JP2007001786A - 積層体の焼成方法および積層体の焼成治具 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミック基板などの多孔質基板と緻密薄膜とからなる積層体を高温で一体焼成する場合には、積層体とセッターとの間隔、積層体の配置方法を最適化する必要があり、従来方法では一体焼成する場合に歩留まりが悪くなる、といった問題点がある。従って、積層体を高温で一体焼成する場合に、歩留まり良く積層体を製造する方法を提供する。
【解決手段】セッター２とセッター３とをスペーサ４によって連結し、基板５とセッター３との間に焼成前の基板５の厚さｔ２に対して５％から４０％に相当する隙間ｔ１を設けて基板５を配置し、基板５を焼成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は積層体の焼成方法および積層体の焼成治具に関するものである。

セラミックス基板を焼成する焼成治具において、セラミックス基板の反りをなくすために基板を加圧して焼成する方法が用いられていた。しかし、焼成中の加圧によってセラミックス基板が破損することや、焼成後のセラミックス基板の残留応力が大きくなり、セラミックス基板の機械強度を低下させるといった問題があった。

この問題を解決するために、セラミックス基板を焼成する焼成治具間にスペーサを設け、スペーサによりセラミックス基板と焼成治具との間に所定間隔を設けて配置し、セラミックス基板とスペーサの熱膨張・収縮を略同一とすることにより、セラミックス基板と焼成治具との所定間隔を一定に保ちセラミックス基板の反りを低減し、セラミックス基板の焼成中の破損、および機械強度を向上させるものが、特許文献１に開示されている。
特開平１０−２４２６４５号公報

しかし、セラミックス基板などの多孔質基板と緻密薄膜とからなる積層体を高温で一体焼成する場合には、積層体とセッターとの間隔、積層体の配置方法を最適化する必要があり、上記方法では積層体を高温で一体焼成する場合に歩留まりが悪くなる、といった問題点がある。

本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、積層体を高温で一体焼成する場合に、歩留まり良く焼成することを目的とする。

本発明では、積層体の焼成方法、または焼成治具であり、第１のセッターと、第１のセッターと向かい合う第２のセッターと、第１のセッターと第２のセッターとを連結するスペーサと、を備え、多孔質基板と緻密薄膜とからなる積層体を、第２のセッターに向かい合う積層体と第２のセッターとの間に積層体の厚さに対して５％から４０％に相当する隙間を設けて配置し、積層体を焼成する。更には、緻密薄膜を第１のセッターと当接して配置し、積層体を焼成する。

本発明によると、積層体の表面と第２のセッターとの間に、積層体の厚さに対して５％から４０％に相当する隙間を設けて配置すること、および緻密薄膜を第１のセッターと当接するように配置することにより、反りを低減し、歩留まり良く積層体を製造することができる。

本発明の実施形態の焼成治具１について図１の概略構成図を用いて説明する。

この実施形態の焼成治具１は、基板（積層体）５を配置するセッター（第１のセッター）２と、セッター２と向かい合うセッター（第２のセッター）３と、セッター２とセッター３との間に設けられ、セッター２とセッター３と連結するスペーサ４と、を備える。

セッター２、３は、セラミックスを用いる。セラミックスの材料としては、例えばコージェエライト、ムライト、アルミナ、ジルコニアを用いる。なお、これらの材料に限定されることはない。また、セッター２、３は基板５の焼成温度、例えば１４００℃において基板５と化学反応を起こさない材料とすることが望ましい。セッター２とセッター３とを異なる材料としてもよい。

スペーサ４は、例えばアルミナ、ジルコニアを用いる。スペーサ４によってセッター２とセッター３との距離、つまり基板５とセッター３との距離を設定する。この実施形態ではセッター３に向かい合う基板５の表面とセッター３との間に隙間ｔ１が生じるようにスペーサ４の高さを設定する。セッター３に向かい合う基板５の表面とセッター３との間の隙間ｔ１は、焼成前の基板５の厚さｔ２の５％から４０％に相当する隙間とする。

