JP2008123831A - Slurry composition for forming electrolyte holding plate, green sheet for forming electrolyte holding plate, electrolyte holding plate using them, and manufacturing method of them - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)などの燃料電池に用いられる電解質保持板を製造するための電解質保持板形成用スラリー組成物、電解質保持板形成用グリーンシート及びこれらを用いた電解質保持板並びにこれらの製造方法に関する。 The present invention relates to a slurry composition for forming an electrolyte holding plate for producing an electrolyte holding plate used in a fuel cell such as a molten carbonate fuel cell (MCFC), a green sheet for forming an electrolyte holding plate, and an electrolyte using these The present invention relates to a holding plate and a manufacturing method thereof.
溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)は、リチウムアルミネート(LiAlO2)電解質保持板に、炭酸リチウム(Li2CO3)と炭酸ナトリウム(Na2CO3)もしくは炭酸カリウム(K2CO3)を溶融含浸させた電解質板、多孔質ニッケルで形成されたアノード、多孔質酸化ニッケルで形成されたカソード、各電極に反応ガスを供給するアノードガス流路室及びカソード流路室などで構成され、約650℃の動作温度で電気エネルギーを発生する。 In the molten carbonate fuel cell (MCFC), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) or potassium carbonate (K 2 CO 3 ) are placed on a lithium aluminate (LiAlO 2 ) electrolyte holding plate. Consists of an electrolyte plate impregnated with a melt, an anode formed of porous nickel, a cathode formed of porous nickel oxide, an anode gas channel chamber and a cathode channel chamber for supplying a reactive gas to each electrode, and the like. Electric energy is generated at an operating temperature of 650 ° C.
MCFCの電解質保持板は約650℃の温度域において炭酸リチウムと炭酸ナトリウム等の混合炭酸塩を含浸保持する目的で使用されるため、このような混合炭酸塩に対する高い保持性や、耐アルカリ性、耐熱性などの特性が要求される。さらに電解質保持板はアノードガス流路室とカソードガス流路室とのガスの拡散を防ぎ且つ溶融塩の良好なイオン導電性を阻害しない特性を有することが要求される。 The MCFC electrolyte holding plate is used for the purpose of impregnating and holding mixed carbonates such as lithium carbonate and sodium carbonate in a temperature range of about 650 ° C. Therefore, the high holding ability, alkali resistance, and heat resistance for such mixed carbonates are used. Characteristics such as sex are required. Further, the electrolyte holding plate is required to have characteristics that prevent gas diffusion between the anode gas channel chamber and the cathode gas channel chamber and do not hinder the good ionic conductivity of the molten salt.
このような電解質保持板に電解質が安定に保持されるためには、炭酸塩と反応しないこと、毛細管現象を利用できる程度の空孔径が小さい電解質保持材であること、クラックなどの欠陥がなく約650℃の動作時においても破損しないことが必要となる。 In order for the electrolyte to be stably held on such an electrolyte holding plate, it does not react with carbonate, is an electrolyte holding material having a small pore size that can utilize capillary action, and has no defects such as cracks. It is necessary not to break even during operation at 650 ° C.
このような要求を満たす電解質保持板として、現在ではリチウムアルミネートが使用されている。リチウムアルミネートとしては、γ−リチウムアルミネート(γ−LiAlO2;正方晶)の他、同じ組成で構造の異なるα型(菱面体系)およびβ型(斜方晶)が知られている。これまでMCFCの運転環境下では、γ−LiAlO2粉が最も安定とされていたが、長時間の発電を行うと徐々にα−LiAlO2へと相転移することなども明らかになり、α−LiAlO2が注目されている。 Currently, lithium aluminate is used as an electrolyte holding plate that satisfies such requirements. As lithium aluminate, in addition to γ-lithium aluminate (γ-LiAlO 2 ; tetragonal crystal), α-type (rhombus system) and β-type (orthorhombic crystal) having the same composition and different structures are known. Until now, γ-LiAlO 2 powder has been the most stable under the MCFC operating environment. However, when power generation is performed for a long time, it gradually becomes a phase transition to α-LiAlO 2 . LiAlO 2 has attracted attention.
また、電解質保持板を製造する方法としては、リチウムアルミネートと混合炭酸塩の混合粉末を常温で加圧し500℃前後で焼結するペースト法や460℃から490℃の温度範囲で加圧するホットプレス法、または、リチウムアルミネート原料粉と反応しない有機溶媒と結合剤などを添加して成形し、焼結して作成したのちに炭酸塩を含浸するマトリックス法などが適用されてきた。 In addition, as a method of manufacturing the electrolyte holding plate, a paste method in which a mixed powder of lithium aluminate and a mixed carbonate is pressed at room temperature and sintered at around 500 ° C., or a hot press in which pressure is applied in a temperature range of 460 ° C. to 490 ° C. A matrix method in which an organic solvent that does not react with the lithium aluminate raw material powder, a binder, or the like is added, formed and sintered, and then impregnated with carbonate has been applied.
このうちマトリックス法の中には抄紙法、ドクターブレード法、カレンダーロール法および電気泳動法などがあるが、ドクターブレード法は生産能力が優れており大型化が容易であること、表面性が良いことなどから均質な電解質保持板の製造に適している。このため、大面積MCFC電解質保持板に関してはドクターブレード法による製造が主に適用されている。 Among these, the matrix method includes the papermaking method, doctor blade method, calender roll method, and electrophoresis method, but the doctor blade method has excellent production capacity, is easy to enlarge, and has good surface properties. It is suitable for the production of homogeneous electrolyte retaining plates. For this reason, manufacturing by the doctor blade method is mainly applied to the large area MCFC electrolyte holding plate.
このため、現状では、ドクターブレード法を適用し電解質保持板を製造する場合の結合剤には有機溶媒への溶解性や強度、安定性、接着性などの観点からポリビニルブチラールが一般的に使用されている。したがって、有機溶媒を使用する以上は、スラリーの取り扱い時または、グリーンシート作製時に引火性を伴い、時には爆発の危険性を有している。引火や爆発の危険性を防ぐためには設備の着火源をなくし静電気や火花の発生を防ぐなどすべての製造装置において防爆装置を使用しなければならない。このため、製造設備としてはコスト高の要因となり、また、防爆設備を導入した場合、製造に関わる作業者への徹底した安全に関する教育や、安全器具装着の義務付け、さらに教育を受けた限定された作業者に製造を委ねなければならないという問題がある。 Therefore, at present, polyvinyl butyral is generally used as a binder in the case of manufacturing an electrolyte holding plate by applying the doctor blade method from the viewpoint of solubility in organic solvents, strength, stability, and adhesiveness. ing. Therefore, as long as an organic solvent is used, the slurry is flammable when the slurry is handled or the green sheet is produced, and sometimes has an explosion risk. In order to prevent the danger of ignition and explosion, explosion-proof devices must be used in all manufacturing equipment, such as eliminating the ignition source of equipment and preventing the generation of static electricity and sparks. For this reason, the manufacturing equipment is a high cost factor, and when the explosion-proof equipment is introduced, thorough safety education for workers involved in manufacturing, the installation of safety equipment, and further education are limited. There is a problem that manufacturing must be entrusted to an operator.
したがって、MCFCの電解質保持板を製造するにあたり、引火性の無い無公害の水を溶媒に使用するプロセスを開発できれば、製造装置のコストを安価にでき製造作業者を限定することなく、製造コストの低い電解質保持板を得ることができる。 Therefore, if a process that uses non-flammable non-polluting water as a solvent can be developed in manufacturing the MCFC electrolyte holding plate, the cost of the manufacturing equipment can be reduced, and the manufacturing cost can be reduced without limiting the number of manufacturing workers. A low electrolyte holding plate can be obtained.
ここで、水溶媒を用いた電解質保持板製造に関しては、例えば、主原料に水酸化リチウムアルミニウムまたはリチウムアルミネートの水和物を用い、水溶剤系のバインダーを用いたドクターブレード法による製造プロセスが提案されている(特許文献1参照)。 Here, regarding the production of the electrolyte holding plate using an aqueous solvent, for example, a manufacturing process by a doctor blade method using an aqueous solvent binder using lithium aluminum hydroxide or lithium aluminate hydrate as a main raw material is used. It has been proposed (see Patent Document 1).
しかしながら、この提案によれば製造過程にLiAlO2の比表面積の大きな微粒子を生成させるため550℃から700℃の熱処理を経る必要があり、コスト増の要因となっているため、実用化には至っていない。 However, according to this proposal, in order to produce fine particles having a large specific surface area of LiAlO 2 in the production process, it is necessary to perform a heat treatment at 550 ° C. to 700 ° C., which causes a cost increase. Not in.
一方、近年、α−LiAlO2についてその原料粉の製造法が改良され、溶融塩中で長時間高温に曝されても粒子構造が変化せず、優れた耐アルカリ性、耐熱性ならびに高水準の保持性能を発揮するα−LiAlO2粉体製造方法が提供されているが、このようなα−LiAlO2粉を水溶媒でスラリーとして成形について詳細検討を行った事例はない。 On the other hand, in recent years, the production method of the raw material powder of α-LiAlO 2 has been improved, and the particle structure does not change even when exposed to a high temperature in a molten salt for a long time. Excellent alkali resistance, heat resistance and high level retention Although an α-LiAlO 2 powder production method that exhibits performance is provided, there is no example in which such α-LiAlO 2 powder is used as a slurry in an aqueous solvent for detailed examination.
本発明は、上述した事情に鑑み、水溶媒を使用してリチウムアルミネートからなる電解質保持板を製造するための電解質保持板形成用スラリー組成物、電解質保持板形成用グリーンシート及びこれらを用いた電解質保持板並びにこれらの製造方法を提供することを課題とする。 In view of the above-described circumstances, the present invention uses a slurry composition for forming an electrolyte holding plate, a green sheet for forming an electrolyte holding plate, and these for producing an electrolyte holding plate made of lithium aluminate using an aqueous solvent. It is an object of the present invention to provide an electrolyte holding plate and a manufacturing method thereof.
