JP2015011838A - Solid oxide fuel battery cell and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid oxide fuel battery cell including a member comprising porous ceramic and having excellent cell strength and high generation power, and a method for manufacturing the solid oxide fuel battery cell.SOLUTION: In a solid oxide fuel battery cell, at least one of a support, a fuel electrode and an air electrode constituting a fuel battery cell comprises porous ceramic that is obtained by using a water-containing medium and crosslinkable water-absorbing resin fine particles, as a pore-forming agent, The water absorption amount of the crosslinkable water-absorbing resin fine particles is preferably in a range of 3-100 ml/g.

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池(以下、「SOFC」ともいう)セルに関する。さらに詳しくは、優れたセル強度と高い発電力を備えたSOFCセル及びその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as “SOFC”) cell. More specifically, the present invention relates to a SOFC cell having excellent cell strength and high power generation and a method for manufacturing the same.

一般に、SOFCセルは、固体電解質層を燃料極層と空気極層とで挟持した積層型の発電素子が、ガス透過性を有する支持体に配設された構造を有する。また、支持体と燃料極又は空気極とが一体化された構造のものも多くみられる。
ここで、燃料極には水素、一酸化炭素又はプロパン等の燃料ガスが供給され、空気極には空気(酸素)が供給されることにより発電がおこなわれる。SOFCの発電特性を高める目的で、様々な材質及びセル構造等が提案されているが、いずれにおいても、支持体、燃料極層及び空気極層の各部材には、高いガス透過性を有することが要求される。
In general, the SOFC cell has a structure in which a laminated power generation element in which a solid electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode layer and an air electrode layer is disposed on a support having gas permeability. In many cases, the support and the fuel electrode or air electrode are integrated.
Here, fuel gas such as hydrogen, carbon monoxide or propane is supplied to the fuel electrode, and air (oxygen) is supplied to the air electrode to generate power. Various materials and cell structures have been proposed for the purpose of enhancing the power generation characteristics of SOFC, but in any case, each member of the support, fuel electrode layer, and air electrode layer should have high gas permeability. Is required.

前記ガス透過性を確保するため、支持体、燃料極層及び空気極層の各部材を成形する際には、気孔形成剤(造孔剤又はポア剤ともいう)を使用して多孔化(高気孔率化)することが行われている。しかし、多孔化することによりセルの強度が低下するため、セル製造時の歩留まりの低下又はセルの耐久性の低下といった問題が発生しやすくなる。そのため、気孔形成剤には、高気孔率化が可能で、かつ、セル強度を低下させないような特性が求められている。   In order to ensure the gas permeability, when forming each member of the support, the fuel electrode layer, and the air electrode layer, a pore forming agent (also referred to as a pore-forming agent or a pore agent) is used to make it porous. Porosity) has been performed. However, since the strength of the cell decreases due to the porosity, problems such as a decrease in yield during manufacturing of the cell or a decrease in durability of the cell are likely to occur. Therefore, the pore-forming agent is required to have characteristics that can increase the porosity and do not decrease the cell strength.

一般的に、気孔形成剤としては、デンプン、フェノール樹脂、カーボン繊維、カーボン粉末、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロースおよびメチルセルロース等のセルロース類、その他の多糖類、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系ポリマー、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン等の乳化重合や懸濁重合によって得られたアクリル系又はスチレン系ポリマー等が知られている。
これらの中でも、(1)スラリーへの分散性およびセラミックスとの混和性、(2)耐溶剤性、(3)焼成した時に燃え残りがないこと(焼成性)、(4)焼成して得られる電極の強度が高いこと等の観点から、気孔形成剤として特定の架橋重合体微粒子を用いて得られるSOFCが提案されている。
In general, pore-forming agents include starch, phenolic resin, carbon fiber, carbon powder, celluloses such as polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose and methylcellulose, other polysaccharides, polyolefin polymers such as polyethylene and polypropylene, and polymethylmethacrylate. Acrylic or styrenic polymers obtained by emulsion polymerization or suspension polymerization of polystyrene or the like are known.
Among these, (1) dispersibility in slurry and miscibility with ceramics, (2) solvent resistance, (3) no burning residue when fired (fireability), (4) obtained by firing From the viewpoint of high electrode strength, SOFCs obtained using specific crosslinked polymer fine particles as pore forming agents have been proposed.

特許文献1には、平均粒子径0.01〜30μmの架橋重合体微粒子が集合した平均粒子径0.5〜100μmの架橋重合体微粒子集合体を気孔形成剤として用いたSOFC用材料が開示されている。また、特許文献2には、気孔形成剤として球状樹脂及び繊維状樹脂を併用して得られるSOFCセルが記載されている。さらに、特許文献3には、特定の粒子径及び特定の変動係数を有する架橋重合体微粒子を気孔形成剤とするSOFC用材料の製造方法が開示されている。   Patent Document 1 discloses a SOFC material using a cross-linked polymer fine particle aggregate having an average particle size of 0.5 to 100 μm in which cross-linked polymer fine particles having an average particle size of 0.01 to 30 μm are aggregated as a pore forming agent. ing. Patent Document 2 describes an SOFC cell obtained by using a spherical resin and a fibrous resin in combination as pore forming agents. Further, Patent Document 3 discloses a method for producing an SOFC material using crosslinked polymer fine particles having a specific particle diameter and a specific coefficient of variation as a pore-forming agent.

特開2005−327511号公報JP 2005-327511 A 特開2006−331743号公報JP 2006-331743 A 特開2011−34819号公報JP 2011-34819 A

しかしながら、特許文献1〜3に記載の発明では、気孔率を高くしようとした場合には比較的多量の気孔形成剤を用いる必要がある。このため、セラミック製造時の脱脂工程等において気孔形成剤が焼失する際に急激な分解熱や分解ガスの発生が生じ、セラミック成形体に歪やクラックを生じるという問題が見られる場合があった。また、このような問題を回避するためには、脱脂工程及びその前後において緩やかな昇温速度により処理する必要が生じるため、生産性の観点からも改善が望まれるものであった。   However, in the inventions described in Patent Documents 1 to 3, it is necessary to use a relatively large amount of pore-forming agent when trying to increase the porosity. For this reason, when the pore-forming agent is burned out in a degreasing process or the like at the time of ceramic production, there is a case in which a rapid generation of decomposition heat or decomposition gas occurs, causing a problem that distortion or cracks occur in the ceramic molded body. Moreover, in order to avoid such a problem, since it is necessary to perform the treatment at a moderate temperature rise rate before and after the degreasing step, improvement has been desired from the viewpoint of productivity.

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものである。すなわち、少量の添加量でも高い気孔率が得られる気孔形成剤を用いて得られる、優れたセル強度と高い発電力を備えたSOFCセル及びその製造方法を提供することを課題とするものである。   The present invention has been made in view of the above problems. That is, it is an object of the present invention to provide an SOFC cell having excellent cell strength and high power generation obtained by using a pore-forming agent capable of obtaining a high porosity even with a small addition amount, and a method for producing the same. .

本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意検討した結果、水を含む媒体及び気孔形成剤としての架橋型吸水性樹脂微粒子を用いて得られた多孔質セラミックをSOFC用材料として用いた場合、高い気孔率であっても優れたセル強度を示すことを見出し、本発明を完成した。   As a result of intensive studies in view of the above problems, the present inventors have found that when a porous ceramic obtained using a water-containing medium and crosslinked water-absorbing resin fine particles as a pore-forming agent is used as a material for SOFC, it is high. The inventors have found that even if the porosity is excellent cell strength, the present invention has been completed.