基板５は、多孔質基板５ａと、多孔質基板５ａの表面に形成する緻密薄膜５ｂと、を積層して構成する。

多孔質基板５ａは、セラミックスであり、例えばＮｉ−ＹＳＺなどのサーメット材料、ＮｉＯ−ＹＳＺ、ランタン−コバルタイトなどの酸化物である。多孔質基板５ａの厚さは０．１ｍｍから２ｍｍ程度とし、焼成後の気孔率は５％から９５％である。多孔質基板５ａは複数の種類の材料を積層した多孔質層から構成してもよい。

緻密薄膜５ｂは、セラミックスであり、例えば部分安定化ジルコニア、セリア系固溶体、ペロブスカイト型酸化物である。緻密薄膜５ｂの厚さは０．１μｍから３０μｍである。緻密薄膜５ｂは複数の種類の薄膜を積層した多層膜から構成してもよい。

基板５を焼成する場合には、セッター２と緻密薄膜５ｂとが接するように基板５を配置し、またスペーサ４によって多孔質基板５ａとセッター３との間に焼成前の基板５の厚さｔ２の５％から４０％に相当する隙間ｔ１を設ける。そして、焼成治具１を１４００℃に加熱し、基板５を焼成する。これによって多孔質基板５ａと緻密薄膜５ｂとはそれぞれ焼結する。また、多孔質基板５ａと緻密薄膜５ｂとが共焼結する。

緻密薄膜５ｂをセッター２と当接して配置し、多孔質基板５ａとセッター３との間に隙間ｔ１を設けることで、多孔質基板５ａとセッター２との接触を防止し、またセッター３との接触を抑制するので、高温で焼成した場合でもセッター２、３と多孔質基板５ａとの反応による歪な変形を防止することができる。また、多孔質基板５ａとセッター２、３とが固着し、基板５の収縮が阻害されることを防止しすることができ、緻密薄膜５ｂの緻密化を行うことができる。

基板５を焼成する場合に、多孔質基板５ａとセッター３との隙間ｔ１が大き過ぎると、基板５の反りが大きくなり、特に多孔質基板５ａと緻密薄膜５ｂとの収縮率が異なる場合には、収縮率の差によって反りが大きくなり、歩留まりが悪くなる。

また、多孔質基板５ａとセッター３との隙間ｔ１が小さ過ぎると、焼成時の焼結によって反りが基板５に発生した場合に、基板５とセッター３とが直ぐに接触する。これにより基板５にはセッター３から荷重が掛かり、緻密薄膜５ｂの収縮が抑制され、緻密薄膜５ｂが完全に緻密化しないおそれがある。そのため多孔質基板５ａとセッター３との隙間ｔ１が小さい過ぎる場合にも、歩留まりが悪くなる。

この実施形態では、多孔質基板５ａとセッター３との間の隙間ｔ１を焼成前の基板５の厚さｔ２の５％から４０％に相当する距離とすることにより、反りを抑制した基板５を歩留まり良く製造することができる。

基板５は例えば燃料極支持型の固体酸化物型燃料電池に利用することができ、この場合、多孔質基板５ａを燃料極とし、緻密薄膜５ｂを電解質膜とする。また、緻密薄膜５ｂを多層膜として、電解質膜と中間層とを構成してもよい。中間層としてはセリア系固溶体などを用いる。なお、中間層を緻密薄膜５ｂとせずに、多孔質膜としてもよい。この実施形態の基板５を燃料極支持型の固体酸化物型燃料電池に用いると、固体酸化物形燃料電池の反りを抑え、固体酸化物形燃料電池を小型にすることができる。また、緻密な電解質膜を形成することができるので、出力密度の高い固体酸化物形燃料電池を得ることができる。