前記課題を解決する本発明の第1の態様は、α−リチウムアルミネートと、水溶性結合剤と、水とを含有し、pH10−13であることを特徴とする電解質保持板形成用スラリー組成物にある。 1st aspect of this invention which solves the said subject contains alpha-lithium aluminate, a water-soluble binder, and water, It is pH10-13, The slurry composition for electrolyte holding board formation characterized by the above-mentioned It is in the thing.
かかる第1の態様では、水溶性結合剤を用い、pHをアルカリ性に維持することにより、α−リチウムアルミネートが均一に分散した安定したスラリーとなり、所望の空隙率で平均細孔径の電解質保持板を得ることができる。 In the first aspect, by using a water-soluble binder and maintaining the pH to be alkaline, a stable slurry in which α-lithium aluminate is uniformly dispersed is obtained, and an electrolyte holding plate having a desired porosity and an average pore diameter. Can be obtained.
本発明の第2の態様は、第1の態様に記載の電解質保持板形成用スラリー組成物において、前記水溶性結合剤が、メチルセルロース及びポリビニルアルコールの少なくとも一種であることを特徴とする電解質保持板形成用スラリー組成物にある。 According to a second aspect of the present invention, in the slurry composition for forming an electrolyte holding plate according to the first aspect, the water-soluble binder is at least one of methyl cellulose and polyvinyl alcohol. In the forming slurry composition.
かかる第2の態様では、所定の結合剤を用いることにより、比較的低温で焼失させることができ、所望の空隙率で平均細孔径の電解質保持板を得ることができる。 In the second aspect, by using a predetermined binder, it can be burned out at a relatively low temperature, and an electrolyte holding plate having a desired porosity and an average pore diameter can be obtained.
本発明の第3の態様は、第1又は2の態様に記載の電解質保持板形成用スラリー組成物において、前記α−リチウムアルミネートが、比表面積が5〜9m2/gである粉末であることを特徴とする電解質保持板形成用スラリー組成物にある。 According to a third aspect of the present invention, in the slurry composition for forming an electrolyte holding plate according to the first or second aspect, the α-lithium aluminate is a powder having a specific surface area of 5 to 9 m 2 / g. It is in the slurry composition for electrolyte holding board formation characterized by the above-mentioned.
かかる第3の態様では、所望の比表面積を有するα−リチウムアルミネートを用いることにより、水系で安定したスラリーとすることができ、所望の空隙率で平均細孔径の電解質保持板を得ることができる。 In the third aspect, by using α-lithium aluminate having a desired specific surface area, it is possible to obtain a slurry that is stable in an aqueous system and to obtain an electrolyte holding plate having a desired porosity and an average pore diameter. it can.
本発明の第4の態様は、第1〜3の何れかの態様に記載の電解質保持板形成用スラリー組成物において、α−リチウムアルミネート100質量部に対して、水が150重量部以下含有されることを特徴とする電解質保持板形成用スラリー組成物にある。 A fourth aspect of the present invention is the slurry composition for forming an electrolyte holding plate according to any one of the first to third aspects, wherein water is contained in an amount of 150 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of α-lithium aluminate. The slurry composition for forming an electrolyte holding plate is characterized in that:
かかる第4の態様では、所定の含水率とすることにより、析出物などのなく、比較的長期に亘って保存することができるグリーンシートを得ることができ、所望の空隙率で平均細孔径の電解質保持板を得ることができる。 In the fourth aspect, by setting the moisture content to a predetermined value, a green sheet that can be stored for a relatively long period of time without a precipitate can be obtained, and the average pore diameter can be obtained with a desired porosity. An electrolyte holding plate can be obtained.
本発明の第5の態様は、第1〜4の何れかの態様に記載の電解質保持板形成用スラリー組成物において、炭酸リチウム及び炭酸リチウム水和物の少なくとも一種を含有することを特徴とする電解質保持板形成用スラリー組成物にある。 According to a fifth aspect of the present invention, in the slurry composition for forming an electrolyte holding plate according to any one of the first to fourth aspects, at least one of lithium carbonate and lithium carbonate hydrate is contained. It is in the slurry composition for electrolyte holding plate formation.
かかる第5の態様では、炭酸リチウム又は炭酸リチウム水和物の存在により、pHがアルカリ性に保持され、安定したスラリーとなり、所望の空隙率で平均細孔径の電解質保持板を得ることができる。 In the fifth aspect, the presence of lithium carbonate or lithium carbonate hydrate keeps the pH alkaline and provides a stable slurry, and an electrolyte holding plate having a desired porosity and an average pore diameter can be obtained.
本発明の第6の態様は、第1〜5の何れかの態様に記載の電解質保持板形成用スラリー組成物において、可塑剤、分散剤及び消泡剤から選択される少なくとも一種を含有することを特徴とする電解質保持板形成用スラリー組成物にある。 The sixth aspect of the present invention contains at least one selected from a plasticizer, a dispersant and an antifoaming agent in the slurry composition for forming an electrolyte holding plate according to any one of the first to fifth aspects. In the slurry composition for forming an electrolyte holding plate.
かかる第6の態様では、可塑剤、分散剤、消泡剤などを含有することのより、より均一でより安定したスラリーとすることができ、所望の空隙率で平均細孔径の電解質保持板を得ることができる。 In the sixth aspect, a more uniform and more stable slurry can be obtained by containing a plasticizer, a dispersant, an antifoaming agent, etc., and an electrolyte holding plate having a desired porosity and an average pore diameter can be obtained. Obtainable.
本発明の第7の態様は、第1〜6の何れかの態様に記載の電解質保持板形成用スラリー組成物をシート状に成形し、乾燥したことを特徴とする電解質保持板形成用グリーンシートにある。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a green sheet for forming an electrolyte holding plate, wherein the slurry composition for forming an electrolyte holding plate according to any one of the first to sixth aspects is formed into a sheet and dried. It is in.
かかる第7の態様では、水溶性結合剤を用い、pHをアルカリ性に維持したことにより、α−リチウムアルミネートが均一に分散した安定したスラリーから形成されたものであるので、所望の空隙率で平均細孔径の電解質保持板を得ることができる。 In the seventh aspect, a water-soluble binder is used and the pH is maintained alkaline, so that the α-lithium aluminate is formed from a stable slurry in which the α-lithium aluminate is uniformly dispersed. An electrolyte holding plate having an average pore diameter can be obtained.
本発明の第8の態様は、第7の態様に記載の電解質保持板形成用グリーンシートを400℃〜500℃で熱処理して少なくとも前記水溶性結合剤を焼失させた、空隙率が50〜66%、平均細孔径が0.2〜0.5μmの多孔質体であることを特徴とする電解質保持板にある。 According to an eighth aspect of the present invention, the electrolyte holding plate forming green sheet according to the seventh aspect is heat-treated at 400 ° C. to 500 ° C. to burn off at least the water-soluble binder, and the porosity is 50 to 66. %, A porous body having an average pore diameter of 0.2 to 0.5 μm.
かかる第8の態様では、水溶性結合剤を用い、pHをアルカリ性に維持したことにより、α−リチウムアルミネートが均一に分散した安定したスラリーから形成されたグリーンシートを400〜500℃で熱処理することにより、水溶性結合剤などを焼失させ、所望の空隙率で平均細孔径の電解質保持板を得ることができる。 In the eighth aspect, a green sheet formed from a stable slurry in which α-lithium aluminate is uniformly dispersed is heat-treated at 400 to 500 ° C. by using a water-soluble binder and maintaining the pH to be alkaline. As a result, a water-soluble binder or the like is burned out, and an electrolyte holding plate having a desired porosity and an average pore diameter can be obtained.
本発明の第9の態様は、第1〜6の何れかの態様に記載の電解質保持板形成用スラリー組成物をシート状に成形し、乾燥することを特徴とする電解質保持板形成用グリーンシートの製造方法にある。 According to a ninth aspect of the present invention, there is provided a green sheet for forming an electrolyte holding plate, wherein the slurry composition for forming an electrolyte holding plate according to any one of the first to sixth aspects is formed into a sheet and dried. It is in the manufacturing method.
かかる第9の態様では、水溶性結合剤を用い、pHをアルカリ性に維持したことにより、α−リチウムアルミネートが均一に分散した安定したスラリーを成形して乾燥することにより、所望の空隙率で平均細孔径の電解質保持板を得ることができるグリーンシートとすることができる。 In the ninth aspect, by using a water-soluble binder and maintaining the pH to be alkaline, a stable slurry in which α-lithium aluminate is uniformly dispersed is molded and dried, so that the desired porosity can be obtained. It can be set as the green sheet which can obtain the electrolyte holding board of an average pore diameter.
本発明の第10の態様は、第1〜6の何れかの態様に記載の電解質保持板形成用スラリー組成物をシート状に成形し、乾燥して電解質保持板形成用グリーンシートとし、400℃〜500℃で熱処理して少なくとも前記水溶性結合剤を焼失させて多孔質体とすることを特徴とする電解質保持板の製造方法にある。 According to a tenth aspect of the present invention, the slurry composition for forming an electrolyte holding plate according to any one of the first to sixth aspects is formed into a sheet shape, and dried to obtain a green sheet for forming an electrolyte holding plate. An electrolyte holding plate manufacturing method is characterized in that at least the water-soluble binder is burned off by heat treatment at ˜500 ° C. to form a porous body.
かかる第10の態様は、水溶性結合剤を用い、pHをアルカリ性に維持したことにより、α−リチウムアルミネートが均一に分散した安定したスラリーを成形して乾燥することにより電解質保持板形成用グリーンシートとし、これを400〜500℃で熱処理することにより、水溶性結合剤などを焼失させ、所望の空隙率で平均細孔径の電解質保持板を得ることができる。 In the tenth aspect, a water-soluble binder is used and the pH is maintained alkaline, so that a stable slurry in which α-lithium aluminate is uniformly dispersed is formed and dried to dry the electrolyte holding plate forming green. By forming a sheet and heat-treating it at 400 to 500 ° C., the water-soluble binder and the like are burned out, and an electrolyte holding plate having an average pore diameter with a desired porosity can be obtained.
