形成した。 Next, 1.5 g of the mixed powder obtained by heat treating the composite powder A-3 at 1000 ° C. for 6 hours was mixed with 0.5 g of polyethylene glycol (molecular weight: 400) and 10 g of ethanol by a ball mill, The mixed solution was heated to 80 ° C. to evaporate and remove ethanol to prepare a nickel oxide-yttria stabilized zirconia paste. Next, this paste was applied by screen printing onto an 8 mol% yttria-stabilized zirconia (8YSZ) substrate having a thickness of 300 μm, and then fired at 1300 ° C. for 2 hours to form a fuel electrode on the 8YSZ substrate.
次いで、La0.8Sr0.2MnO3(LSM)粉体1.5gを、ポリエチレングリコール(分子量:400)0.5g及びエタノール10gと共にボールミルにて混合し、次いで、この混合溶液を80℃に加温してエタノールを蒸発除去し、LSMペーストを作製した。次いで、このLSMペーストを、厚み300μmの8mol%イットリア安定化ジルコニア(8YSZ)基板上にスクリーン印刷にて塗布し、その後、1100℃にて2時間焼成し、8YSZ基板上に空気極を形成した。さらに、この8YSZ基板の側面に白金線を巻き付け、参照極とした。 Next, 1.5 g of La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 (LSM) powder was mixed with 0.5 g of polyethylene glycol (molecular weight: 400) and 10 g of ethanol in a ball mill, and then this mixed solution was mixed at 80 ° C. To remove the ethanol by evaporation to prepare an LSM paste. Next, this LSM paste was applied by screen printing onto an 8 mol% yttria-stabilized zirconia (8YSZ) substrate having a thickness of 300 μm and then baked at 1100 ° C. for 2 hours to form an air electrode on the 8YSZ substrate. Further, a platinum wire was wound around the side surface of the 8YSZ substrate to form a reference electrode.
次いで、この燃料極の電極反応抵抗を、図1に示す電気化学特性評価装置を用いて測定した。ここでは、空気極と参照極に乾燥空気を、また燃料極に3%H2O−97%H2の組成の加湿水素ガスを、それぞれ50mL/分の流量にて供給し、空気極を対極とし、参照極−燃料極間の交流インピーダンスを測定することにより、燃料極の電極反応抵抗を評価した。なお、測定温度は600℃、800℃の2通りとし、測定周波数は10kHz〜0.1Hzとした。測定結果を表1に示す。
また、この燃料極の表面をTEM−EDXにより分析したところ、NiとY及びZrとが高密度に均一に分布する複合粒子であることが確認された。
Next, the electrode reaction resistance of the fuel electrode was measured using the electrochemical property evaluation apparatus shown in FIG. Here, dry air is supplied to the air electrode and the reference electrode, and humidified hydrogen gas having a composition of 3% H 2 O-97% H 2 is supplied to the fuel electrode at a flow rate of 50 mL / min. The electrode reaction resistance of the fuel electrode was evaluated by measuring the AC impedance between the reference electrode and the fuel electrode. The measurement temperature was 600 ° C. and 800 ° C., and the measurement frequency was 10 kHz to 0.1 Hz. The measurement results are shown in Table 1.
Further, when the surface of the fuel electrode was analyzed by TEM-EDX, it was confirmed that Ni, Y, and Zr were composite particles in which Ni, Y, and Zr were uniformly distributed at a high density.
「比較例」
10mol%イットリア安定化ジルコニア粉末 TZ−10Y(東ソー(株)社製)8.4gをpH3.3の希硝酸41.6gに加え、超音波ホモジナイザを用いて分散させ、分散液を作製した。この分散液中のイットリア安定化ジルコニア粉末の分散平均粒子径は、120nmであった。
次いで、この分散液に、硝酸ニッケル6水和物(Ni(NO3)2・6H2O)30.82gをpH3.3の希硝酸650gに溶解した硝酸ニッケル水溶液を加えて攪拌し、ニッケルイオン含有10mol%イットリア安定化ジルコニア(Ni−10YSZ)酸性分散液(pH:3.95)を作製した(分散液A−4)。
"Comparative example"
8.4 g of 10 mol% yttria-stabilized zirconia powder TZ-10Y (manufactured by Tosoh Corporation) was added to 41.6 g of dilute nitric acid having a pH of 3.3 and dispersed using an ultrasonic homogenizer to prepare a dispersion. The dispersion average particle diameter of the yttria-stabilized zirconia powder in this dispersion was 120 nm.
Next, an aqueous nickel nitrate solution prepared by dissolving 30.82 g of nickel nitrate hexahydrate (Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O) in 650 g of dilute nitric acid having a pH of 3.3 was added to this dispersion, followed by stirring. A 10 mol% yttria-stabilized zirconia (Ni-10YSZ) acidic dispersion (pH: 3.95) was prepared (dispersion A-4).