本発明は以下の通りである。
〔1〕固体酸化物形燃料電池セルであって、当該燃料電池セルを構成する支持体、燃料極及び空気極の少なくとも一つが、水を含む媒体及び気孔形成剤としての架橋型吸水性樹脂微粒子を用いて得られる多孔質セラミックであることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル。
〔2〕前記架橋型吸水性樹脂微粒子の常圧におけるイオン交換水の吸水量が、3〜100ml/gであることを特徴とする上記〔1〕に記載の固体酸化物形燃料電池セル。
〔3〕前記架橋型吸水性樹脂微粒子のイオン交換水で飽和膨潤した状態における平均粒子径が、1〜100μmであることを特徴とする上記〔1〕又は〔2〕に記載の固体酸化物形燃料電池セル。
〔4〕空気中、常温から600℃まで、昇温速度10℃/min.条件下での前記架橋型吸水性樹脂微粒子の加熱重量減少を測定した際に、温度差100℃となる任意の区間における当該加熱重量減少が50質量%以下であることを特徴とする上記〔1〕〜〔3〕のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池セル。
〔5〕前記架橋型吸水性樹脂微粒子における硫黄元素の含有量が、500質量ppm以下であることを特徴とする上記〔1〕〜〔4〕のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池セル。
〔6〕前記多孔質セラミックが、セルロースの水酸基の一部又は全部を、メトキシ基及び/又はヒドロキシアルコキシル基で置換した構造を有するバインダーを用いて得られたものであることを特徴とする上記〔1〕〜〔5〕のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池セル。
〔7〕固体酸化物形燃料電池セルの製造方法であって、当該燃料電池セルを構成する支持体、燃料極及び空気極の少なくとも一つに、水を含む媒体及び気孔形成剤としての架橋型吸水性樹脂微粒子を用いて混練、成形、乾燥及び脱脂を含む工程を経て得られる多孔質セラミックを用いることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルの製造方法。
The present invention is as follows.
[1] Solid oxide fuel cell, wherein at least one of a support, a fuel electrode and an air electrode constituting the fuel cell is a medium containing water and crosslinked water-absorbent resin fine particles as a pore-forming agent A solid oxide fuel cell characterized by being a porous ceramic obtained by using
[2] The solid oxide fuel cell according to [1], wherein the cross-linked water-absorbing resin fine particles have a water absorption amount of 3 to 100 ml / g at normal pressure.
[3] The solid oxide form according to the above [1] or [2], wherein the crosslinked water-absorbent resin fine particles have an average particle diameter of 1 to 100 μm when saturated and swollen with ion exchange water. Fuel cell.
[4] In air, from room temperature to 600 ° C., the rate of temperature increase is 10 ° C./min. The above-mentioned [1], wherein the decrease in heating weight in an arbitrary section where the temperature difference is 100 ° C. is 50% by mass or less when the decrease in heating weight of the crosslinked water-absorbing resin fine particles is measured under the conditions. ] The solid oxide fuel cell according to any one of [3] to [3].
[5] The solid oxide fuel cell according to any one of [1] to [4], wherein the content of sulfur element in the crosslinked water-absorbent resin fine particles is 500 mass ppm or less. .
[6] The above porous ceramic is obtained by using a binder having a structure in which a part or all of hydroxyl groups of cellulose is substituted with methoxy groups and / or hydroxyalkoxyl groups. The solid oxide fuel cell according to any one of 1] to [5].
[7] A method for producing a solid oxide fuel cell, wherein at least one of a support, a fuel electrode and an air electrode constituting the fuel cell has a water-containing medium and a cross-linking type as a pore forming agent A method for producing a solid oxide fuel cell, comprising using a porous ceramic obtained through steps including kneading, molding, drying and degreasing using water absorbent resin fine particles.

本発明の固体酸化物形燃料電池セルは、少量の気孔形成剤により高気孔率化された多孔質セラミックをその部材に含むものである。このため、優れたセル強度を有するとともに高い発電力を示すことができる。   The solid oxide fuel cell according to the present invention includes a porous ceramic whose member is made highly porous with a small amount of a pore forming agent. For this reason, it has excellent cell strength and can exhibit high power generation.

架橋型吸水性樹脂微粒子の吸水量の測定に用いる装置を示す図である。It is a figure which shows the apparatus used for the measurement of the amount of water absorption of bridge | crosslinking type water-absorbent resin fine particles. 実施例において用いた気孔形成剤(架橋型吸水性樹脂微粒子)の加熱重量減少挙動を示すグラフThe graph which shows the heating weight decreasing behavior of the pore formation agent (crosslinked water-absorbent resin fine particles) used in the examples 実施例において用いた気孔形成剤(架橋型吸水性樹脂微粒子)の加熱重量減少挙動を示すグラフThe graph which shows the heating weight decreasing behavior of the pore formation agent (crosslinked water-absorbent resin fine particles) used in the examples 比較例において用いた気孔形成剤(架橋型吸水性樹脂微粒子)の加熱重量減少挙動を示すグラフThe graph which shows the heating weight reduction | decrease behavior of the pore formation agent (crosslinked water-absorbent resin fine particles) used in the comparative example 本発明による固体酸化物型燃料電池セルの具体的な一構造例である。1 is a specific structural example of a solid oxide fuel cell according to the present invention. 固体酸化物型燃料電池セルの等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of a solid oxide fuel cell.

本発明の一実施形態について説明すると以下の通りであるが、本発明はこれに限定されるものではない。尚、本願明細書においては、アクリル酸又はメタクリル酸を、(メタ)アクリル酸と表す。
<固体酸化物形燃料電池(SOFC)>
本発明における固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、固体電解質支持型、電極支持型、平板型、円筒型など各種の形態をとることができる。SOFCの構造は、支持体において固体電解質を燃料極と空気極とで挟持した構成を持つセルと、燃料ガスと空気を分離・流通させるためのセパレータとを交互に多数積層させたものが一般的である。
An embodiment of the present invention will be described as follows, but the present invention is not limited to this. In the present specification, acrylic acid or methacrylic acid is represented as (meth) acrylic acid.
<Solid oxide fuel cell (SOFC)>
The solid oxide fuel cell (SOFC) in the present invention can take various forms such as a solid electrolyte support type, an electrode support type, a flat plate type, and a cylindrical type. The structure of SOFC is generally a structure in which a cell having a structure in which a solid electrolyte is sandwiched between a fuel electrode and an air electrode, and separators for separating and distributing fuel gas and air are stacked in layers. It is.

<支持体>
支持体は、燃料極、固体酸化物及び空気極からなる発電素子を支持し、SOFCセルとして実際に使用する際において必要な強度又は形態とするための部材である。支持体が燃料極あるいは空気極と一体化された構造のものも多くみられ、この場合、支持体は、燃料ガスや空気、或いは発電の際に発生するガスを通過、拡散させるためのガス流路を備えた多孔質セラミックからなる。
支持体は、好ましくは0.5〜3mm程度の厚みを有し、一般的に、SOFCセルの構成の中では最も厚い部材である。また、燃料等の供給及び生成ガスの流路を確保し、高い発電力を確保するために、支持体のガス透過性(気孔率)を制御することは、非常に重要である。支持体の気孔率は必要な強度を保つ範囲で高い方が好ましいとされ、好ましい気孔率は30%以上であり、より好ましくは35%以上、さらに好ましくは40%以上である。
支持体の構成成分は、SOFCセルに必要な強度及び耐レドックス性を確保できるものであれば特に制限はない。例えば、鉄、コバルト又はニッケル並びにこれらの酸化物を含んでもよい。
<Support>
The support is a member for supporting a power generating element composed of a fuel electrode, a solid oxide, and an air electrode, and having a strength or form necessary for actual use as a SOFC cell. In many cases, the support is integrated with the fuel electrode or the air electrode. In this case, the support is a gas flow for passing and diffusing fuel gas, air, or gas generated during power generation. It consists of a porous ceramic with a channel.
The support preferably has a thickness of about 0.5 to 3 mm, and is generally the thickest member in the SOFC cell configuration. In addition, it is very important to control the gas permeability (porosity) of the support in order to ensure the supply of fuel and the like and the flow path of the generated gas and to ensure high power generation. The porosity of the support is preferably as high as possible within a range that maintains the required strength, and the preferable porosity is 30% or more, more preferably 35% or more, and even more preferably 40% or more.
The constituent components of the support are not particularly limited as long as the strength and redox resistance necessary for the SOFC cell can be secured. For example, iron, cobalt or nickel as well as oxides thereof may be included.