本発明の第11の態様は、第10の態様に記載の電解質保持板の製造方法において、前記熱処理を、前記電解質保持板形成用グリーンシートを燃料電池に設置した後に行うことを特徴とする電解質保持板の製造方法にある。 An eleventh aspect of the present invention is the electrolyte holding plate manufacturing method according to the tenth aspect, wherein the heat treatment is performed after the green sheet for forming the electrolyte holding plate is installed in a fuel cell. It is in the manufacturing method of a holding plate.
かかる第11の態様では、グリーンシートの熱処理を燃料電池内で行い、所望の電解質保持板とすることができる。 In the eleventh aspect, the green sheet can be heat-treated in the fuel cell to obtain a desired electrolyte holding plate.
本発明の第12の態様は、第10又は11の態様に記載の電解質保持板の製造方法において、前記多孔質体が、空隙率が50〜66%、平均細孔径が0.2〜0.5μmであることを特徴とする電解質保持板の製造方法にある。 A twelfth aspect of the present invention is the method for producing an electrolyte holding plate according to the tenth or eleventh aspect, wherein the porous body has a porosity of 50 to 66% and an average pore diameter of 0.2 to 0.00. It is in the manufacturing method of the electrolyte holding plate characterized by being 5 micrometers.
かかる第12の態様では、所望の空隙率で平均細孔径の電解質保持板を得ることができる。 In the twelfth aspect, an electrolyte holding plate having a desired porosity and an average pore diameter can be obtained.
本発明によれば、水溶性結合剤を用い、pHをアルカリ性に維持することにより、α−リチウムアルミネートが均一に分散した安定したスラリーとすることができ、これを成形して乾燥すれば、比較長期間に亘って保存することができるグリーンシートとすることができ、これを400〜500℃で熱処理することにより、所望の空隙率で平均細孔径の電解質保持板を得ることができる。さらに、引火性の無い、無公害の水溶媒を使用した電解質保持板の製造が可能になり、製造のコストを安価にできる。 According to the present invention, by using a water-soluble binder and maintaining the pH alkaline, a stable slurry in which α-lithium aluminate is uniformly dispersed can be obtained, and if this is molded and dried, It can be set as the green sheet which can be preserve | saved over a comparative long period, and the electrolyte holding board of an average pore diameter can be obtained with a desired porosity by heat-processing this at 400-500 degreeC. Furthermore, it is possible to manufacture an electrolyte holding plate using a non-polluting, non-polluting water solvent, and the manufacturing cost can be reduced.
以下、本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail.
本発明の電解質保持板形成用スラリー組成物は、α−リチウムアルミネートと、水溶性結合剤と、水とを含有し、pH10−13である。 The slurry composition for forming an electrolyte holding plate of the present invention contains α-lithium aluminate, a water-soluble binder, and water, and has a pH of 10-13.
ここで、α−リチウムアルミネートは、α型のアルミン酸リチウムであるが、BET比表面積が、1〜10m2/gである粉末で製造可能であるが、BET比表面積が、5〜9m2/gである粉末を用いるのが好ましい。水に対して安定で、所望の空隙率及び細孔径を有する電解質保持板を得ることができるからである。このようなα−リチウムアルミネートは、平均粒子径としてはサブミクロンオーダーであり、例えば、特開2000−195531号公報に開示された製造方法により製造することができる。 Here, α-lithium aluminate is α-type lithium aluminate, and can be produced with a powder having a BET specific surface area of 1 to 10 m 2 / g, but the BET specific surface area is 5 to 9 m 2. It is preferable to use a powder which is / g. This is because an electrolyte holding plate that is stable against water and has a desired porosity and pore diameter can be obtained. Such an α-lithium aluminate has an average particle size on the order of submicrons, and can be manufactured by, for example, a manufacturing method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-195531.
また、本発明では、有機溶媒を用いず、溶媒として水を用いる。水としては、脱イオン水、蒸留水、純水などを用いることができる。 In the present invention, water is used as a solvent without using an organic solvent. As water, deionized water, distilled water, pure water, or the like can be used.
水溶性結合剤とは、水溶性のバインダーであり、α−リチウムアルミネートと反応せず、所望の温度で焼失することができるものであれば、公知のものを用いることができる。α−リチウムアルミネートとの親和性やスラリーの安定性、並びに500℃以下の温度で焼失(脱脂ともいう)することができるものとしては、メチルセルロールやポリビニルアルコールが好ましいが、エチルセルロールやポリビニルアセタールなどを用いることもできる。 The water-soluble binder is a water-soluble binder, and any known binder can be used as long as it does not react with α-lithium aluminate and can be burned off at a desired temperature. Affinity with α-lithium aluminate, stability of the slurry, and those that can be burned down (also referred to as degreasing) at a temperature of 500 ° C. or less are preferably methyl cellulose or polyvinyl alcohol, Polyvinyl acetal etc. can also be used.
このような水溶性結合剤の分子量なども特に限定されないが、形成されるスラリーの粘度に影響するので、電解質保持板形成用スラリーの用途、成形法などに適した粘度となるように選定すればよい。後述するように、メチルセルロールを用いた場合には、重合度が4〜1500のメチルセルロースを用いることができるが、重合度が15程度のものが好ましいことがわかった。 The molecular weight of such a water-soluble binder is not particularly limited, but it affects the viscosity of the slurry to be formed. Therefore, if it is selected so as to have a viscosity suitable for the application and molding method of the electrolyte holding plate forming slurry. Good. As will be described later, when methylcellulose is used, methylcellulose having a polymerization degree of 4 to 1500 can be used, but it has been found that a polymerization degree of about 15 is preferable.
水溶性結合剤の含有量は、α−リチウムアルミネートの粉末同士の接着力に影響し、少なすぎると、グリーンシートとしたときの強度が十分では無くなる傾向となる。後述するように、メチルセルロースを用いた場合には、2重量%のメチルセルロース水溶液を用いた場合には接着力が低すぎる傾向が確認されたので、これ以上の濃度とするのが好ましい。すなわち、詳細は後述するが、3〜7重量%のメチルセルロース水溶液を、α−リチウムアルミネート100重量部に対して、150重量部程度又はそれより少ない量を添加するのが好ましい。α−リチウムアルミネートの凝集を防止し且つグリーンシートの製造効率を向上させ、また、グリーンシートとしたときに析出物などの不都合が生じないために好ましいからである。 The content of the water-soluble binder affects the adhesive strength between the α-lithium aluminate powders, and if it is too small, the strength when used as a green sheet tends to be insufficient. As will be described later, when methylcellulose is used, when a 2% by weight methylcellulose aqueous solution is used, it is confirmed that the adhesive strength tends to be too low. That is, although mentioned later for details, it is preferable to add about 3 to 7 weight% methylcellulose aqueous solution about 150 weight part or less with respect to 100 weight part of alpha-lithium aluminate. This is because α-lithium aluminate is prevented from agglomerating and the production efficiency of the green sheet is improved, and when a green sheet is formed, there is no inconvenience such as precipitates, which is preferable.
また、水や水溶性結合剤の含有量は、水溶性結合剤の分子量と同様にスラリー粘度に影響する。 Further, the content of water or a water-soluble binder affects the slurry viscosity in the same manner as the molecular weight of the water-soluble binder.
電解質保持板形成用スラリー組成物は、α−リチウムアルミネートを凝集させないで均一に分散させたものとするためには、一般的にはボールミル混合やビーズミル混合により製造されるが、このような混合方法が適用できるスラリー濃度とするのが好ましい。ボールミル混合に最適なスラリー粘度は50〜500mpa・sであり、ビーズミル混合に最適なスラリー濃度は50〜1000mpa・sであるが、グリーンシートを製造する上では水溶媒が少ない方が効率的であるので、500〜1000mpa・sのスラリー粘度とし、ビーズミル混合を採用するのが好ましい。勿論、これに限定されず、他のスラリー粘度、他の混合方法を採用してもよい。 The slurry composition for forming an electrolyte holding plate is generally manufactured by ball mill mixing or bead mill mixing in order to uniformly disperse α-lithium aluminate without aggregation. The slurry concentration is preferably such that the method can be applied. The optimum slurry viscosity for ball mill mixing is 50 to 500 mpa · s, and the optimum slurry concentration for bead mill mixing is 50 to 1000 mpa · s. However, it is more efficient to use less water solvent to produce green sheets. Therefore, it is preferable to adopt a slurry viscosity of 500 to 1000 mpa · s and employ bead mill mixing. Of course, the present invention is not limited to this, and other slurry viscosities and other mixing methods may be employed.
本発明の電解質保持板形成用スラリー組成物は、必要に応じて、可塑剤、分散剤、消泡剤など他の添加剤を含有してもよいが、pHが10〜13の範囲に調整されている必要がある。 The slurry composition for forming an electrolyte holding plate of the present invention may contain other additives such as a plasticizer, a dispersant, and an antifoaming agent, if necessary, but the pH is adjusted to a range of 10 to 13. Need to be.
α−リチウムアルミネートは、製造方法によっては、原料である炭酸リチウムが不純物として含有される可能性があり、これによりアルカリ性を呈する。本発明の電解質保持板形成用スラリー組成物は、このアルカリ性を維持するような、水溶性結合剤や他の添加剤を混合したものである。例えば、可塑剤、分散剤や消泡剤を選定する場合には、中性又はアルカリ性を呈するものを用いるのが好ましい。また、スラリーのpH10〜13の範囲となるように、アルカリ成分を添加してもよいが、スラリーの安定性を考慮すると、炭酸リチウムをアルカリ成分として添加するのが好ましい。 Depending on the production method, α-lithium aluminate may contain lithium carbonate, which is a raw material, as an impurity, thereby exhibiting alkalinity. The slurry composition for forming an electrolyte holding plate of the present invention is a mixture of a water-soluble binder and other additives that maintain this alkalinity. For example, when selecting a plasticizer, a dispersant, or an antifoaming agent, it is preferable to use a neutral or alkaline one. Moreover, although an alkali component may be added so that it may become the range of pH 10-13 of a slurry, when the stability of a slurry is considered, it is preferable to add lithium carbonate as an alkali component.
