JP2011191124A

JP2011191124A - シート状焼結体の材料曲げ強度測定用試験片の製作方法

Info

Publication number: JP2011191124A
Application number: JP2010056078A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Uozumi; 学司魚住
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2010-03-12
Filing date: 2010-03-12
Publication date: 2011-09-29

Abstract

【課題】シート状焼結体の材料曲げ強度を行うに際して、グリーンシートからの切り出し時における欠け等の発生を防止して、当該ロットの材料曲げ強度を高い精度で評価することが可能になるシート状焼結体の材料曲げ強度測定用試験片の製作方法を提供する。
【解決手段】シート状焼結体の材料曲げ強度を測定するに際して、その試験片を製作するための方法であって、上記シート状焼結体の素材となるグリーンシート１に、先端に円形の切断刃２ｂが形成された円筒状の金型２を押し付け、当該金型２をその軸線Ｃ廻りに回転させて円板状のグリーンシート１ａを切り出した後に、得られた円板状のグリーンシート１ａを焼結して上記試験片３を得ることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミックスやサーメット等からなるシート状焼結体の材料曲げ強度を測定するに際して、その試験片を製作するための製作方法に関するものである。

例えば、従来の一般的な固体酸化物形燃料電池においては、支持体となる固体電解質層の一方の面に燃料極層が一体に形成されるとともに、他方の面に空気極層が一体に形成された円板状の発電セルが用いられている。

ここで、固体電解質層としては、イットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）や、（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇ）Ｏ₃、（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇＣｏ）Ｏ₃、（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇＮｉ）Ｏ₃、（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇＦｅ）Ｏ₃等の高い酸素イオン伝導性を有するランタンガレート系（ＬａＧａＯ₃系）材料が用いられている。

また、燃料極層としては、Ｎｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットが用いられ、空気極層としては、ＬａＭｎＯ₃、ＬａＣｏＯ₃等が用いられている。
ちなみに、上記固体電解質層は、１５０μｍ以上の厚さ寸法を有するとともに、上記燃料極層および空気極層は、それぞれ上記固体電解質層の表面に２０〜３０μｍの厚さ寸法で形成されている。

このような構成からなる発電セルは、当該発電セルに酸化剤ガスおよび燃料ガスを供給するセパレータや集電体とともに複数枚が積層され、所定の荷重が付加された状態で、７００〜８００℃の温度雰囲気下において発電を行うものである。

ところで、この種の発電セルにあっては、セラミックスからなる１５０μｍといった薄肉の円板状部材であるために弾性に乏しく、しかも常温から約８００℃程度の高温との間において大きな熱応力を受けるものである。このため、上記セラミックス素材からなる発電セルを用いて燃料電池を組み立てるに際しては、その素材のロット毎に複数枚の試験片を採取して材料曲げ強度試験を行い、平均強度やワイブル係数（形状係数）を算出することにより、当該ロットにおける素材の材料曲げ強度を評価している。

一方、一般的なセラミックス材料における材料曲げ強度の試験方法については、ＪＩＳＲ１６０１に規格化されている。これは、所定の寸法（４^W×３６^L以上×３^t、単位ｍｍ（以下同様））に切り出した試験片に対して、３点曲げ試験を行うものである。

そこで、従来は、上記規格を参酌して、素材となる上記セラミックスのグリーンシートから、定規とカッターを用いたり、あるいは方形の刃を有する金型を用いたりして方形シート（７０×２０）を切り出し、次いでこれを焼結して方形板状（５０×１５×０．１５^t）の試験片を製作して、当該試験片について上記３点曲げ試験を行っていた。

ところが、グリーンシートから方形シートを切り出す際に、定規とカッターを用いた場合には、当該カッターの刃の切れ味が悪い場合や、熟練度が低い作業者が、カッターを連続的に移動させずに途中で中断させたり、あるいは局部的にカッターを定規から逸脱させたりした場合等に、得られた方形シートの切断縁部に、カット不良による欠けが発生し易い。また、方形の刃を有する金型を用いた場合にも、当該刃をグリーンシートに押し付けて、そのままくり貫く際に、力の不均衡等に起因して同様のカット不良による欠けが発生し易い傾向にある。