支持体は、その熱膨張係数が、上記発電素子と極力一致していることが好ましい。これにより、発電素子の剥離やクラックの発生が抑制される。
熱膨張係数を調整するため、支持体の構成成分には、ジルコニア、アルミナ、チタニア、セリア、アルミニウムマグネシウムスピネル、アルミニウムニッケルスピネルなどの1種又は2種以上を混合して使用してもよい。これらの中で最も汎用性の高いのは安定化ジルコニアである。該安定化ジルコニアとしては、ジルコニアに、安定化剤としてMgO、CaO、SrO、BaO等のアルカリ土類金属の酸化物;Y23、La23、CeO2、Pr23、Nd23、Sm23、Eu23、Gd23、Tb23、Dy23、Er23、Tm23、Yb23等の希土類元素の酸化物;Sc23、Bi23、In23等から選ばれる1種もしくは2種以上の酸化物を固溶させたもの、あるいは、これらに分散強化剤としてアルミナ、チタニア、Ta25、Nb25などが添加された分散強化型ジルコニア等が好ましいものとして例示される。
支持体構成原料は通常、平均粒径が0.1〜3μmの粉末として使用することが好ましく、より好ましくは0.5〜1.5μmである。
The support preferably has a coefficient of thermal expansion that matches the power generation element as much as possible. Thereby, generation | occurrence | production of a power generation element and generation | occurrence | production of a crack are suppressed.
In order to adjust the coefficient of thermal expansion, one or more of zirconia, alumina, titania, ceria, aluminum magnesium spinel, aluminum nickel spinel and the like may be used as a component of the support. Of these, stabilized zirconia is the most versatile. Examples of the stabilized zirconia include zirconia, alkaline earth metal oxides such as MgO, CaO, SrO, and BaO as stabilizers; Y 2 O 3 , La 2 O 3 , CeO 2 , Pr 2 O 3 , Nd Oxides of rare earth elements such as 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Eu 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Tb 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Er 2 O 3 , Tm 2 O 3 , Yb 2 O 3 ; One or two or more oxides selected from Sc 2 O 3 , Bi 2 O 3 , In 2 O 3 , or the like, or alumina, titania, Ta 2 O as a dispersion strengthener 5 , dispersion-strengthened zirconia to which Nb 2 O 5 or the like is added is exemplified as a preferable example.
In general, the support constituting raw material is preferably used as a powder having an average particle size of 0.1 to 3 μm, more preferably 0.5 to 1.5 μm.

<燃料極>
燃料極は、導電性を与えるための導電成分を必須成分とし、その素材となる導電成分粉末としては、酸化鉄、酸化ニッケル、酸化コバルトのような燃料電池稼動時の還元性雰囲気で導電性金属に変化する金属酸化物、或いはこれらの酸化物を2種以上含有するニッケルフェライトやコバルトフェライトのような複合金属酸化物が挙げられる。これらは単独で使用し得るほか、必要により2種以上を適宜組み合わせて使用できる。これら導電成分の中でも、コストや導電特性などを考慮して汎用性の高いのは酸化鉄、酸化コバルト、酸化ニッケルであり、最も一般的なのは酸化ニッケルである。
実際には、ニッケル粒子間の焼結防止、電解質との熱膨張率の整合、電極の三次元化の観点から、電解質であるジルコニア系あるいはセリア系酸化物とニッケルを混合、多孔体化したニッケルサーメット電極が使用される場合が多い。
<Fuel electrode>
The fuel electrode has a conductive component for imparting conductivity as an essential component, and the conductive component powder used as the material is a conductive metal in a reducing atmosphere such as iron oxide, nickel oxide, and cobalt oxide when the fuel cell is operated. Or a composite metal oxide such as nickel ferrite or cobalt ferrite containing two or more of these oxides. These may be used alone or in combination of two or more as necessary. Among these conductive components, iron oxide, cobalt oxide, and nickel oxide are highly versatile in consideration of cost and conductive characteristics, and nickel oxide is the most common.
Actually, from the viewpoint of preventing sintering between nickel particles, matching the thermal expansion coefficient with the electrolyte, and making the electrode three-dimensional, nickel is obtained by mixing the electrolyte zirconia or ceria oxide with nickel and making it porous. Cermet electrodes are often used.

燃料極は、例えば、支持体の表面に形成されてもよいし、支持体と一体化した形態等であってもよい。燃料極は、多孔質であって、好ましい厚さは1〜150μmである。   The fuel electrode may be formed on the surface of the support, for example, or may be integrated with the support. The fuel electrode is porous and preferably has a thickness of 1 to 150 μm.

<空気極>
空気極を構成する空気極材料としては、特に限定しないで公知の固体酸化物型燃料電池において空気極材料として用いられているものを用いることができる。例えば、ペロブスカイト型構造等を有するCo,Fe,Ni,CrまたはMnなどからなる金属酸化物を用いることができる。具体的には(Sm,Sr)CoO3、(La,Sr)MnO3、(La,Sr)CoO3、(La,Sr)(Fe,Co)O3、(La,Sr)(Fe,Co,Ni)O3などの酸化物が挙げられ、好ましくは、(La,Sr)MnO3である。上述したセラミックス材料は、1種を単独でまたは2種以上を混合して使用することができる。なお、空気極材料の粉末の平均粒子径は、好ましくは10nm以上100μm以下であり、より好ましくは50nm以上50μm以下であり、さらに好ましくは100nm以上10μm以下である。なお、平均粒子径は、例えば、JIS R 1619にしたがって計測することができる。
<Air electrode>
As an air electrode material which comprises an air electrode, what is used as an air electrode material in a well-known solid oxide fuel cell can be used without specifically limiting. For example, a metal oxide made of Co, Fe, Ni, Cr or Mn having a perovskite structure or the like can be used. Specifically, (Sm, Sr) CoO 3 , (La, Sr) MnO 3 , (La, Sr) CoO 3 , (La, Sr) (Fe, Co) O 3 , (La, Sr) (Fe, Co , Ni) O 3 and the like, and (La, Sr) MnO 3 is preferable. The ceramic material mentioned above can be used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types. The average particle size of the air electrode material powder is preferably 10 nm or more and 100 μm or less, more preferably 50 nm or more and 50 μm or less, and further preferably 100 nm or more and 10 μm or less. In addition, an average particle diameter can be measured according to JISR1619, for example.

空気極は、例えば、支持体の表面に形成されてもよいし、支持体と一体化した形態等であってもよい。空気極は、多孔質であって、好ましい厚さは20〜100μmである。   The air electrode may be formed on the surface of the support, for example, or may be integrated with the support. The air electrode is porous and preferably has a thickness of 20 to 100 μm.

<気孔形成剤>
本発明に係る気孔形成剤は、電極材料の脱脂〜焼成温度で焼失する有機材料であり、電極材料に気孔を形成するためのものである。
本発明では、気孔形成剤として、架橋型吸水性樹脂微粒子を使用する。本発明のSOFC用セルでは、これを構成する支持体、燃料極及び空気極の少なくとも1つが、水を含む媒体中で、気孔形成剤として架橋型吸水性樹脂微粒子を用いて混練、成形、乾燥、脱脂及び焼成する工程を経て得られる。また、焼成工程の前に、焼成温度よりも低い温度による仮焼成工程を設けてもよい。水を含む媒体中で気孔形成剤として架橋型吸水性樹脂微粒子を使用することにより、少量の気孔形成剤でも成形体の気孔率を高くすることが可能となるため、脱脂工程及び仮焼成工程における発熱量及びガス発生量を抑制することができる。したがって、得られる多孔質セラミックに歪やクラック等が生じ難くなり、十分な強度の成形体が得られ、ひいては、SOFCセル製造時の歩留まりの向上、並びに、セルの耐久性及びガス透過性の向上にも繋がる。
<Pore forming agent>
The pore forming agent according to the present invention is an organic material that burns away at a degreasing to firing temperature of the electrode material, and is for forming pores in the electrode material.
In the present invention, crosslinked water-absorbing resin fine particles are used as the pore-forming agent. In the SOFC cell of the present invention, at least one of the support, fuel electrode and air electrode constituting the cell is kneaded, molded and dried using crosslinked water-absorbing resin fine particles as a pore-forming agent in a medium containing water. It is obtained through the steps of degreasing and firing. Moreover, you may provide the temporary baking process by the temperature lower than a baking temperature before a baking process. By using crosslinked water-absorbing resin fine particles as a pore-forming agent in a medium containing water, it becomes possible to increase the porosity of the molded body even with a small amount of pore-forming agent. The calorific value and gas generation amount can be suppressed. Therefore, distortion and cracks are less likely to occur in the obtained porous ceramic, and a sufficiently strong molded body can be obtained. As a result, the yield during SOFC cell production is improved, and the durability and gas permeability of the cell are improved. It leads to.