また、本発明の電解質保持板形成用スラリー組成物は、必要に応じて可塑剤を添加してもよい。このような可塑剤は、形成したグリーンシートの柔軟性や表面の平滑性を改善するものであり、例えば、グリセリンなどを挙げることができる。 Moreover, you may add a plasticizer to the slurry composition for electrolyte holding board formation of this invention as needed. Such a plasticizer improves the flexibility and surface smoothness of the formed green sheet, and examples thereof include glycerin.
また、分散剤、消泡剤なども必要に応じて添加してもよい。これら分散剤、消泡剤は、α−リチウムアルミネートと反応せず、また、アルカリ性又は少なくとも中性を呈するものを用いるのが好ましい。 Moreover, you may add a dispersing agent, an antifoamer, etc. as needed. These dispersants and antifoaming agents preferably do not react with α-lithium aluminate and are alkaline or at least neutral.
ここで、分散剤は、原料粉をできるだけ1次粒子まで分散させ、原料粉同士を密な状態として結合剤で結合させるために有効であり、これにより空隙率を高めることができ、また、平均空孔径を低下させることができる。 Here, the dispersing agent is effective to disperse the raw material powder to primary particles as much as possible, and bind the raw material powders in a dense state with a binder, thereby increasing the porosity, and the average The hole diameter can be reduced.
また、消泡剤としては、上述したおとり、原料粉と反応する物質は不向きであり、原料粉のある無しに無関係でpHが一定であることが好ましい。 Moreover, as a defoaming agent, the above-described decoy substance that reacts with the raw material powder is unsuitable, and it is preferable that the pH is constant regardless of the presence or absence of the raw material powder.
このような本発明の電解質保持板形成用スラリー組成物は、上述した原料を均一に分散させてスラリー組成物としたものであるが、好ましくは、水溶性結合剤を水溶液とし、α−リチウムアルミネートの粉末及び必要に応じて他の添加剤を混合し、ボールミル混合やビーズミル混合などの公知の方法により混合して均一なスラリーとしたものである。 Such a slurry composition for forming an electrolyte holding plate of the present invention is a slurry composition obtained by uniformly dispersing the above-mentioned raw materials. Preferably, a water-soluble binder is used as an aqueous solution, and α-lithium aluminum is used. Nate powder and other additives as required are mixed and mixed by a known method such as ball mill mixing or bead mill mixing to obtain a uniform slurry.
本発明の電解質保持板形成用スラリー組成物は、シート状に成形し、乾燥することにより、電解質保持板形成用グリーンシートを製造することができる。 The slurry composition for forming an electrolyte holding plate of the present invention can be formed into a sheet and dried to produce a green sheet for forming an electrolyte holding plate.
このように電解質保持板形成用グリーンシートを製造するには、各種塗布法などにより塗布し、乾燥する必要がある。塗布法としては、ドクターブレード法、スピンコート法など各種方法を挙げることができ、また、乾燥は自然乾燥や加熱乾燥などにより行えばよい。 Thus, in order to manufacture the electrolyte holding plate forming green sheet, it is necessary to apply and dry by various application methods. Examples of the coating method include various methods such as a doctor blade method and a spin coating method, and drying may be performed by natural drying or heat drying.
本発明の電解質形成用グリーンシートは、400℃〜500℃で熱処理して少なくとも水溶性結合剤を焼失させることにより、空隙率が50〜66%、平均細孔径が0.2〜0.5μmの多孔質体である電解質保持板とすることができる。空隙率は上述した範囲より小さいと燃料電池としての性能を十分に発揮できず、一方、大きいほど燃料電池の性能を向上させることができるが、上述した範囲を超えると機械的強度が十分でない傾向となる。また、平均細孔径は、小さいほど炭酸溶融塩などの電解質の保持力が向上し、上述した範囲の平気細孔径を有することにより、長期間運転においても炭酸塩を良好に保持することができる。何れにしても、電池の高電圧化という観点とすると高い空孔率が望ましく、長寿命化という観点からすると低い平均空孔径が望ましい。 The electrolyte-forming green sheet of the present invention has a porosity of 50 to 66% and an average pore diameter of 0.2 to 0.5 μm by heat treating at 400 ° C. to 500 ° C. to burn off at least the water-soluble binder. It can be set as the electrolyte holding plate which is a porous body. If the porosity is smaller than the above-mentioned range, the performance as a fuel cell cannot be sufficiently exhibited. On the other hand, if the porosity is larger, the performance of the fuel cell can be improved, but if it exceeds the above-mentioned range, the mechanical strength tends to be insufficient. It becomes. In addition, the smaller the average pore diameter, the better the holding power of the electrolyte such as carbonated molten salt. By having a flat pore diameter in the above-mentioned range, the carbonate can be favorably retained even during long-term operation. In any case, a high porosity is desirable from the viewpoint of increasing the voltage of the battery, and a low average pore diameter is desirable from the viewpoint of extending the life.
ここで、熱処理の方法は特に限定されないが、400℃〜500℃の熱処理で水溶性結合材を焼失させて多孔質体とすることができるので、アノード、カソード及びグリーンシートとを組み合わせて燃料電池を構成し、燃料電池の昇温過程において熱処理をし、電解質保持板とすることができる。勿論、通常の製造工程でグリーンシートを熱処理して電解質保持板としてもよい。また、この場合、500℃以上の温度で熱処理してもよいことはいうまでもない。 Here, the heat treatment method is not particularly limited. However, since the water-soluble binder can be burned out by heat treatment at 400 ° C. to 500 ° C. to form a porous body, the fuel cell is formed by combining the anode, the cathode and the green sheet. And heat-treating in the temperature raising process of the fuel cell to form an electrolyte holding plate. Of course, the green sheet may be heat-treated in a normal manufacturing process to form an electrolyte holding plate. In this case, it goes without saying that the heat treatment may be performed at a temperature of 500 ° C. or higher.
以下、実施例について試験例を参照しながら詳述する。 Hereinafter, examples will be described in detail with reference to test examples.
以下の実施例で使用したα−LiAlO2粉は日本化学工業製(比表面積:5m2/g)であり、重合度が15のメチルセルロースを水溶性結合剤として使用した。溶媒には純水を用い10mmφの99.9%アルミナボールを使用した混合用ボールで混合した。具体的な配合手順は、3重量%、5重量%、7重量%の水溶性結合剤溶液を調製し、これにα−LiAlO2粉を添加して混合し、電解質保持板形成用スラリー組成物を製造した。また、各スラリー組成物から、グリーンシートを作製した。 The α-LiAlO 2 powder used in the following examples was manufactured by Nippon Chemical Industry (specific surface area: 5 m 2 / g), and methyl cellulose having a polymerization degree of 15 was used as a water-soluble binder. Pure water was used as a solvent and mixed with a mixing ball using 99.9% alumina balls of 10 mmφ. A specific blending procedure is to prepare 3 wt%, 5 wt%, and 7 wt% water-soluble binder solution, add α-LiAlO 2 powder to this, mix, and slurry composition for forming an electrolyte holding plate Manufactured. Moreover, the green sheet was produced from each slurry composition.
各条件で調整したスラリーは原料粉40gを基準として各種調整剤を添加し、幅150mm長さ600mm程度のドクターブレード装置にてグリーンシートを作製した。ドクターは2段式のナイフエッジ型を使用し、1段目のドクターは高さ3mmとし、2段目のドクター高さは1.0mmとした。乾燥条件は温度23〜25℃、湿度30%以下に制御されたドライルーム内での自然乾燥とし乾燥時間は17〜20hrとした。 Various adjusting agents were added to the slurry adjusted under each condition based on 40 g of raw material powder, and a green sheet was prepared with a doctor blade apparatus having a width of 150 mm and a length of about 600 mm. The doctor used a two-stage knife edge type, the first-stage doctor had a height of 3 mm, and the second-stage doctor had a height of 1.0 mm. The drying conditions were natural drying in a dry room controlled at a temperature of 23 to 25 ° C. and a humidity of 30% or less, and the drying time was 17 to 20 hours.
表1に実施例A1〜A7の配合を示す。A1は3%結合剤溶液を200重量部添加したスラリー、A2は5%結合剤溶液を200重量部添加したスラリー、A3は7%結合剤溶液を200重量部添加したスラリー、A4は3%結合剤溶液を250重量部添加したスラリー、A5は3%結合剤溶液を150重量部添加したスラリー、A6は3%結合剤溶液を125重量部添加したスラリー、A7は3%結合剤溶液を100重量部添加したスラリーである。なお、表1には記載していないが、スラリーには高分子分散剤(ポリカルボン酸アンモニウム水溶液:サンノプコ製SNディスパーサント5468)1重量部、消泡剤(サンノプコ製SNデフォーマー157)2.5重量部、可塑剤してグリセリン5重量部を添加した。 Table 1 shows the formulations of Examples A1 to A7. A1 is a slurry added with 200 parts by weight of a 3% binder solution, A2 is a slurry added with 200 parts by weight of a 5% binder solution, A3 is a slurry added with 200 parts by weight of a 7% binder solution, and A4 is 3% bonded. Slurry to which 250 parts by weight of the agent solution is added, A5 is a slurry to which 150 parts by weight of the 3% binder solution is added, A6 is a slurry to which 125 parts by weight of the 3% binder solution is added, and A7 is 100% by weight of the 3% binder solution. This is a slurry with a part added. Although not shown in Table 1, the slurry contains 1 part by weight of a polymer dispersant (aqueous ammonium polycarboxylate: SN Dispersant 5468 manufactured by San Nopco), 2.5 defoamer (SN deformer 157 manufactured by San Nopco) 5 parts by weight of glycerin was added as a plasticizer.