そして、このようにして得られた方形シートを焼結して試験片を製作し、上記３点曲げ試験を行うと、欠けが生じた試験片については、当該欠け部分に応力が集中して弱い曲げ応力で割れを生じてしまい、この結果ロットにおける平均強度が、素材本来の値よりも低くなるとともに、ロット内の複数枚の試験片における曲げ強度のバラツキを示す形状係数（ワイブル係数）が小さくなって、信頼度が低下し、よって合理的な評価を行うことができないという問題点があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、セラミックスやサーメット等からなるシート状焼結体の材料曲げ強度を行うに際して、グリーンシートからの切り出し時における欠け等の発生を防止して、当該ロットの材料曲げ強度を高い信頼性に基づいて評価することが可能になるシート状焼結体の材料曲げ強度測定用試験片の製作方法を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、シート状焼結体の材料曲げ強度を測定するに際して、その試験片を製作するための方法であって、上記シート状焼結体の素材となるグリーンシートに、先端に円形の切断刃が形成された円筒状の金型を押し付け、当該金型をその軸線廻りに回転させて円板状のグリーンシートを切り出した後に、得られた円板状の上記グリーンシートを焼結して上記試験片を得ることを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記シート状焼結体が、固体酸化物形燃料電池の発電セルの素材となるイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、ランタンガレート系（ＬａＧａＯ₃系）またはガドリニウムを添加したセリア（ＧＤＣ）材料からなることを特徴とするものである。

請求項１または２に記載の発明によれば、金型の円形の切断刃をグリーンシートに押し付けて、当該金型をその軸線廻りに回転させることにより、グリーンシートは、切断刃から均一な力を受けつつ、当該切断刃によってその円周方向に同時にかつ連続的に切断されて行く。このため、切り出された円板状のグリーンシートの切断縁部に、従来のような欠けを生じることがない。

この結果、上記円板状のグリーンシートを焼結して得られた試験片によって材料曲げ強度試験を行った場合に、従来のように一部の試験片に極端に低い強度が測定される虞が無く、よってロット毎に、その材料曲げ強度を高い信頼性の基に評価することが可能になる。

したがって、請求項２に記載の発明のように、使用条件が過酷な上に、厚さ寸法が１ｍｍ以下といった、固体酸化物形燃料電池の発電セルとして用いられるイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）やランタンガレート系（ＬａＧａＯ₃系）あるいはガドリニウムを添加したセリア（ＧＤＣ）材料の材料曲げ強度測定用試験片の製造に適用した場合に、顕著な効果が得られる。

本発明の一実施形態において金型によってグリーンシートから円板状のシートを切り出す状態を示す縦断面図である。本発明の実施例および比較例による実験結果を示す図表である。図２（ａ）の実施例−１のロットにおける１６個の試験片の実験結果をプロットしたグラフである。図２（ｂ）の比較例―のロットにおける１６個の試験片の実験結果をプロットしたグラフである。

図１は、本発明に係るシート状焼結体の材料曲げ強度測定用試験片の製作方法を、固体酸化物形燃料電池の発電セルを構成するランタンガレート系（セラミックス素材）の固体電解質層の材料曲げ強度測定用試験片を製作する際に適用した一実施形態を示すものである。

先ず、１ロットの上記セラミックス素材によって、長さ数ｍ、幅数十ｃｍ、厚さ０．２ｍｍのグリーンシートを製造し、当該グリーンシートから１６０ｍｍφまたは２２０ｍｍφの固体電解質層を切り出す際に、当該固体電解質層の材料曲げ強度を評価するために、その円形に打ち抜かれたグリーンシートの残余部分から複数の（本実施形態および後述する実施例においては１６個）の直径７０ｍｍφの薄肉円板状の試験片を切り出す。

この際に、図１に示すように、固体電解質層の素材となる上記セラミックス素材のグリーンシート１から、金型２によって薄肉円板状のグリーンシート１ａを切り出す。ここで、金型２は、鋼製の円筒状の本体２ａの下端部に、鋭利な円形状の切断刃２ｂが形成されたものである。