上記架橋型吸水性樹脂微粒子は、溶液重合、懸濁重合、バルク重合等の公知の重合方法によりラジカル重合性の親水性ビニル単量体を重合し、必要に応じて、乾燥及び粉砕することにより得ることができるが、ミクロンサイズの親水性の架橋型樹脂微粒子を得やすい点で逆相懸濁重合法が好ましい。
逆相懸濁重合法では、分散安定剤の存在下、油相中に水相(親水性ビニル系単量体の水溶液)が水滴状に懸濁したw/o型の懸濁重合により樹脂微粒子を製造することができる。
分散安定剤の具体例としては、マクロモノマー型分散安定剤、ソルビタン脂肪酸エステル、ポリグリセリン脂肪酸エステル、ショ糖脂肪酸エステル、ソルビトール脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンアルキルエーテル等のノニオン性界面活性剤が挙げられる。
これらの中でも、マクロモノマー型分散安定剤を用いることが好ましい。マクロモノマー型分散安定剤は、ビニル系単量体由来の重合体の末端にラジカル重合性不飽和基を有するものである
また、マクロモノマー型分散安定剤とソルビタンモノオレエートおよびソルビタンモノパルミテートなどの、HLBが3〜8である比較的疎水性が高いノニオン性界面活性剤を併用することが好ましく、これらは、1種を併用しても、2種以上を併用しても良い。
The crosslinked water-absorbent resin fine particles are obtained by polymerizing a radically polymerizable hydrophilic vinyl monomer by a known polymerization method such as solution polymerization, suspension polymerization, bulk polymerization, and drying and pulverizing as necessary. Although it can be obtained, the reverse phase suspension polymerization method is preferred in that it is easy to obtain micron-sized hydrophilic cross-linked resin fine particles.
In the reversed-phase suspension polymerization method, resin fine particles are obtained by w / o type suspension polymerization in which an aqueous phase (aqueous solution of hydrophilic vinyl monomer) is suspended in the form of water droplets in the oil phase in the presence of a dispersion stabilizer. Can be manufactured.
Specific examples of the dispersion stabilizer include macromonomer type dispersion stabilizers, sorbitan fatty acid esters, polyglycerin fatty acid esters, sucrose fatty acid esters, sorbitol fatty acid esters, polyoxyethylene alkyl ethers and other nonionic surfactants.
Among these, it is preferable to use a macromonomer type dispersion stabilizer. Macromonomer type dispersion stabilizers are those having a radical polymerizable unsaturated group at the end of a polymer derived from a vinyl monomer. Also, macromonomer type dispersion stabilizers, sorbitan monooleate, sorbitan monopalmitate, etc. It is preferable to use a nonionic surfactant having a relatively high hydrophobicity with an HLB of 3 to 8, and these may be used alone or in combination of two or more.

分散安定剤は分散媒(油相)をなす疎水性有機溶媒中に溶解、もしくは均一分散させて重合系に加えることが好ましい。
分散安定剤の使用量は、良好な分散安定性を維持しながら、粒径の揃った親水性重合体微粒子を得るために、ビニル系単量体の合計100質量部に対して、0.1〜50質量部であることが好ましく、0.2〜20質量部であることがより好ましく、0.5〜10質量部であることが更に好ましい。分散安定剤の使用量が少なすぎると、重合系でのビニル系単量体および生成した重合体微粒子の分散安定性が不良になり、生成した重合体微粒子同士の凝集、沈降、粒径のばらつきが生じ易くなる。一方、分散安定剤の使用量が多すぎると、副生微粒子(1μm以下)の生成量が多くなる場合がある。
The dispersion stabilizer is preferably added to the polymerization system after being dissolved or uniformly dispersed in a hydrophobic organic solvent forming a dispersion medium (oil phase).
In order to obtain hydrophilic polymer fine particles having a uniform particle size while maintaining good dispersion stability, the amount of the dispersion stabilizer used is 0.1 with respect to a total of 100 parts by mass of the vinyl monomer. It is preferable that it is -50 mass parts, It is more preferable that it is 0.2-20 mass parts, It is still more preferable that it is 0.5-10 mass parts. If the amount of the dispersion stabilizer used is too small, the dispersion stability of the vinyl monomer in the polymerization system and the generated polymer particles will be poor, and the generated polymer particles will aggregate, settle, and the particle size will vary. Is likely to occur. On the other hand, if the amount of the dispersion stabilizer used is too large, the amount of by-product fine particles (1 μm or less) produced may increase.

本発明の架橋型吸水性樹脂微粒子を構成する構造単位としては、上記ラジカル重合性の親水性ビニル系単量体であればいずれでもよく、特に制限されない。例えば、カルボキシル基、アミノ基、リン酸基、スルホン酸基、アミド基、水酸基、4級アンモニウム基などの親水性基を有する親水性ビニル系単量体を使用することができる。これらの中でもカルボキシル基、スルホン酸基、アミノ基及びアミド基を有する親水性ビニル系単量体が、親水性が高く、吸水性能、保水性能に優れた重合体微粒子が得られるために好ましい。   The structural unit constituting the crosslinked water-absorbing resin fine particles of the present invention is not particularly limited as long as it is a radical polymerizable hydrophilic vinyl monomer. For example, a hydrophilic vinyl monomer having a hydrophilic group such as a carboxyl group, an amino group, a phosphoric acid group, a sulfonic acid group, an amide group, a hydroxyl group, or a quaternary ammonium group can be used. Among these, hydrophilic vinyl monomers having a carboxyl group, a sulfonic acid group, an amino group, and an amide group are preferable because polymer fine particles having high hydrophilicity and excellent water absorption performance and water retention performance can be obtained.

親水性ビニル系単量体の具体例としては、(メタ)アクリル酸、クロトン酸、イタコン酸、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸モノブチル、マレイン酸モノブチル、シクロヘキサンジカルボン酸などのカルボキシル基を有するビニル系単量体またはそれらの(部分)アルカリ中和物;N,N−ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、N,N−ジエチルアミノエチル(メタ)アクリレート、N,N−ジメチルアミノプロピル(メタ)アクリレート、N,N−ジメチルアミノプロピル(メタ)アクリルアミドなどのアミノ基を有するビニル系単量体またはそれらの(部分)酸中和物、もしくは(部分)4級化物;N−ビニルピロリドン、アクリロイルモルホリン;アシッドホスホオキシエチルメタクリレート、アシッドホスホオキシプロピルメタクリレート、3−クロロ−2−アシッドホスホオキシプロピルメタクリレートなどのリン酸基を有するビニル系単量体またはそれらの(部分)アルカリ中和物;2−(メタ)アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、2−スルホエチル(メタ)アクリレート、2−(メタ)アクリロイルエタンスルホン酸、アリルスルホン酸、スチレンスルホン酸、ビニルスルホン酸、アリルホスホン酸、ビニルホスホン酸などのスルホン酸基またはホスホン酸基を有するビニル系単量体またはそれらの(部分)アルカリ中和物;(メタ)アクリルアミド、N,N−ジメチルアクリルアミド、N−イソプロピルアクリルアミド、N−メチロール(メタ)アクリルアミド、N−アルコキシメチル(メタ)アクリルアミド、(メタ)アクリロニトリル、(メタ)アクリル酸ヒドロキシエチル、(メタ)アクリル酸ヒドロキシプロピルなどのノニオン性親水性単量体を挙げることができ、これらの1種または2種以上を用いることができる   Specific examples of hydrophilic vinyl monomers include (meth) acrylic acid, crotonic acid, itaconic acid, maleic acid, fumaric acid, monobutyl itaconic acid, monobutyl maleate, cyclohexanedicarboxylic acid, and other vinyl monomers having a carboxyl group. Monomers or their (partial) alkali neutralized products; N, N-dimethylaminoethyl (meth) acrylate, N, N-diethylaminoethyl (meth) acrylate, N, N-dimethylaminopropyl (meth) acrylate, N , N-dimethylaminopropyl (meth) acrylamide and other vinyl monomers having amino groups, or (partial) acid neutralized products or (partial) quaternized products; N-vinylpyrrolidone, acryloylmorpholine; Oxyethyl methacrylate, acid phosphooxypropi Methacrylate, vinyl monomers having a phosphate group such as 3-chloro-2-acid phosphooxypropyl methacrylate, or their (partially) alkali neutralized products; 2- (meth) acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid, 2-sulfoethyl (meth) acrylate, 2- (meth) acryloylethanesulfonic acid, allyl sulfonic acid, styrene sulfonic acid, vinyl sulfonic acid, allyl phosphonic acid, vinyl phosphonic acid and other vinyl-based phosphonic acid groups Monomers or their (partially) alkali neutralized products; (meth) acrylamide, N, N-dimethylacrylamide, N-isopropylacrylamide, N-methylol (meth) acrylamide, N-alkoxymethyl (meth) acrylamide, (meta ) Acrylonitrile Can be used (meth) acrylate, hydroxypropyl can be mentioned nonionic hydrophilic monomers such as (meth) acrylic acid hydroxypropyl, one or more of these

これらの中でも、(メタ)アクリル酸、(メタ)アクリルアミドおよび2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸の1種または2種以上を用いて逆相懸濁重合を行うことが、重合性に優れる点、および得られた樹脂微粒子が吸水特性に優れる点から好ましく、特に好ましくは、生成するポリマーの熱分解特性、及び被毒元素(硫黄、リン等)を含まないという点で、アクリル酸、又はアクリル酸とアクリルアミドの組合せである。   Among these, it is excellent in polymerizability to perform reverse phase suspension polymerization using one or more of (meth) acrylic acid, (meth) acrylamide and 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid. In addition, the obtained resin fine particles are preferable from the viewpoint of excellent water absorption characteristics, and particularly preferable are acrylic acid or acrylic resin from the viewpoint of the thermal decomposition characteristics of the polymer to be formed and the absence of poisoning elements (sulfur, phosphorus, etc.). A combination of acid and acrylamide.