以下において、本発明について実施例を用いて詳しく説明するが、以下に説明する実施例に限られることはない。

（第１実施例）
多孔質基板５ａとして厚さ１ｍｍ、直径３７ｍｍのＮｉＯ−８ＹＳＺを用い、基板の一方の面に緻密薄膜５ｂ（電解質膜）として８ＹＳＺを印刷塗布し、さらに緻密薄膜５ｂの表面にＳＤＣ中間層を印刷塗布し、基板５を焼成治具１に配置する。焼成治具１のスペーサ４の高さは１．１ｍｍである。そして、焼成治具１を１４００℃で７．５時間焼成し、基板５を焼結する。

これにより、厚さが０．９５ｍｍ、反りが０．１５ｍｍ、直径が３０ｍｍの基板５を得た。第１実施例の製造歩留まりは９５％以上である。

（比較例）
多孔質基板として厚さ１ｍｍ、直径３７ｍｍのＮｉＯ−８ＹＳＺを用い、基板の一方の面に緻密薄膜（電解質膜）として８ＹＳＺを印刷塗布し、さらに緻密薄膜の表面にＳＤＣ中間層を印刷塗布し、基板を焼成治具に配置する。そして基板を２枚のセッターで挟持しその後１４００℃で７．５時間焼成し、基板を焼結する。つまり、比較例では基板とセッターとの間に隙間を設けずに小さい荷重を基板に掛けて焼成する。比較例では２枚のセッターによって基板には５ｇ／ｃｍ２の荷重が基板５にかかる。

これにより、厚さが０．９５ｍｍ、反りが０から０．１５ｍｍ、直径が３０ｍｍの基板を得た。しかし、基板とセッターとの間に隙間を設けていないので、比較例の製造歩留まりが約５０％であった。

本発明の第１実施形態の効果について説明する。

この実施形態では、多孔質基板５ａと緻密薄膜５ｂとを積層した基板５を焼成する場合に、多孔質基板５ａとセッター３との間に焼成前の基板５の厚さｔ２の５％から４０％に相当する隙間ｔ１を設ける。これによって、基板５の焼成中の加圧による割れ、歪な変形、残留応力、反り量を小さくし、緻密薄膜５ｂを十分に緻密化することができ、基板５の歩留まりを良くすることができる。

また、多孔質基板５ａをセッター２と当接させずに焼成することで、多孔質基板５ａとセッター２とによる化学反応を防止し、また多孔質基板５ａとセッター２との固着を防止することができる。これにより、緻密薄膜の緻密化に必要な、多孔質基板５の収縮が阻害されることがなく、緻密薄膜５ｂの緻密化を行うことができ、基板５の歩留まりを良くすることができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

燃料極支持型の固体電解質型燃料電池などに利用することができる。

本発明の実施形態の焼成治具の概略構成図である。

符号の説明

１ 焼成治具
２ セッター（第１のセッター）
３ セッター（第２のセッター）
４ スペーサ
５ 基板（積層体）
５ａ 多孔質基板
５ｂ 緻密薄膜

Claims (4)

1. 第１のセッターと、
   前記第１のセッターと向かい合う第２のセッターと、
   前記第１のセッターと前記第２のセッターとを連結するスペーサと、を備え、
   多孔質基板と緻密薄膜とからなる積層体を、前記第２のセッターに向かい合う前記積層体と前記第２のセッターとの間に前記積層体の厚さに対して５％から４０％に相当する隙間を設けて配置し、前記積層体を焼成することを特徴とする積層体の焼成方法。
2. 前記積層体は、前記緻密薄膜を前記第１のセッターに当接して配置することを特徴とする請求項１に記載の積層体の焼成方法。
3. 請求項１または２に記載の積層体の焼成方法によって製造された積層体を備え、
   前記多孔質基板が電極であり、
   前記緻密薄膜が電解質であることを特徴とする燃料電池。
4. 第１のセッターと、
   前記第１のセッターと向かい合う第２のセッターと、
   前記第１のセッターと前記第２のセッターとを連結するスペーサと、を備え、
   多孔質基板と緻密薄膜とからなる積層体を、前記第２のセッターに向かい合う前記積層体と前記第２のセッターとの間に前記積層体の厚さに対して５％から４０％に相当する隙間を設けて配置し、前記積層体を焼成することを特徴とする積層体の焼成治具。

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