これらの電解質保持板形成用スラリー組成物についてのpHを表1に示す。この結果、全てのスラリーがpH11〜12を呈することがわかった。また、各スラリー組成物から製造した電解質保持板の重量換算空孔率は60%前後の値であり、平均空孔径は0.3〜0.5μmであった。 Table 1 shows the pH of these slurry compositions for forming an electrolyte holding plate. As a result, it was found that all the slurries exhibited pH 11-12. Moreover, the weight conversion porosity of the electrolyte holding plate manufactured from each slurry composition was a value around 60%, and the average pore diameter was 0.3 to 0.5 μm.
表2には、実施例B1〜B11の配合を示す。これらのスラリー組成物の製造は実施例A1〜A7と同様に行った。 Table 2 shows the formulations of Examples B1 to B11. These slurry compositions were produced in the same manner as in Examples A1 to A7.
(試験例1)
実施例B1〜B11において、結合剤水溶液にα−LiAlO2を添加して混合した際のスラリー粘度をメチルセルロールの重合度で整理した結果を図1に示す。
(Test Example 1)
In Example B1 to B11, it shows the results of the slurry viscosity when mixed with the addition of alpha-LiAlO 2 in aqueous binder solution was organized by degree of polymerization of methylcellulose in FIG.
図1より重合度の低い結合剤溶液ほどスラリー粘度は低下し、また同じ結合剤溶液ではその濃度の低いスラリーほど粘度は低くなる傾向があるが、何れかの結合剤溶液においても結合剤濃度が2%以下の場合には原料粉であるLiAlO2粉に対し接着力が弱まる傾向が確認され、0.5m2程度のグリーンシートとしては作製できるが成形後のシート移動時に割れを生じやすい等のハンドリング性が極端に悪化し、結合剤としての役割を果たし難い傾向にあることが分かった。また、重合度4のメチルセルロースでは5%濃度の結合剤溶液においても原料粉への接着力が弱くハンドリング性の悪いシートとなる傾向となることが分かった。 As shown in FIG. 1, the lower the degree of polymerization of the binder solution, the lower the slurry viscosity. In the same binder solution, the lower the concentration of the slurry, the lower the viscosity. However, in any of the binder solutions, the binder concentration is low. In the case of 2% or less, it is confirmed that the adhesive force tends to weaken with respect to the LiAlO 2 powder, which is a raw material powder, and it can be produced as a green sheet of about 0.5 m 2 , but it tends to crack when the sheet moves after molding, etc. It was found that the handling property was extremely deteriorated and it was difficult to serve as a binder. Further, it was found that methylcellulose having a polymerization degree of 4 tends to be a sheet having poor handling properties due to weak adhesion to the raw material powder even in a 5% binder solution.
原料粉の分散には、衝撃・衝突やせん断などの方法があるが、本実施例で用いている原料粉は平均粒子径がサブミクロンオーダーであるため、凝集した粒子をほぐす機能が必要となる。このため、せん断機能を持った混合方法が必要となる。代表的な混合方法はボールミルによる分散であるが、ボールミル混合による分散のための最適なスラリー粘度はおおよそ50〜500mpa・sとされている。しかしながら、ボールミルでは分散の安定化に長時間を要するため生産要求量に容易に対応ができないなどの問題点がある。この点を改善し、高生産性、システム化したもののひとつにビーズミルによる混合法があり、この方法を用いれば粘度50〜1000mpa・s程度のスラリー粘度まで対応でき、かつ短時間で分散が可能となる。スラリー混合や脱泡の観点からすると粘度は低いほど良く、グリーンシート成形や乾燥時間短縮のためには粘度が高い(溶剤量を極力少なくする)方が良いため、大量生産のためには粘度500〜1000mpa・s程度とすることが望ましい。この点を考慮すると図1の結果から濃度重合度15の結合剤を用いることで、結合剤濃度の低い3%結合剤溶液が最も大量生産に適した粘度を持ったスラリー組成物であることが分かった。 There are methods such as impact / collision and shearing to disperse the raw material powder. However, since the raw material powder used in this example has an average particle size on the order of submicron, a function to loosen the agglomerated particles is required. . For this reason, a mixing method having a shearing function is required. A typical mixing method is dispersion by a ball mill. The optimum slurry viscosity for dispersion by ball mill mixing is approximately 50 to 500 mpa · s. However, since the ball mill requires a long time to stabilize the dispersion, there is a problem in that it cannot easily meet the production demand. One of the improvements, high productivity, and systematization is a mixing method using a bead mill. By using this method, a slurry viscosity of 50 to 1000 mpa · s can be handled, and dispersion can be achieved in a short time. Become. From the viewpoint of slurry mixing and defoaming, the lower the viscosity, the better. For green sheet forming and shortening the drying time, it is better to increase the viscosity (reducing the amount of solvent as much as possible). It is desirable to be about ~ 1000 mpa · s. Considering this point, it can be seen from the results shown in FIG. 1 that a 3% binder solution having a low binder concentration is a slurry composition having a viscosity most suitable for mass production by using a binder having a concentration degree of 15. I understood.
(試験例2)
実施例A1〜A7から、3%結合剤溶液をベースに結合剤溶液部数を100重量部、125重量部、150重量部、200重量部及び250重量部としてスラリー中の水分量を変化させた場合、さらに水部数を200重量部とし結合剤濃度を変化させた場合のスラリーについて、グリーンシートを作製し、その表面状態の観察を行った。
(Test Example 2)
From Examples A1 to A7, when the amount of water in the slurry was changed based on a 3% binder solution with the binder solution parts being 100 parts by weight, 125 parts by weight, 150 parts by weight, 200 parts by weight and 250 parts by weight Further, a green sheet was prepared for the slurry when the water content was 200 parts by weight and the binder concentration was changed, and the surface state was observed.
表面観察には各サンプルを切り出し金蒸着を行ったのち電子顕微鏡にて表面の形状を調べた。図2(a)はりん片状析出物なし、図2(b)はりん片状析出物ありの代表的なSEM写真である。この現象はグリーンシート表面(乾燥上面)について発生する現象であり、シート下面では何れの条件においても見られなかった。これらのように、製作条件によってグリーンシート表面にりん片状析出物がある場合と、無いもしくは確認できない場合があり、さらにシート上面でのみ見られる現象であることから原料粉中の物質が混合過程において水に溶解し、グリーンシートの乾燥過程において水の蒸発する上面において再析出する現象であると推察される。これらの析出物と水溶媒部数との関係を図3に示す。図3に示すように、析出物は結合剤の濃度もしくは部数には依存せず、結合剤溶液中の水溶媒部数でうまく整理でき、水部数150部以下ではりん片状析出物は見られないかもしくはほとんど確認できなかった。なお、このりん片状析出物についてはグリーンシートを脱脂することで消失するため、実用上は問題ないと考えられる。しかしながら、表面での析出現象は抑制もしくは製造過程で制御可能なものとするほうが望ましいと考えられ、この点においては水部数を150重量部以下に抑えるほうが良いと考えられる。このようにグリーンシート表面上に析出するりん片状析出物は添加する水部数で制御可能であることを明らかとなった。 For surface observation, each sample was cut out and subjected to gold vapor deposition, and then the surface shape was examined with an electron microscope. FIG. 2 (a) is a typical SEM photograph without flake-like precipitates, and FIG. 2 (b) is a typical SEM photograph with flake-like precipitates. This phenomenon is a phenomenon that occurs on the surface of the green sheet (dry upper surface), and was not observed under any condition on the lower surface of the sheet. As shown above, depending on the production conditions, there are cases where there are flake-like precipitates on the surface of the green sheet, and there are cases where it is not present or cannot be confirmed. It is inferred that this is a phenomenon of dissolving in water and reprecipitating on the upper surface where water evaporates during the drying process of the green sheet. The relationship between these precipitates and the number of water solvent parts is shown in FIG. As shown in FIG. 3, the precipitate does not depend on the concentration or the number of parts of the binder, and can be well organized by the number of water solvent parts in the binder solution. Or almost no confirmation. In addition, since this scaly precipitate disappears by degreasing the green sheet, it is considered that there is no problem in practical use. However, it is considered that it is desirable to suppress the precipitation phenomenon on the surface or to be controllable in the manufacturing process. In this respect, it is considered better to keep the number of water parts to 150 parts by weight or less. Thus, it became clear that the flaky precipitate deposited on the surface of the green sheet can be controlled by the number of water parts to be added.
(試験例3)
グリーンシート上に析出するりん片状析出物を特定するため、以下の検討を行った。
(Test Example 3)
The following examination was performed in order to identify the flake-like precipitate deposited on the green sheet.
原料粉中に存在する物質としてはα−LiAlO2もしくは原料粉を合成する際に使用しているLi2CO3粉、Al2O3粉であるが、このうち水に溶解し再析出する可能性のある物質はα−LiAlO2またはLi2CO3粉と考えられる。そこで、この2種の物質についてFactSage(Aqualib−Web)を利用してLiAlO2(α、β、γの区別なし)が水に溶解した場合の等電点(pH)を計算した。20℃においてLiAlO2が水と完全に反応した場合には溶液中にH2O、Li+、OH−、LiOHが液体として存在し、Al2O3が固体として存在する。そのときのpHは14.6と計算される。一方、Li2CO3が水と反応した場合には20℃において溶液中にH2O、Li+、CO3 2−、HCO3 −、OH−、LiOH、が液体として存在し、Li2CO3が固体として存在する。そのときのpHは11.5と計算される。 Substances present in the raw material powder are α-LiAlO 2 or Li 2 CO 3 powder and Al 2 O 3 powder used when synthesizing the raw material powder. The substance having the property is considered to be α-LiAlO 2 or Li 2 CO 3 powder. Therefore, the isoelectric point (pH) when LiAlO 2 (no distinction between α, β, and γ) was dissolved in water was calculated for these two substances using FactSage (Aqualib-Web). When LiAlO 2 completely reacts with water at 20 ° C., H 2 O, Li + , OH − and LiOH are present in the solution as liquids, and Al 2 O 3 is present as a solid. The pH at that time is calculated to be 14.6. On the other hand, when Li 2 CO 3 reacts with water, H 2 O, Li + , CO 3 2− , HCO 3 − , OH − , LiOH are present in the solution at 20 ° C., and Li 2 CO 3 exists as a solid. The pH at that time is calculated as 11.5.