また、本発明の架橋型吸水性樹脂微粒子は、ビニル系単量体として、上記した単官能の親水性ビニル系単量体のうちの1種または2種以上と共に、ラジカル重合性の不飽和基を2個以上有する多官能ビニル系単量体を使用することにより得られる。   Moreover, the crosslinked water-absorbent resin fine particles of the present invention include, as a vinyl monomer, one or more of the above-described monofunctional hydrophilic vinyl monomers and a radical polymerizable unsaturated group. It can be obtained by using a polyfunctional vinyl monomer having 2 or more.

多官能ビニル系単量体としては、上記親水性ビニル系単量体とラジカル重合可能な基を2個以上有するビニル系単量体であればいずれでもよく、具体例として、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、グリセリントリ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパンエチレンオキサイド変性物のトリ(メタ)アクリレートなどのポリオール類のジまたはトリ(メタ)アクリレート、メチレンビス(メタ)アクリルアミドなどのビスアミド類、ジビニルベンゼン、アリル(メタ)アクリレートなどを挙げることができ、これらの1種または2種以上を用いることができる。   The polyfunctional vinyl monomer may be any vinyl monomer having at least two radically polymerizable groups with the hydrophilic vinyl monomer. Specific examples thereof include polyethylene glycol di (meta ) Acrylate, polypropylene glycol di (meth) acrylate, glycerin tri (meth) acrylate, trimethylolpropane tri (meth) acrylate, trimethylolpropane ethylene oxide modified tri (meth) acrylate and other di- or tri- (meta) ) Bisamides such as acrylate and methylene bis (meth) acrylamide, divinylbenzene, allyl (meth) acrylate, and the like, and one or more of these may be used.

これらの中でも、多官能ビニル系単量体としてはポリエチレングリコールジアクリレート、メチレンビスアクリルアミドが、親水性ビニル系単量体および水の混合液に対する溶解度に優れ、高架橋密度を得るために使用量を多くする際に有利であり好ましく用いられ、特に好ましくはポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレートである。   Among these, as the polyfunctional vinyl monomer, polyethylene glycol diacrylate and methylene bisacrylamide are excellent in solubility in a mixed solution of hydrophilic vinyl monomer and water, and are used in a large amount to obtain a high crosslinking density. And is preferably used, and particularly preferably polyethylene glycol di (meth) acrylate.

上記多官能ビニル系単量体の使用割合は、使用するビニル系単量体の種類、得られる重合体微粒子の用途などに応じて異なり得るが、使用される単官能ビニル系単量体の合計100モルに対して0.1〜100モルであることが好ましく、0.2〜50モルであることがより好ましく、0.5〜10モルであることが更に好ましい。
多官能ビニル系単量体を用いた架橋型吸水性樹脂微粒子とすることにより、気孔形成剤が適切な吸水性を有し、吸水状態でもセラミックの混練成形時の負荷に耐える得る強度を有するため、設計した気孔率を確保することができるようになる。また、気孔形成剤の耐溶剤性も向上する。
The proportion of the polyfunctional vinyl monomer used may vary depending on the type of vinyl monomer used, the intended use of the resulting polymer fine particles, etc., but the total of monofunctional vinyl monomers used The amount is preferably 0.1 to 100 mol, more preferably 0.2 to 50 mol, and still more preferably 0.5 to 10 mol with respect to 100 mol.
By using cross-linked water-absorbing resin fine particles using polyfunctional vinyl monomers, the pore-forming agent has appropriate water absorption, and has the strength to withstand the load during kneading and molding of ceramics even in the water-absorbing state. Thus, the designed porosity can be ensured. In addition, the solvent resistance of the pore forming agent is improved.

本発明では、SOFCセルを構成する支持体、燃料極及び空気極の少なくとも一つが、水を含む媒体及び気孔形成剤としての架橋型吸水性樹脂微粒子を用いて得られる多孔質セラミックであることが必要である。
多孔質セラミックは、金属酸化物や無機化合物等のセラミック原料、気孔形成剤、媒体、バインダー等の各原料を混練、成形、乾燥した後、脱脂〜焼成工程において気孔形成剤を含む有機物が焼失し、成形体中に孔が形成されることにより製造される。よって、従来の気孔形成剤によれば、高気孔率化したい場合には気孔形成剤を多量に使用する必要が生じる。しかし、気孔形成剤の使用量が多いと脱脂〜焼成工程で発生する発熱(分解熱)及び分解ガス量が増大するため、得られる成形体に歪や負荷が加わり、場合によってはクラックが発生する等、成形体の強度及び歩留まりの点で問題があった。
In the present invention, at least one of the support, the fuel electrode, and the air electrode constituting the SOFC cell is a porous ceramic obtained using a water-containing medium and crosslinked water-absorbing resin fine particles as a pore-forming agent. is necessary.
Porous ceramics are made by kneading, forming and drying ceramic materials such as metal oxides and inorganic compounds, pore formers, media, binders, etc., and then the organic matter containing pore formers is burned away in the degreasing to firing process. It is manufactured by forming holes in the molded body. Therefore, according to the conventional pore forming agent, it is necessary to use a large amount of the pore forming agent in order to increase the porosity. However, if the amount of pore-forming agent used is large, the amount of heat (decomposition heat) and decomposition gas generated in the degreasing to firing process increases, so that the resulting molded body is subjected to strain and load, and cracks may occur in some cases. There was a problem in terms of strength and yield of the molded body.

これに対し、本発明では、少量の架橋型吸水性樹脂微粒子(気孔形成剤)により、高気孔率の多孔質セラミックが得られる。本発明において想定される気孔形成プロセスについて以下に説明する。
本発明では、上記各原料を混練、成形した時点では、吸水性樹脂微粒子が吸水して膨潤した状態で成形体中に存在する。乾燥工程では、吸水性樹脂微粒子に吸収されていない水分、すなわちマトリックス部分の水分が優先的に蒸発していくため、吸水性樹脂微粒子が水を含んだ状態でその周囲が固定化される。その後、更に乾燥を進めると吸水性樹脂微粒子中の水も蒸発するが、周囲が固定化されているので蒸発した水分に相当する細孔が形成される。細孔中に残留した吸水性樹脂微粒子は、その後の脱脂〜焼成工程において焼失する。このため、本発明では、従来よりも少量の気孔形成剤で気孔率の高い多孔質セラミックを製造することができる。また、気孔形成剤の使用量が少ないため、脱脂〜焼成工程における分解熱による発熱及び分解ガスの発生量が少なく、さらに気孔形成剤が水膨潤状態から乾燥状態に大きく縮小して、周囲に十分な空隙を形成してから熱分解するため、分解熱や分解ガスの発生による応力を受けにくい。従って、得られる多孔質セラミックは、優れた成形体強度を有する。
On the other hand, in the present invention, a porous ceramic having a high porosity can be obtained with a small amount of crosslinked water-absorbent resin fine particles (pore forming agent). The pore formation process assumed in the present invention will be described below.
In the present invention, the water-absorbent resin fine particles are present in the molded body in a swollen state due to water absorption at the time when the respective raw materials are kneaded and molded. In the drying step, moisture that has not been absorbed by the water-absorbent resin fine particles, that is, moisture in the matrix portion is preferentially evaporated, so that the periphery of the water-absorbent resin fine particles contains water and is fixed. Thereafter, when the drying is further advanced, the water in the water-absorbent resin fine particles is also evaporated, but since the periphery is fixed, pores corresponding to the evaporated water are formed. The water-absorbent resin fine particles remaining in the pores are burned off in the subsequent degreasing to firing steps. For this reason, in the present invention, a porous ceramic having a higher porosity can be produced with a smaller amount of pore-forming agent than in the prior art. In addition, since the amount of pore-forming agent used is small, there is little generation of heat and decomposition gas due to decomposition heat in the degreasing to firing process, and the pore-forming agent is greatly reduced from a water-swollen state to a dry state, so that the surrounding area is sufficient. Since it is thermally decomposed after forming a void, it is difficult to receive stress due to generation of decomposition heat or decomposition gas. Therefore, the obtained porous ceramic has excellent molded body strength.