次いで、実施例1に準じて、炭酸水素アンモニウム(NH4HCO3)4.19gを蒸留水133gに溶解し、炭酸水素アンモニウム水溶液(塩基性の炭酸水溶液)を作製した(水溶液B−1)。
次いで、この分散液A−4を水溶液B−1に滴下し、中和沈殿物を得た。ここでは、25質量%のアンモニア水溶液を分散液A−4と同時に水溶液B−1に滴下し、水溶液B−1のpHを8に保持した。
Subsequently, according to Example 1, 4.19 g of ammonium hydrogen carbonate (NH 4 HCO 3 ) was dissolved in 133 g of distilled water to prepare an aqueous ammonium hydrogen carbonate solution (basic aqueous carbonate solution) (aqueous solution B-1).
Subsequently, this dispersion A-4 was dripped at the aqueous solution B-1, and the neutralization deposit was obtained. Here, a 25 mass% aqueous ammonia solution was dropped into the aqueous solution B-1 simultaneously with the dispersion A-4, and the pH of the aqueous solution B-1 was maintained at 8.
次いで、得られた中和沈殿物を吸引濾過洗浄装置にて4回水洗して不純物イオンを除去し、次いでエタノールにて溶媒置換を行い、その後、乾燥機中、80℃にて24時間乾燥した。次いで、得られた乾燥物を乳鉢で粉砕し、電気炉にて熱処理し、酸化ニッケル−イットリア安定化ジルコニア(NiO−YSZ)の複合粉体A−4を得た。
この複合粉体A−4中のNi、Y及びZrの質量を蛍光X線分析により測定し、この測定結果に基づき酸化ニッケル(NiO)とイットリア安定化ジルコニア(YSZ)との質量比を算出した。その結果、質量比(NiO:YSZ)は65:35であった。
Next, the neutralized precipitate thus obtained was washed with water four times by a suction filtration washing device to remove impurity ions, followed by solvent substitution with ethanol, and then dried in a dryer at 80 ° C. for 24 hours. . Next, the obtained dried product was pulverized in a mortar and heat-treated in an electric furnace to obtain a composite powder A-4 of nickel oxide-yttria stabilized zirconia (NiO-YSZ).
The masses of Ni, Y and Zr in the composite powder A-4 were measured by fluorescent X-ray analysis, and the mass ratio of nickel oxide (NiO) and yttria stabilized zirconia (YSZ) was calculated based on the measurement results. . As a result, the mass ratio (NiO: YSZ) was 65:35.
また、この複合粉体A−4の複合化の均一性を評価するために、熱処理条件を600℃にて6時間、800℃にて6時間の2通りとし、それぞれの複合粉体の酸化ニッケル及びイットリア安定化ジルコニアの結晶子径を測定した。その結果を表1に示す。 In addition, in order to evaluate the uniformity of the composite powder A-4, the heat treatment conditions were set at two temperatures of 600 ° C. for 6 hours and 800 ° C. for 6 hours. The crystallite size of yttria stabilized zirconia was measured. The results are shown in Table 1.
次いで、上記の複合粉体A−4を1000℃にて6時間熱処理した混合粉体1.5gを、ポリエチレングリコール(分子量:400)0.5g及びエタノール10gと共にボールミルにて混合し、次いで、この混合溶液を80℃に加温してエタノールを蒸発除去し、酸化ニッケル−イットリア安定化ジルコニアペーストを作製した。次いで、このペーストを、厚み300μmの8mol%イットリア安定化ジルコニア(8YSZ)基板上にスクリーン印刷にて塗布し、その後、1300℃にて2時間焼成し、8YSZ基板上に燃料極を形成した。 Next, 1.5 g of the mixed powder obtained by heat-treating the above composite powder A-4 at 1000 ° C. for 6 hours was mixed with 0.5 g of polyethylene glycol (molecular weight: 400) and 10 g of ethanol by a ball mill. The mixed solution was heated to 80 ° C. to evaporate and remove ethanol to prepare a nickel oxide-yttria stabilized zirconia paste. Next, this paste was applied by screen printing onto an 8 mol% yttria-stabilized zirconia (8YSZ) substrate having a thickness of 300 μm, and then fired at 1300 ° C. for 2 hours to form a fuel electrode on the 8YSZ substrate.