本計算は概略の計算であるが、LiAlO2粉溶解とLi2CO3粉溶解ではpHが異なるため、スラリーのpHを測定することで溶解・再析出物質がどちらであるかの検討は可能と考えられた。そこで、実際に作製したスラリーのpHは表1に示したとおり、何れもpH11〜12の範囲となっている。この事実から、水にLi2CO3が溶解した際に計算されるpH 11.5とほぼ同じ値であり、溶解種はLi2CO3と推察される。しかし、650℃における脱脂工程を経た電解質保持板ではこのりん片状析出物は消失していることから、760℃付近に融点を持つLi2CO3として存在するのではなく、Li2CO3水和物などの形で再析出しているものと考えられる。 Although this calculation is an approximate calculation, the LiAlO 2 powder dissolution and the Li 2 CO 3 powder dissolution have different pH, so it is possible to examine which is the dissolved / re-deposited material by measuring the pH of the slurry. it was thought. Therefore, as shown in Table 1, the pH of the actually produced slurry is in the range of pH 11-12. From this fact, it is almost the same value as pH 11.5 calculated when Li 2 CO 3 is dissolved in water, and it is inferred that the dissolved species is Li 2 CO 3 . However, in the electrolyte holding plate that has undergone the degreasing process at 650 ° C., the scaly precipitate disappears, so that it does not exist as Li 2 CO 3 having a melting point near 760 ° C., but Li 2 CO 3 water. It is thought that it reprecipitated in the form of a Japanese product.
ここで、Li2CO3試薬を水に溶解・再析出させSEMにて析出物の形状確認試験を行った結果を図4に示す。この結果、図4の写真は、図2(b)とほぼ同一の形状をした析出物を確認でき、グリーンシート状に析出したりん片状析出物はLi2CO3もしくはその水和物である可能性が高いと推察される。 Here, FIG. 4 shows the results of dissolving and re-depositing Li 2 CO 3 reagent in water and conducting a precipitate shape confirmation test using SEM. As a result, the photograph in FIG. 4 confirms the precipitate having the same shape as in FIG. 2B, and the flake-like precipitate deposited in the green sheet is Li 2 CO 3 or a hydrate thereof. The possibility is high.
以上の検討から、これまでLiAlO2粉は水と反応し、粒成長し易いと言われていたが、本試験に使用したα−LiAlO2粉は製造法の改良により水に対して安定な粉末であると共に、粉体製造過程において混入しているLi2CO3が溶媒である水に溶解することで、スラリーのpHを11〜12程度のアルカリ性に保ちLiAlO2粉と水との反応を抑制していると推定され、この結果、水を溶媒として使用してもα−LiAlO2粉の粒成長を引き起こさなかったものと考えられる。 From the above studies, LiAlO 2 powder has been said to react with water and grow easily so far, but α-LiAlO 2 powder used in this test is a stable powder to water by improving the production method. In addition, Li 2 CO 3 mixed in the powder manufacturing process is dissolved in water as a solvent, so that the pH of the slurry is kept at an alkaline level of about 11 to 12, and the reaction between the LiAlO 2 powder and water is suppressed. As a result, it is considered that the use of water as a solvent did not cause the growth of α-LiAlO 2 powder.
(試験例4)
実施例A1〜A7の各スラリー組成物について、結合剤部数と脱泡前のスラリー粘度との関係について調べ、結合剤部数で整理した結果を図5に示す。なお、スラリーの粘度は東機産業(株)製(TVB−10M)粘度計を使用して測定した。
(Test Example 4)
About each slurry composition of Example A1-A7, the relationship between the number of binder parts and the slurry viscosity before defoaming was investigated, and the result arranged by the number of binder parts is shown in FIG. The viscosity of the slurry was measured using a viscometer manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd. (TVB-10M).
この結果、結合剤溶液の濃度を変化させたほうが3%結合剤溶液の部数を変化させるよりもスラリー粘度の変化は大きいことがわかった。また、3%結合剤溶液について着目すると、結合剤溶液が100重量部(水部数97重量部)のときスラリー粘度は約900mpa・sとなり、ビーズミルで分散可能な上限と考えられる。ボールミルによる混合を考えた場合には先に述べたように500mpa・s以下の粘度にする必要があり同図から150重量部の結合剤溶液を使用すべきという結果が得られた。さらに、試験例3で示したようにシート表面でのりん片状析出物を抑制するためには水部数は150重量部以下であることが条件となるため、総合的に判断すると、結合剤としては重合度15のメチルセルロースが最適であり、その濃度は3重量%溶液とすること、またα−LiAlO2粉に対する結合剤溶液の添加部数は150重量部が適当であることが分かった。 As a result, it was found that the change in the viscosity of the slurry was larger when the concentration of the binder solution was changed than when the number of parts of the 3% binder solution was changed. Further, when paying attention to the 3% binder solution, when the binder solution is 100 parts by weight (97 parts by weight of water), the slurry viscosity is about 900 mpa · s, which is considered to be the upper limit that can be dispersed by a bead mill. When mixing by a ball mill was considered, the viscosity of 500 mpa · s or less was necessary as described above, and the result that 150 parts by weight of the binder solution should be used was obtained from FIG. Furthermore, as shown in Test Example 3, in order to suppress flaky precipitates on the sheet surface, the number of water parts is required to be 150 parts by weight or less. It was found that methylcellulose having a polymerization degree of 15 is optimal, and the concentration thereof is 3% by weight, and that 150 parts by weight of the binder solution is added to the α-LiAlO 2 powder.
(試験例5)
下記表3に示す分散剤を用いて、原料粉の分散性評価を行った。なお、分散性の評価には比色管を用いた沈降時間評価を実施した。
(Test Example 5)
Using the dispersant shown in Table 3 below, the dispersibility of the raw material powder was evaluated. For evaluation of dispersibility, sedimentation time was evaluated using a colorimetric tube.
比色管試験では原料粉10gを秤量し各分散剤を0.05〜0.1wt%添加後、ミキサーで15分間混合したのち比色管に入れ透明層、サスペンション層(白濁層)、沈殿層の高さを一定時間毎に測定した。 In the colorimetric tube test, 10 g of raw material powder is weighed and each dispersant is added in an amount of 0.05 to 0.1 wt%. After mixing with a mixer for 15 minutes, the mixture is placed in the colorimetric tube and then a transparent layer, suspension layer (white turbid layer), precipitation layer. Was measured at regular intervals.
この結果、表3に示したようにSNディスパーサント5468と5023が最も沈殿速度が遅く、次いでノプコサントRFA、SNディスパーサント5020の順となった。このうちノプコサントRFAとSNディスパーサント5023は別途実施したグリーンシート作製時に使用するキャリアシートに対し“はじき”傾向が強く、グリーンシート作製時に短部が定着しづらい傾向が見られたため、分散剤としては不適切と判断した。そこで、この“はじき”の改善を目的とし、ノプコサントRFAに湿潤剤を微量添加し分散性の評価を行ったが、何れも良好な結果を得ることができず、分散剤としてはSNディスパーサント5468が適していることがわかった。 As a result, as shown in Table 3, SN dispersants 5468 and 5023 had the slowest precipitation rate, followed by Nopcosanto RFA and SN dispersant 5020 in this order. Among these, Nopco Santo RFA and SN Dispersant 5023 have a strong tendency to “repell” against the carrier sheet used when the green sheet is prepared separately, and the short part tends to be difficult to fix at the time of green sheet preparation. Judged inappropriate. Therefore, for the purpose of improving this “repellency”, a small amount of a wetting agent was added to Nopcosanto RFA to evaluate the dispersibility. However, none of the results showed good results, and SN Dispersant 5468 was used as a dispersing agent. Was found to be suitable.
(試験例6)
表4に示した消泡剤について、そのpHと原料粉を添加した場合のpHを測定することで消泡剤の評価を行った。
(Test Example 6)
About the antifoamer shown in Table 4, the antifoamer was evaluated by measuring the pH at the time of adding the pH and raw material powder.
この結果、原料粉のある無しに無関係でpHが一定である条件を満たす消泡剤としてはSNデフォーマー157とSNデフォーマー260、及びSNデフォーマー485であることがわかった。また、原料粉と水溶媒を混合したときのスラリーpHは11.6と塩基性を示すため消泡剤としては塩基性であることが望ましいので、このような点を考慮するとSNデフォーマー157が中性〜塩基性であり原料粉と反応しないことから消泡剤として適していることがわかった。 As a result, it was found that SN deformers 157, SN deformers 260, and SN deformers 485 are the antifoaming agents that satisfy the condition that the pH is constant regardless of the presence or absence of the raw material powder. In addition, since the slurry pH when the raw material powder and the aqueous solvent are mixed is 11.6 and basic, it is desirable that the antifoaming agent is basic. Therefore, in consideration of such points, the SN deformer 157 is medium. It was found to be suitable as an antifoaming agent because it is basic to basic and does not react with the raw material powder.
(実施例C)
上述した各実施例は、使用した容器が500mL、スラリー量が100mL程度と少なく、混合用ボールも10mmΦのみを使用したが、大面積グリーンシート作製装置用として、2Lのポリエチレン容器を使用し、α−LiAlO2粉に対して3重量%の結合剤溶液を150重量部添加したがスラリー(S1)に分散剤(SNディスパーサント5468)1重量部、消泡剤(SNデフォーマー157)2.5重量部を添加し(S2)、全容量600mLを調合した。混合用ボールには10mmφと5mmφの99.9%アルミナボール重量比1:2で使用した。そして、回転速度100rpmで混合し、3時間毎にスラリーを40mL取り出し、粘度測定、脱泡後、条件出し用試験装置を用いてシート成形した。その後、脱脂して化学分析を行った。
(Example C)
In each of the above-described examples, the container used was as small as 500 mL and the amount of slurry was about 100 mL, and the mixing ball was only 10 mmΦ. However, a 2 L polyethylene container was used for a large area green sheet manufacturing apparatus, and α -150 parts by weight of a 3% by weight binder solution was added to LiAlO 2 powder, but 1 part by weight of a dispersant (SN Dispersant 5468) and 2.5 parts by weight of an antifoaming agent (SN deformer 157) in the slurry (S1) Part (S2) was added to prepare a total volume of 600 mL. The mixing balls were 10 mmφ and 5 mmφ in a 99.9% alumina ball weight ratio of 1: 2. Then, the mixture was mixed at a rotation speed of 100 rpm, and 40 mL of the slurry was taken out every 3 hours. After viscosity measurement and defoaming, the sheet was molded using a test apparatus for condition extraction. Then, degreasing and chemical analysis were performed.