本発明では、架橋型吸水性樹脂微粒子は、イオン性官能基を有するものであることが好ましい。イオン性官能基を有することにより吸水性に優れ、さらに水への分散性が良好となるため、媒体に水を含む坏土中に安定に分散し易くなる。
上記イオン性官能基は、アルカリによって中和された酸性官能基であることが好ましく、その中和率は、好ましくは10〜100mol%、より好ましくは20〜80mol%である。アルカリとしては、脱脂後に電池性能に影響を及ぼす残分が残らない点から、アンモニア、およびトリエチルアミン、(モノ、ジ、トリ)エタノールアミン等のアミン化合物が好ましい。
ここで酸性官能基はカルボン酸(塩)、又はスルホン酸(塩)等の酸性基を有するビニル系単量体を使用することにより導入される。また、これとは別にアルキルエステル(メタ)アクリレート等を用いて重合体を得た後、アルカリによりケン化することによって得ることもできる。
In the present invention, the crosslinked water-absorbing resin fine particles preferably have an ionic functional group. By having an ionic functional group, it is excellent in water absorption and further has good dispersibility in water, so that it becomes easy to stably disperse in a clay containing water in the medium.
The ionic functional group is preferably an acidic functional group neutralized with an alkali, and the neutralization rate is preferably 10 to 100 mol%, more preferably 20 to 80 mol%. As the alkali, ammonia and amine compounds such as triethylamine and (mono, di, tri) ethanolamine are preferable from the viewpoint that a residue that affects battery performance does not remain after degreasing.
Here, the acidic functional group is introduced by using a vinyl monomer having an acidic group such as carboxylic acid (salt) or sulfonic acid (salt). Alternatively, a polymer can be obtained using an alkyl ester (meth) acrylate or the like and then saponified with an alkali.

架橋型吸水性樹脂微粒子における上記イオン性官能基の量は、好ましくは0.5〜15mmol/gの範囲であり、さらに好ましくは2〜12mmol/gである。イオン性官能基が0.5mmol/g以上の場合、吸水性能が良好で、かつ水への分散性が十分付与できる。また、12.0mmol/g以下であれば、加熱乾燥の際にマイクロ波を用いた場合などでもその吸収差が小さく乾燥ムラを抑制することができる。   The amount of the ionic functional group in the crosslinked water-absorbent resin fine particles is preferably in the range of 0.5 to 15 mmol / g, more preferably 2 to 12 mmol / g. When the ionic functional group is 0.5 mmol / g or more, the water absorption performance is good and the dispersibility in water can be sufficiently imparted. Moreover, if it is 12.0 mmol / g or less, even when a microwave is used at the time of heat drying, the absorption difference is small and drying unevenness can be suppressed.

本発明では、架橋型吸水性樹脂微粒子は、常圧におけるイオン交換水の吸水量が3〜100mL/gの範囲であることが好ましく、10〜50mL/gの範囲であることがより好ましい。上記吸水量が3mL/g未満の場合は、気孔率を高くする場合に必要な気孔形成剤の使用量が多くなり、100mL/gを超える場合は、坏土の成形性と保形成が両立し難く歩留まりが低下する場合がある。   In the present invention, the cross-linked water-absorbing resin fine particles preferably have a water absorption amount of 3 to 100 mL / g, more preferably a range of 10 to 50 mL / g, at normal pressure. When the amount of water absorption is less than 3 mL / g, the amount of pore-forming agent used to increase the porosity increases, and when it exceeds 100 mL / g, the moldability and the retention of the clay are compatible. It may be difficult to reduce the yield.

また、架橋型吸水性樹脂微粒子は、イオン交換水で飽和膨潤した状態における平均粒子径が1〜200μmの範囲であることが好ましく、2〜100μmの範囲がより好ましく、5〜50μmの範囲がさらに好ましい。平均粒子径が1μm未満の場合は、高気孔率化が難しい場合があり、200μmを超える場合は、成形体の強度が低下する場合がある。
上記イオン交換水で飽和膨潤した状態における平均粒子径は、架橋型吸水性樹脂微粒子の吸水量及び乾燥状態における粒子径等により調整することができる。ここで、吸水量は、吸水性樹脂微粒子の親水性及び架橋度等に左右される。また、乾燥状態における粒子径は、例えば逆相懸濁重合では、分散安定剤の種類、及び量、又は攪拌回転数等によって、当該粒子径を調整することができる。
The crosslinked water-absorbent resin fine particles preferably have an average particle diameter in the range of 1 to 200 μm in a state of being saturated and swollen with ion exchange water, more preferably in the range of 2 to 100 μm, and further in the range of 5 to 50 μm. preferable. When the average particle size is less than 1 μm, it may be difficult to increase the porosity, and when it exceeds 200 μm, the strength of the molded product may be reduced.
The average particle diameter in the state of saturated swelling with the ion-exchanged water can be adjusted by the water absorption amount of the crosslinked water-absorbent resin fine particles, the particle diameter in the dry state, and the like. Here, the amount of water absorption depends on the hydrophilicity and the degree of crosslinking of the water-absorbent resin fine particles. In addition, the particle size in the dry state can be adjusted by, for example, the type and amount of the dispersion stabilizer, the stirring rotation speed, or the like in the reverse phase suspension polymerization.

さらに、本発明の架橋型吸水性樹脂微粒子は、空気中、常温から600℃まで、昇温速度10℃/min.条件下での前記架橋型吸水性樹脂微粒子の加熱重量減少を測定した際に、温度差100℃となる任意の区間における当該加熱重量減少が50質量%以下であることが好ましい。
脱脂及び仮焼成工程は、およそ400〜1300℃の高温条件下により行われ、上記の通り気孔形成剤たる架橋型樹脂微粒子は焼失する。ここで、気孔形成剤が焼失する際に、特定温度領域で急激に重量減少(熱分解)するような場合には、これにより単位時間当たりの発熱量等も大きくなり、成形体にクラックが生じたり歪が残留したりする場合がある。発熱量が大きい場合、有機物の分解温度付近で極めてゆっくりと昇温させる方法によりクラックの生成や歪の残留を防止する方法もあるが、温度制御が極めて困難であり、さらに製造時間が極めて長くなるため、生産性が大きく低下する問題がある。このため、気孔形成剤としては、昇温に従って緩やかに分解が進むような挙動を示すものが好ましい。
尚、吸水性樹脂微粒子の加熱による重量減少挙動は、例えば吸水性樹脂微粒子を構成する単量体の種類、および酸化防止剤等の安定剤の配合により制御することができる。
Furthermore, the crosslinked water-absorbent resin fine particles of the present invention have a temperature rising rate of 10 ° C./min. When the weight loss by heating of the crosslinked water-absorbent resin fine particles under the conditions is measured, the weight loss by heating in an arbitrary section where the temperature difference is 100 ° C. is preferably 50% by mass or less.
The degreasing and pre-baking steps are performed under a high temperature condition of about 400 to 1300 ° C., and the crosslinked resin fine particles as the pore forming agent are burned off as described above. Here, when the pore-forming agent burns out, if it suddenly loses weight (pyrolysis) in a specific temperature range, this also increases the amount of heat generated per unit time, and cracks occur in the molded body. Or distortion may remain. If the calorific value is large, there is a method to prevent the generation of cracks and residual strain by raising the temperature very slowly near the decomposition temperature of organic matter, but it is extremely difficult to control the temperature, and the manufacturing time becomes extremely long. Therefore, there is a problem that productivity is greatly reduced. For this reason, as the pore forming agent, those exhibiting a behavior in which decomposition gradually proceeds as the temperature rises are preferable.
The weight reduction behavior due to heating of the water-absorbent resin fine particles can be controlled by, for example, the types of monomers constituting the water-absorbent resin fine particles and the blending of a stabilizer such as an antioxidant.