次いで、La0.8Sr0.2MnO3(LSM)粉体1.5gを、ポリエチレングリコール(分子量:400)0.5g及びエタノール10gと共にボールミルにて混合し、次いで、この混合溶液を80℃に加温してエタノールを蒸発除去し、LSMペーストを作製した。次いで、このLSMペーストを、厚み300μmの8mol%イットリア安定化ジルコニア(8YSZ)基板上にスクリーン印刷にて塗布し、その後、1100℃にて2時間焼成し、8YSZ基板上に空気極を形成した。さらに、この8YSZ基板の側面に白金線を巻き付け、参照極とした。 Next, 1.5 g of La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 (LSM) powder was mixed with 0.5 g of polyethylene glycol (molecular weight: 400) and 10 g of ethanol in a ball mill, and then this mixed solution was mixed at 80 ° C. To remove the ethanol by evaporation to prepare an LSM paste. Next, this LSM paste was applied by screen printing onto an 8 mol% yttria-stabilized zirconia (8YSZ) substrate having a thickness of 300 μm and then baked at 1100 ° C. for 2 hours to form an air electrode on the 8YSZ substrate. Further, a platinum wire was wound around the side surface of the 8YSZ substrate to form a reference electrode.
次いで、この燃料極の電極反応抵抗を、図1に示す電気化学特性評価装置を用いて測定した。ここでは、空気極と参照極に乾燥空気を、また燃料極に3%H2O−97%H2の組成の加湿水素ガスを、それぞれ50mL/分の流量にて供給し、空気極を対極とし、参照極−燃料極間の交流インピーダンスを測定することにより、燃料極の電極反応抵抗を評価した。なお、測定温度は600℃、800℃の2通りとし、測定周波数は10kHz〜0.1Hzとした。測定結果を表1に示す。 Next, the electrode reaction resistance of the fuel electrode was measured using the electrochemical property evaluation apparatus shown in FIG. Here, dry air is supplied to the air electrode and the reference electrode, and humidified hydrogen gas having a composition of 3% H 2 O-97% H 2 is supplied to the fuel electrode at a flow rate of 50 mL / min. The electrode reaction resistance of the fuel electrode was evaluated by measuring the AC impedance between the reference electrode and the fuel electrode. The measurement temperature was 600 ° C. and 800 ° C., and the measurement frequency was 10 kHz to 0.1 Hz. The measurement results are shown in Table 1.
本発明の複合セラミックス粉体は、イットリア安定化ジルコニアからなるジルコニア粒子と、ニッケルイオンと、を含有するジルコニア酸性分散液をアルカリ溶液に添加して中和沈殿物を生成し、この中和沈殿物を熱処理することにより、複数種の酸化物粒子の分布性、組成制御性に優れ、しかも三相界面が多く、電子伝導性に優れた、酸化ニッケルとジルコニアとを含有してなる複合セラミックス粉体としたものであるから、固体酸化物形燃料電池及びそれに関するさまざまな工業分野においてもその利用可能性は大である。 The composite ceramic powder of the present invention is produced by adding a zirconia acidic dispersion containing zirconia particles made of yttria-stabilized zirconia and nickel ions to an alkaline solution to produce a neutralized precipitate. Is a composite ceramic powder containing nickel oxide and zirconia that is excellent in the distribution and composition controllability of multiple types of oxide particles, has many three-phase interfaces, and has excellent electronic conductivity. Therefore, the applicability is also great in the solid oxide fuel cell and various industrial fields related thereto.
1 電解質
2 参照極
3 空気極
4 燃料極
5 白金網
6 ガラスシール
7、8 アルミナ管
9 白金線
10 乾燥空気
11 加湿水素ガス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolyte 2 Reference electrode 3 Air electrode 4 Fuel electrode 5 Platinum net 6 Glass seal 7, 8 Alumina tube 9 Platinum wire 10 Dry air 11 Humidified hydrogen gas
Claims (5)
イットリア安定化ジルコニアからなるジルコニア粒子と、ニッケルイオンと、を含有し、前記ジルコニア粒子の分散平均粒子径が20nm以下であるジルコニア酸性分散液をアルカリ溶液に添加して得られた中和沈殿物を熱処理してなることを特徴とする複合セラミックス粉体。 A composite ceramic powder containing nickel oxide and zirconia,
A neutralized precipitate obtained by adding a zirconia acidic dispersion containing zirconia particles composed of yttria-stabilized zirconia and nickel ions and having a dispersion average particle diameter of 20 nm or less to an alkaline solution. A composite ceramic powder obtained by heat treatment.
M:Z=90:10〜10:90の範囲にあることを特徴とする請求項3記載の複合セラミックス粉体の製造方法。 The ratio (M: Z) of the molar percentage (M) of the nickel ions and the molar percentage (Z) of the zirconia particles in the zirconia acidic dispersion is:
The method for producing a composite ceramic powder according to claim 3, wherein M: Z is in the range of 90:10 to 10:90.
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