そして、上記金型２の切断刃２ｂを、グリーンシート１の上面に載置し、その重量をグリーンシート上に預けた状態で、当該金型２をその軸線Ｃ廻りにゆっくりと約１回転、回転させる。すると、グリーンシート１は、金型２の重量が作用する円形状の切断刃２ｂによって、円周方向に同時にかつ連続的に切断されて、薄肉円板状のグリーンシート１ａが切り出される。次いで、上記グリーンシート１ａを、他の固体電解質となる円形のグリーンシートとともに焼結することにより、直径５２ｍｍφの試験片３が得られる。

以上の構成からなるシート状焼結体の材料曲げ強度測定用試験片の製作方法によれば、金型２の円形の切断刃２ｂをグリーンシート１に押し付けて、金型２をその軸線Ｃ廻りに回転させると、グリーンシート１は、円形の切断線の全長に亘って当接している切断刃２ｂから均一な力を受けつつ、この切断刃２ｂによってその円周方向に連続的に切断されて行く。このため、切り出された薄肉円板状のグリーンシート１ａの切断縁部に、従来のような欠けを生じることがない。

この結果、円板状のグリーンシート１ａを焼結して得られた試験片３によって材料曲げ強度試験を行った場合に、従来のように一部の試験片に極端に低い強度が測定される虞が無く、よってロット毎に、その材料曲げ強度を高い信頼性の基に評価することが可能になる。

次に、本発明の効果を実証するために行った実験の結果について説明する。なお、実験に用いたセラミック素材は、いずれもランタンガレート系の同一材料である。
先ず、図２（ａ）に示す実施例−１、実施例−２に示すロットのグリーンシートから、それぞれ上記実施の形態に示した金型２を用いた方法によって、各々１６個の直径７０ｍｍφの薄肉円板状のグリーンシート１ａを切り出し、これらを焼結して直径５２ｍｍφの試験片を製作した。

一方、比較例１として、図２（ｂ）に示す比較例−１〜４に示す各ロットのグリーンシートから、定規およびカッターを用いて方形のグリーンシートを切り出し、これらを焼結して各々１６個の５０ｍｍ×１５ｍｍの方形の試験片を製作した。

また、比較例２として、図２（ｃ）に示す比較例−５〜８に示す各ロットのグリーンシートから、方形の切断刃を備えた金型を用いて方形のグリーンシートをくり貫き、これらを焼結して各々１６個の５０ｍｍ×１５ｍｍの方形の試験片を製作した。

そして、これらの試験片に対して、同様の３点曲げ試験を行った。図２（ａ）〜（ｃ）は、その結果を示すものである。また、図３は、実施例−１のロットから得られた１６個の試験片の３点曲げ試験結果を、形状係数ｍを確認するためにプロットしたものであり、図４は、同様に比較例−１のロット（実施例−１と同じロット）から得られた１６個の試験片の３点曲げ試験結果をプロットしたものである。

これらの図から、比較例１、２においては、グリーンシートからの切り出し時に生じた欠けに起因すると思われる極端に曲げ強度が低い試験片が混在する結果、形状係数（ワイブル係数）ｍが小さくなって、信頼性の高い、合理的な評価を行うことができない場合が生じている。

これに対して、本発明に係る実施例−１、２においては、いずれもそのような試験片が生じておらず、よって形状係数も８．８０、９．４６と妥当な値を示してバラツキの少ないことが判る。ちなみに、一般的にセラミックス材料における形状係数は、５〜２０である。したがって、本発明によれば、一部の試験片に極端に低い強度が測定される虞が無く、よってロット毎に、その材料曲げ強度を高い信頼性の基に評価し得ることが実証された。

１グリーンシート
２金型
２ｂ円形の切断刃
３試験片

Claims

シート状焼結体の材料曲げ強度を測定するに際して、その試験片を製作するための方法であって、
上記シート状焼結体の素材となるグリーンシートに、先端に円形の切断刃が形成された円筒状の金型を押し付け、当該金型をその軸線廻りに回転させて円板状のグリーンシートを切り出した後に、得られた円板状の上記グリーンシートを焼結して上記試験片を得ることを特徴とするシート状焼結体の材料曲げ強度測定用試験片の製作方法。
上記シート状焼結体は、固体酸化物形燃料電池の発電セルの素材となるイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、ランタンガレート系（ＬａＧａＯ₃系）またはガドリニウムを添加したセリア（ＧＤＣ）材料からなることを特徴とする請求項１に記載のシート状焼結体の材料曲げ強度測定用試験片の製作方法。