架橋型吸水性樹脂微粒子には、これを製造する原料等に由来して、硫黄、リン及びナトリウム等の成分が含まれる場合がある。これらは、電極成分であるニッケルの被毒成分となり得るため、多量に含む場合には、発電特性や耐久性といった電極性能の低下が懸念される。特に硫黄についてはその影響が大きいことから、架橋型吸水性樹脂微粒子中に含まれる量は500質量ppm以下とすることが好ましく、100質量ppm以下とすることがより好ましい。   The cross-linked water-absorbent resin fine particles may contain components such as sulfur, phosphorus and sodium derived from raw materials for producing the fine particles. Since these can be poisoning components of nickel, which is an electrode component, there is a concern that electrode performance such as power generation characteristics and durability may be deteriorated when included in a large amount. In particular, since sulfur has a great influence, the amount contained in the crosslinked water-absorbent resin fine particles is preferably 500 ppm by mass or less, and more preferably 100 ppm by mass or less.

<多孔質セラミックの製造方法>
次に、多孔質セラミックの製造方法について説明する。
まず、金属、金属酸化物及び無機化合物の粉末等からなるセラミック原料を混合し、その後、当該混合物、気孔形成剤である架橋型重合体微粒子、水を含む媒体及びバインダーを所定の比率で配合し、混練する。必要に応じて、オレフィンワックスのような潤滑剤を配合してもよい。混練は、例えば加圧式ニーダ、双腕式ニーダ等の公知の混練機を使用して行うことができる。
次いで、上記混練物は押出成形等により、所望の成形体に成形される。
<Method for producing porous ceramic>
Next, a method for producing a porous ceramic will be described.
First, ceramic raw materials composed of metal, metal oxide, inorganic compound powder, etc. are mixed, and then the mixture, crosslinked polymer fine particles which are pore forming agents, a medium containing water and a binder are blended at a predetermined ratio. Knead. If necessary, a lubricant such as an olefin wax may be blended. The kneading can be performed by using a known kneader such as a pressure kneader or a double arm kneader.
Next, the kneaded product is formed into a desired molded body by extrusion molding or the like.

得られた成形体は、乾燥工程により成形体に含まれる水分を蒸発させた後、脱脂及び仮焼成工程において気孔形成剤たる架橋型吸水性樹脂微粒子及びバインダー等の有機物が焼失し、その後の焼成工程においてセラミックの焼結が行われる。
乾燥〜焼成工程は公知の方法により行えばよく、高周波誘電発熱式加熱装置、熱風乾燥機、加熱床乾燥機、マングル乾燥機、トンネル乾燥機等の装置を用いることができる。乾燥は通常150℃以下の温度で行われ、実質的に水分を含まない状態まで乾燥されることが好ましい。仮焼成及び焼成工程は、150℃を超える温度、好ましくは800℃以上に加熱することによりなされるが、一般的には800〜1500℃である。
In the obtained molded body, after moisture contained in the molded body is evaporated by a drying process, in the degreasing and pre-baking processes, organic substances such as cross-linked water-absorbing resin fine particles and binders as pore-forming agents are burned off, and the subsequent baking is performed. Ceramic sintering is performed in the process.
The drying to firing process may be performed by a known method, and devices such as a high-frequency dielectric heating type heating device, a hot air dryer, a heated floor dryer, a mangle dryer, and a tunnel dryer can be used. Drying is usually performed at a temperature of 150 ° C. or lower, and it is preferable to dry to a state that does not substantially contain moisture. The pre-baking and baking steps are performed by heating to a temperature exceeding 150 ° C., preferably 800 ° C. or higher, but generally 800 to 1500 ° C.

セラミック原料および架橋型吸水性樹脂微粒子の使用量の割合は、いずれも乾燥状態(水を含まない状態)において、セラミック原料100質量部を基準として、架橋型吸水性樹脂微粒子0.1〜20質量部が好ましく、0.5〜10質量部がより好ましい。架橋型吸水性樹脂微粒子の使用量が0.1質量部未満では十分な気孔率が得られない場合がある。20質量部を超えると脱脂及び仮焼成工程において有機ガスが多く発生して焼成装置内のガス組成が爆発限界を超えたり、焼成時間が長くなりすぎたり、焼成中の体積変化が大きいために得られるセラミック成形物が歪や割れを有するものになりやすい等の問題が発生する場合がある。   The ratio of the amount of the ceramic raw material and the cross-linked water-absorbing resin fine particles used is 0.1 to 20 mass of the cross-linked water-absorbent resin fine particles based on 100 parts by mass of the ceramic raw material in a dry state (a state containing no water). Part is preferable, and 0.5 to 10 parts by mass is more preferable. If the amount of the crosslinked water-absorbent resin fine particles used is less than 0.1 parts by mass, a sufficient porosity may not be obtained. If it exceeds 20 parts by mass, a large amount of organic gas is generated in the degreasing and pre-baking processes, and the gas composition in the baking apparatus exceeds the explosion limit, the baking time becomes too long, or the volume change during baking is large. There may be a problem that the ceramic molded product is likely to be distorted or cracked.

原料混合における架橋型吸水性樹脂微粒子の添加方法については、含水状態(吸水状態)のものを添加する方法、または乾燥状態のものを添加する方法のいずれでも良い。含水状態の架橋型吸水性樹脂微粒子の外観は、粉末状態のもの、ペースト状態のものなどの形態であってもよい。
含水状態の架橋型吸水性樹脂微粒子を使用する場合、その含水割合は特に限定されないが、架橋型吸水性樹脂微粒子を粉末として取り扱うことが可能な、すなわち架橋型吸水性樹脂微粒子粉末が流動性を有する範囲の含水割合とすることが好ましい。その理由は、含水割合が多くゲル状態になった樹脂微粒子は取り扱いが困難であり、またセラミック原料との混合、分散が不十分となり焼成後のセラミック成形物の強度や気孔率が不十分となる場合があるためである。
乾燥された粉末状態または含水割合が調整された粉末状態の架橋型吸水性樹脂微粒子は、セラミック原料粉末との混合が容易であり、得られる架橋型吸水性樹脂微粒子とセラミック原料粉末との混合物は高い均一分散性を有するものとなりやすい。すなわち、粉末状の架橋型吸水性樹脂微粒子と粉末状のセラミック原料が予め混合、分散された、架橋型吸水性樹脂微粒子とセラミック原料の粉末状混合物に水が添加、混合される方法は、得られる原料混練物が均一なものとなりやすく、成形された原料混練物を乾燥、焼成をさせて得られるセラミック成形物が高強度で気孔の分布も均一なものとなりやすいために好ましい方法である。一方、粉末状の吸水性ポリマー粒子と粉末状のセラミック原料が予め混合されることなく、架橋型吸水性樹脂微粒子、セラミック原料および水が実質的に同時に混合されるような方法においては、得られる原料混練物が不均一なものとなる場合があり、成形された原料混練物を乾燥、焼成をさせて得られるセラミック成形物が強度や気孔分布の均一性が不充分なものとなる場合がある。
As a method for adding the crosslinked water-absorbing resin fine particles in the raw material mixing, either a method of adding a water-containing state (water absorption state) or a method of adding a dry state may be used. The appearance of the water-containing crosslinked fine water-absorbing resin fine particles may be in the form of a powder or a paste.
When using crosslinked water-absorbing resin fine particles in a water-containing state, the water content is not particularly limited, but the crosslinked water-absorbing resin fine particles can be handled as a powder, that is, the crosslinked water-absorbing resin fine particle powder has fluidity. It is preferable that the water content is within the range. The reason for this is that resin fine particles with a high water content and in a gel state are difficult to handle, and mixing and dispersion with ceramic raw materials are insufficient, resulting in insufficient strength and porosity of the fired ceramic molded product. This is because there are cases.
The crosslinked water-absorbing resin fine particles in a dried powder state or a powder state in which the moisture content is adjusted are easy to mix with the ceramic raw material powder, and the resulting mixture of the cross-linked water-absorbing resin fine particles and the ceramic raw material powder is It tends to have high uniform dispersibility. That is, a method in which water is added to and mixed with the powdery mixture of the cross-linked water-absorbing resin fine particles and the ceramic raw material in which the powdered cross-linked water-absorbing resin fine particles and the powdered ceramic raw material are mixed and dispersed in advance is obtained. The resulting raw material kneaded product is likely to be uniform, and a ceramic molded product obtained by drying and firing the formed raw material kneaded material is preferred because it is likely to have high strength and uniform pore distribution. On the other hand, the powdered water-absorbing polymer particles and the powdered ceramic raw material are obtained in a method in which the crosslinked water-absorbing resin fine particles, the ceramic raw material and water are mixed substantially simultaneously without being mixed in advance. The raw material kneaded product may be non-uniform, and the ceramic molded product obtained by drying and firing the formed raw material kneaded product may have insufficient strength and pore distribution uniformity. .