グリーンシート作製には幅600mm、長さ800mm(面積約0.5m2)のドクターブレード装置を使用した。ドクターは1段式の円柱型ブレードを使用し、グリーンシートの厚みが0.45mm程度となるようブレード高さを設定した。乾燥はグリーンシート上部への温風等供給は行わず、シート成形の下部に電気ヒーターを配置し、設定温度を30℃とした。 A green blade was produced using a doctor blade device having a width of 600 mm and a length of 800 mm (area: about 0.5 m 2 ). The doctor used a single-stage cylindrical blade, and the blade height was set so that the thickness of the green sheet was about 0.45 mm. Drying was not performed by supplying hot air or the like to the upper part of the green sheet, but an electric heater was disposed at the lower part of the sheet molding, and the set temperature was 30 ° C.
スラリーの攪拌時間と作製した電解質保持板の空孔率(以下;重量換算空孔率)の関係を調べるため、実施例A5のスラリー1000mLを用いてボールミルにて攪拌3h毎に40mL程度のスラリーを取り出しシート成形し、24時間までのデータを取得した。作製したシートは電気炉にて脱脂し、水銀ポロシメータ(島津製作所製オートポア9250)にて空孔径分布、平均細孔径、空孔率(以下;Hgポロシメータ空孔率)を測定した。 In order to investigate the relationship between the stirring time of the slurry and the porosity of the prepared electrolyte holding plate (hereinafter referred to as the weight-converted porosity), about 40 mL of slurry was stirred every 3 h with a ball mill using 1000 mL of the slurry of Example A5. The sheet was taken out and molded, and data for up to 24 hours was acquired. The prepared sheet was degreased with an electric furnace, and the pore size distribution, average pore size, and porosity (hereinafter referred to as Hg porosimeter porosity) were measured with a mercury porosimeter (manufactured by Shimadzu Corporation, Autopore 9250).
図6にスラリーS1の混合時間と成形した重量換算空孔率の推移の関係を示す。 FIG. 6 shows the relationship between the mixing time of the slurry S1 and the transition of the formed weight-converted porosity.
40mLで成形した電解質保持板の重量換算空孔率は攪拌時間が長くなるほど小さくなるが、18時間以上の攪拌では重量換算空孔率はほぼ一定の値56%を示し、下限値となることが分かった。 The weight-converted porosity of the electrolyte holding plate formed with 40 mL decreases as the stirring time becomes longer. However, when stirring for 18 hours or more, the weight-converted porosity shows a substantially constant value of 56%, which is the lower limit. I understood.
一方、全量600mLを大面積グリーンシート作製装置で作製しても59%程度の空孔率しか得られなかった。これは先に実施した3時間おきのデータは初期において600mLのスラリーであったものが、3時間毎に40mL抜き出してシート成形する方法と取ったため、600mL全量を18時間混合した場合と比較すると160mLもスラリー容量が減少しているため、ボールミル中の混合用ボールとスラリーの比率が変化し原料粉の分散が進んだことに起因すると考えられる。しかしながら600mLのスラリーに対しても24時間の混合では重量換算空孔率は下限値56%まで低下させることができる。 On the other hand, even when a total amount of 600 mL was produced using a large area green sheet production apparatus, only a porosity of about 59% was obtained. This is because the data of every 3 hours previously performed was 600 mL of slurry at the beginning, but it was taken as a method of extracting 40 mL every 3 hours to form a sheet, so 160 mL compared to the case where the entire 600 mL was mixed for 18 hours However, since the slurry volume is decreased, it is considered that the ratio of the mixing balls and the slurry in the ball mill is changed and the dispersion of the raw material powder is advanced. However, even when the slurry is 600 mL, the porosity in terms of weight can be lowered to the lower limit of 56% by mixing for 24 hours.
なお、ここでの電解質保持板は夕刻に原材料の秤量、およびボールミルによる混合を開始し、翌午前中は前回製作したシートの取り出しおよび計測、昼間にグリーンシート成形を行う工程で行ったものであり、これが最適であった。この場合、21時間程度で攪拌を終了させることが最も効率的であることから、製作時間を短縮するための方策を検討したところ、分散性能を向上させるため分散剤添加量を調整することで混合中のスラリー粘度を調整することが可能となり、混合時間を調整できることを見出した。これにより、分散剤2重量部を添加することで21時間攪拌においても56%の空孔率を得ることができた。 The electrolyte holding plate used here is the process of starting the weighing of raw materials and mixing with a ball mill in the evening, taking out and measuring the previously produced sheet in the next morning, and forming the green sheet in the daytime. This was optimal. In this case, it is most efficient to complete the stirring in about 21 hours. Therefore, when measures for shortening the production time were examined, mixing was performed by adjusting the additive amount of the dispersant in order to improve the dispersion performance. It has been found that the slurry viscosity can be adjusted and the mixing time can be adjusted. Thus, by adding 2 parts by weight of the dispersant, a porosity of 56% could be obtained even after stirring for 21 hours.
図7はスラリー(S2)で作製した電解質保持板(脱脂後)の水銀ポロシメータを用いて測定したHg空孔径と平均細孔径の関係を示したものである。また、Hgポロシメータ空孔率と重量換算空孔率の関係を図8に示す。図7から重量換算空孔率が若干空孔率としては低く見積もられる傾向があるが、Hgポロシメータ空孔率との間には良い相関性が見られることを確認した。このことから、作製した部材の空孔径評価には、脱脂工程などの前処理に時間の掛かる水銀ポロシメータ測定を行わなくても、作製したグリーンシートを切り出し、その体積および重量から見積もられる空孔率で評価可能であることを示している。また、図8から空孔率と平均細孔径には良い直線関係が得られ、目標仕様を満たす電解質保持板を作製するためには55%〜59%の重量換算空孔率を持った電解質保持板を作製する必要があり、そのときの平均細孔径は0.2〜0.3μmの間となることが分かった。 FIG. 7 shows the relationship between the Hg pore diameter and the average pore diameter measured using a mercury porosimeter of the electrolyte holding plate (after degreasing) prepared with the slurry (S2). FIG. 8 shows the relationship between the Hg porosimeter porosity and the weight-converted porosity. From FIG. 7, the weight-converted porosity tends to be slightly low as the porosity, but it was confirmed that there is a good correlation with the Hg porosimeter porosity. Therefore, for the evaluation of the pore diameter of the produced member, the porosity obtained by cutting out the produced green sheet and estimating the volume and weight without performing a mercury porosimeter measurement that takes time for pretreatment such as a degreasing process. This indicates that it can be evaluated. Further, from FIG. 8, a good linear relationship is obtained between the porosity and the average pore diameter, and in order to produce an electrolyte holding plate that satisfies the target specification, an electrolyte holding having a weight-converted porosity of 55% to 59%. It was necessary to produce a plate, and the average pore diameter at that time was found to be between 0.2 and 0.3 μm.
また、図9には、脱脂後の空孔径分布を示した。図から明らかなように、0.2μm辺りに鋭い単一ピークを持った電解質保持板が形成されていることが確認できた。 FIG. 9 shows the pore size distribution after degreasing. As is apparent from the figure, it was confirmed that an electrolyte holding plate having a sharp single peak around 0.2 μm was formed.
一方、電解質より空孔径の大きな電解質保持板が必要となり、炭酸塩の保持力を高めるためには、平均細孔径は小さいことが望ましい。このような観点から原料粉の性状を変更し、比表面積5m2/gから比表面積7〜10m2/gの粉体に変更し、これを使用した場合についても検討した結果を図8に示す。この結果、空孔率を60%に維持しつつ平均細孔径を0.2μmに低下できることが確認された。また、原料粉の比表面積をより大きくすることで、空孔率および平均細孔径を調整できることが分かった。
On the other hand, an electrolyte holding plate having a pore size larger than that of the electrolyte is required, and it is desirable that the average pore size is small in order to increase the holding power of the carbonate. Such viewpoint change the properties of the raw material powder from the changes from the specific surface area 5
(試験例7)
実施例CのスラリーS2を用いて成形したグリーンシートを650℃で脱脂して電解質保持板とし、この電解質保持板0.5gを、濃リン酸4mL+濃硫酸5mLの混酸で全量を加熱溶解させ、Li、Alの含有率測定を行った。Liは原子吸光法、AlについてはICP分析法にて定量した。また、他に、XRD測定、比表面積測定を行った。
(Test Example 7)
The green sheet formed using the slurry S2 of Example C was degreased at 650 ° C. to form an electrolyte holding plate, and 0.5 g of this electrolyte holding plate was heated and dissolved with a mixed acid of 4 mL of concentrated phosphoric acid + 5 mL of concentrated sulfuric acid, Li and Al content rates were measured. Li was quantified by atomic absorption method, and Al was quantified by ICP analysis. In addition, XRD measurement and specific surface area measurement were performed.
図10(a)は酸溶解した溶液中のLi量を測定した結果である。この結果、テープ成形後の試料は未処理原料と比較してわずかに含有率が低くなっているが、テープ成形条件による含有率の差異は認められなかった。また、組成式LiAlO2から計算されるLi含有率10.5%に対して、何れの試料も大幅に低い結果が得られたが、原因についは不明である。 FIG. 10A shows the result of measuring the amount of Li in the acid-dissolved solution. As a result, the content after the tape molding was slightly lower than that of the untreated raw material, but no difference in content depending on the tape molding conditions was observed. Moreover, although the results of both samples were significantly lower than the Li content of 10.5% calculated from the composition formula LiAlO 2 , the cause is unknown.
図10(b)はAlの含有率である。テープ成形条件による差異が認められ、TL180705−1ではAl含有量が多い傾向となった。これはTL180704−1では混合用ボールにジルコニアを使用し、TL180705−1ではアルミナボールを使用したために、混合用ボールからの混入があったためと考えられ、本質的にはAl含有量に大差は生じていないと考えられる。しかしながら何れの試料も、計算値(40.9%)よりも大幅に低いが、本理由については不明である。 FIG. 10B shows the Al content. Differences due to tape molding conditions were observed, and TL180705-1 tended to have a high Al content. This is probably because TL180704-1 uses zirconia for the mixing balls and TL180705-1 uses alumina balls, so there was contamination from the mixing balls. Essentially, there was a large difference in the Al content. It is thought that it is not. However, although all samples are significantly lower than the calculated value (40.9%), the reason for this is unknown.
図10(c)はLi/Alモル比である。各試料間に有意な差は認められなかったが、すべての試料でAlに対してLiが80%程度しか含まれていないことが分かる。 FIG. 10C shows the Li / Al molar ratio. Although no significant difference was observed between the samples, it can be seen that all samples contained only about 80% of Li with respect to Al.
図11は比表面積の比較データである。未処理粉に比べ、テープ成形後の粉体のほうが比表面積が若干大きくなる程度であることが分かった。これは、ボールミルによる混合で十分な原料粉の分散ができたためと考えられる。 FIG. 11 shows comparative data of specific surface area. It was found that the specific surface area of the powder after tape molding was slightly larger than that of the untreated powder. This is considered to be because the raw material powder was sufficiently dispersed by mixing with a ball mill.
また、図12はXRDによる回折パターンであるが回折パターンの形状については、未処理粉およびテープ成形後の脱脂粉の間には、明確な違いは確認できなかった。 Moreover, although FIG. 12 is a diffraction pattern by XRD, about the shape of the diffraction pattern, a clear difference was not able to be confirmed between untreated powder and degreased powder after tape formation.
以上から、未処理粉とテープ成形後の粉体性状の違いはAl含有量の若干の相違が見られるが、これは、ボールからのAlの混入と考えられ、この点を除けば、ほとんど違いは見られず、水を溶媒として用いることで粉体に特別な影響は及ぼしていないことが確認できた。 From the above, the difference in powder properties between the untreated powder and the tape is slightly different in the Al content, but this is considered to be the mixing of Al from the ball. It was confirmed that no special influence was exerted on the powder by using water as a solvent.
(実施例D)
実施例CのスラリーS2を用い、グリーンシートを作製し、電極部材と共に燃料電池に設置した後、燃料電池の昇温過程において脱脂して炭酸塩を含浸させ、650℃において発電試験を行った。なお、比較のため、有機溶媒を使用した電解質板セルについても同様に発電試験を行った。
(Example D)
Using the slurry S2 of Example C, a green sheet was prepared and installed in the fuel cell together with the electrode member, and then degreased and impregnated with carbonate during the temperature rising process of the fuel cell, and a power generation test was performed at 650 ° C. For comparison, a power generation test was similarly performed on an electrolyte plate cell using an organic solvent.
表5には発電試験に供した本実施例の電解質板セルの材料組合せ詳細仕様を示す。比較例の電解質板セルを18CI−1、実施例の電解質板セルを18CI−2とした。 Table 5 shows the detailed specification of the material combination of the electrolyte plate cell of this example subjected to the power generation test. The electrolyte plate cell of the comparative example was 18CI-1, and the electrolyte plate cell of the example was 18CI-2.
実施例及び比較例に使用した電極は共に同一のロットから切り出し、同一仕様の部材を使用し、異なる部材は電解質保持板のみとした。また、発電開始までの昇温過程も両セル共に同じとした。さらに、実施例と同一仕様の小型セル(電極面積5cm2程度)についても700時間程度の発電試験を実施した。 The electrodes used in the examples and comparative examples were both cut out from the same lot, the members having the same specifications were used, and the only different member was the electrolyte holding plate. In addition, the temperature rising process until the start of power generation is the same for both cells. Furthermore, a power generation test of about 700 hours was performed on a small cell (electrode area of about 5 cm 2 ) having the same specifications as the example.
図13はで本出願人が開発した性能表示式によって解析した発電初期におけるセル性能の性能要因分析試験結果である。 FIG. 13 shows the performance factor analysis test results of the cell performance at the initial stage of power generation analyzed by the performance display formula developed by the present applicant.
有機溶媒を使用した比較例のセル(18CI−1)と実施例の水系電解質板セル(18C−2)を比較すると、電解質板厚みが若干薄い分内部抵抗による電圧降下が少ない。その他の過電圧による電圧降下はほぼ同等であり、性能面での相違は見られないことが分かった。また、カソードからのクロスリークによるアノードの出口N2濃度は0.5%程度の低いレベルに収まっており、開路電圧もほぼ理論値どおりの値を示していることからセルの健全性も確認することができた。 When the cell (18CI-1) of the comparative example using an organic solvent is compared with the water-based electrolyte plate cell (18C-2) of the example, the voltage drop due to the internal resistance is small because the thickness of the electrolyte plate is slightly thinner. The voltage drop due to other overvoltages was almost the same, and it was found that there was no difference in performance. In addition, the N2 concentration at the anode outlet due to cross leakage from the cathode is kept at a low level of about 0.5%, and the open circuit voltage is almost the same as the theoretical value. I was able to.
図14は実施例の小型セルの電解質板断面の(a)試験前の電解質板写真、(b)700時間発電後、および(c)α−LiAlO2原料粉、(d)は有機溶媒で作製の電解質保持板の断面SEM写真である。短時間の運転ではあるが、試験前と試験後のα−LiAlO2粒子形状と間には有意な差異は見られず、また、原料粉や有機溶媒を用いて作製した電解質保持板との粒子径に有意な差異は見られず、水を溶媒として作製した電解質保持板を使用しても発電初期において粒子が肥大化もしくは微細化するような傾向は無いことが明らかになった。 14 shows (a) a photograph of the electrolyte plate before the test, (b) after 700 hours of power generation, and (c) α-LiAlO 2 raw material powder, and (d) made with an organic solvent. It is a cross-sectional SEM photograph of the electrolyte holding plate. Although it is a short time operation, there is no significant difference between the α-LiAlO 2 particle shape before and after the test, and the particles with the electrolyte holding plate prepared using the raw material powder or the organic solvent. There was no significant difference in diameter, and it became clear that even when an electrolyte holding plate prepared using water as a solvent was used, there was no tendency for particles to enlarge or become finer in the early stage of power generation.
(実施例及び試験例の結果)
1)グリーンシート表面に存在するりん片状析出物はスラリーのpH測定からLi2CO3もしくはLi2CO3の水和物と推察され、脱脂過程において消失する。このため電解質板機能維持の観点からは問題は生じないこと、さらにりん片状析出物についてはスラリー混合時の原料粉に対する水の添加量を少なくすることで、抑制可能であることが明らかになった。
(Results of Examples and Test Examples)
1) The flaky precipitate present on the surface of the green sheet is inferred as Li 2 CO 3 or Li 2 CO 3 hydrate from the pH measurement of the slurry and disappears in the degreasing process. For this reason, it has become clear that there is no problem from the viewpoint of maintaining the electrolyte plate function, and that flaky precipitates can be suppressed by reducing the amount of water added to the raw material powder during slurry mixing. It was.
2)水系スラリーを用いてα−LiAlO2電解質保持板を作製するためには結合剤として重合度15程度のメチルセルロースを使用すること、また結合力を保持するため3重量%濃度の水溶液を使用することが重要であることが明らかとなった。 2) In order to produce an α-LiAlO 2 electrolyte holding plate using an aqueous slurry, methylcellulose having a polymerization degree of about 15 is used as a binder, and an aqueous solution having a concentration of 3% by weight is used to maintain the binding force. It became clear that this was important.
3)電解質保持板の空孔率を調整する手段として分散剤が大きく関与しており、本原料粉に対してはアニオン系のポリカルボン酸アンモニウム水溶液が適していること、消泡剤については原料粉との反応を避けるため中性〜塩基性のものが適していることが明らかになった。 3) A dispersant is greatly involved as a means for adjusting the porosity of the electrolyte holding plate, and an anionic polycarboxylate aqueous solution is suitable for the raw material powder. It was found that neutral to basic ones are suitable to avoid reaction with the powder.
4)スラリーの混合時間と電解質保持板空孔率の関係が明らかになり、分散剤添加量を調整することで目的とする空孔率を得るための混合時間を調整することが可能となった。また、本プロセス技術を用いれば空孔率55%〜65%、平均細孔径0.2μm〜0.5μmの範囲で電解質保持板の製造が可能となった。 4) The relationship between the mixing time of the slurry and the porosity of the electrolyte holding plate was clarified, and it became possible to adjust the mixing time to obtain the desired porosity by adjusting the amount of dispersant added. . Further, when this process technology is used, it is possible to produce an electrolyte holding plate in the range of porosity of 55% to 65% and average pore diameter of 0.2 μm to 0.5 μm.
5)成形後のテープ評価や発電試験後の電解質保持板粒子形状評価から、原料粉との有意な差異は認められず、良好な電解質保持板を作製できた。 5) From the evaluation of the tape after molding and the evaluation of the particle shape of the electrolyte holding plate after the power generation test, no significant difference from the raw material powder was observed, and a good electrolyte holding plate could be produced.
6)有機溶媒を用いたプロセスにて作製した電解質保持板と、本発明の水系電解質保持板を用いて発電試験を行った結果、有機溶媒で作製した電解質板セルと同等の良好な性能を有し、これまで開発が諦められていた水系電解質保持板が有効であることが分かった。 6) As a result of the power generation test using the electrolyte holding plate produced by the process using the organic solvent and the aqueous electrolyte holding plate of the present invention, it has the same good performance as the electrolyte plate cell produced using the organic solvent. In addition, it has been found that the aqueous electrolyte holding plate, which has been given up until now, is effective.
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