本発明では、セラミック原料等を混練する際に用いる媒体は水を含むものであることを必要とする。媒体は、水のみであってもよいし、水及びこれと混合可能な有機溶剤との混合媒体であってもよい。水と混合可能な有機溶剤としては、例えば、メタノール、エタノール、イソプロパノール等のアルコール類;アセトン等を挙げることができる。   In the present invention, the medium used when kneading the ceramic raw material or the like needs to contain water. The medium may be water alone or a mixed medium of water and an organic solvent that can be mixed therewith. Examples of the organic solvent that can be mixed with water include alcohols such as methanol, ethanol, and isopropanol; acetone and the like.

バインダーとしては、例えば、水酸基を含むポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ヒドロキシエチル(メタ)アクリレートを構造単位に含むポリマー等;カルボキシル基を有する物質として、(メタ)アクリル酸を構造単位として含むポリマー等;メチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース及びヒドロキシエチルメチルセルロース等のセルロース類;及びその他の多糖類等が挙げられる。
これらの中でもセルロース類、特にメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース及びヒドロキシエチルメチルセルロース等、セルロースの水酸基の一部、又は全部を、メトキシ基及び/又はヒドロキシアルコキシル基で置換した構造を有する化合物をバインダーとして用いた場合、乾燥時のゲル化が早いため、気孔形成剤たる吸水性樹脂微粒子から水が抜ける前にその周囲が固定化されやすい。このため、他のバインダーに比較して、成形性と保形性のバランスがよく、高気孔率化の面で有利である。
Examples of the binder include a polymer containing a hydroxyl group-containing polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, and hydroxyethyl (meth) acrylate as a structural unit; a polymer having a carboxyl group as a structural unit containing (meth) acrylic acid; , Celluloses such as hydroxypropylmethylcellulose and hydroxyethylmethylcellulose; and other polysaccharides.
Among these, when a compound having a structure in which a part or all of hydroxyl groups of cellulose, such as methylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose, and hydroxyethylmethylcellulose, is substituted with a methoxy group and / or a hydroxyalkoxyl group, is used as a binder. Since the gelation at the time of drying is fast, the periphery of the water-absorbent resin fine particles as the pore-forming agent is likely to be fixed before the water is removed. For this reason, compared with other binders, the balance between formability and shape retention is good, which is advantageous in terms of increasing the porosity.

上記の成分以外にも、必要に応じて界面活性剤、分散剤、可塑剤及び消泡剤等を用いてもよい。
これらの中でも界面活性剤は、坏土の可塑性を調整するために加えることができ、特にノニオン系の界面活性剤が好ましい。
分散剤は、原料粉末の解謬や分散促進のために用いることができ、例えば、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸アンモニウム等の高分子電解質;クエン酸、酒石酸等の有機酸;イソブチレン又はスチレンと無水マレイン酸との共重合体やそのアンモニウム塩、アミン塩、ブタジエンと無水マレイン酸との共重合体等が挙げられる。
In addition to the above components, surfactants, dispersants, plasticizers, antifoaming agents, and the like may be used as necessary.
Among these, a surfactant can be added to adjust the plasticity of the clay, and a nonionic surfactant is particularly preferable.
The dispersing agent can be used for unraveling the raw material powder and promoting dispersion, for example, polyelectrolytes such as polyacrylic acid and ammonium polyacrylate; organic acids such as citric acid and tartaric acid; isobutylene or styrene and anhydrous Examples thereof include copolymers with maleic acid, ammonium salts thereof, amine salts, copolymers of butadiene and maleic anhydride, and the like.

<電極セルの製造方法>
本発明では、固体酸化物層を燃料極及び空気極で挟持したSOFCセルであって、当該セルを構成する支持体、燃料極及び空気極の少なくとも一つが上記の方法により得られた多孔質セラミックであることを特徴とする。中でも、SOFCセルの強度を十分なものとすることができることから、支持体に上記多孔質セラミックを適用するのが好ましい。この場合、支持体と燃料極又は空気極とが一体化された形態のものであってもよい。また、本発明のSOFCセルは、固体酸化物層と燃料極又は空気極との間に中間層を有する構造であってもよい。
燃料極又は空気極に上記多孔質セラミックを用いない場合、これらの電極材料層は、導電成分、骨格成分及び気孔形成剤のほか、可塑剤としてグリセリン、ジブチルフタレート、ジオクチルフタレート、ポリエチレングリコールなどの有機物を加えてペースト化して、スクリーン印刷法、ディップコート法、ナイフコート法、スピンコート法、スプレーコート法やグリーンシート法により形成することができる。
<Method for producing electrode cell>
In the present invention, a SOFC cell having a solid oxide layer sandwiched between a fuel electrode and an air electrode, wherein at least one of a support, a fuel electrode and an air electrode constituting the cell is obtained by the above method. It is characterized by being. Especially, since the intensity | strength of a SOFC cell can be made sufficient, it is preferable to apply the said porous ceramic to a support body. In this case, the support and the fuel electrode or the air electrode may be integrated. The SOFC cell of the present invention may have a structure having an intermediate layer between the solid oxide layer and the fuel electrode or the air electrode.
When the porous ceramic is not used for the fuel electrode or the air electrode, these electrode material layers are made of organic materials such as glycerin, dibutyl phthalate, dioctyl phthalate, and polyethylene glycol as a plasticizer in addition to a conductive component, a skeleton component, and a pore forming agent. Can be formed into a paste and formed by a screen printing method, a dip coating method, a knife coating method, a spin coating method, a spray coating method or a green sheet method.

グリーンシート製造時やコート・印刷時に使用される分散媒としては、水、メタノール、エタノール、イソプロパノール、1−ブタノール、1−ヘキサノール、1−ヘキサノールなどのアルコール類;アセトン、2−ブタノン等のケトン類;ペンタン、ヘキサン、ヘプタンなどの脂肪族炭化水素類;ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼンなどの芳香族炭化水素類;酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチルなどの酢酸エステル類などが適宜選択して使用できる。これらの分散媒も、単独で使用し得る他、必要に応じて2種以上を適宜組み合わせて使用できる。これら分散媒の中でも最も一般的なのはイソプロパノール、トルエン、酢酸エチルなどである。   Examples of the dispersion medium used during green sheet production and coating / printing include alcohols such as water, methanol, ethanol, isopropanol, 1-butanol, 1-hexanol and 1-hexanol; ketones such as acetone and 2-butanone. Aliphatic hydrocarbons such as pentane, hexane and heptane; aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, xylene and ethylbenzene; and acetates such as methyl acetate, ethyl acetate and butyl acetate can be appropriately selected and used. . These dispersion media can also be used alone or in combination of two or more as necessary. The most common of these dispersion media is isopropanol, toluene, ethyl acetate and the like.

固体電解質は、固体酸化物型燃料電池の電解質として公知のものを使用することができ、例えば、サマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、ストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などの酸素イオン伝導性セラミックス材料を用いることができる。   As the solid electrolyte, those known as electrolytes for solid oxide fuel cells can be used. For example, ceria-based oxides doped with samarium or gadolinium, lanthanum galade-based oxides doped with strontium or magnesium, An oxygen ion conductive ceramic material such as zirconia oxide containing scandium or yttrium can be used.

また、本発明のSOFCセルの複数を、集電部材を介して互いに電気的に接続することにより燃料電池セルスタックとすることができる。本発明のSOFCセルからなるセルスタックによれば、機械的強度に優れるものであって、且つ高い発電性能を確保することが可能となる。   In addition, a plurality of the SOFC cells of the present invention can be electrically connected to each other via a current collecting member to form a fuel cell stack. According to the cell stack composed of the SOFC cell of the present invention, it is excellent in mechanical strength and can ensure high power generation performance.

以下、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の例に何ら限定されるものではない。尚、以下の記載において「部」は質量部を意味し、「%」は質量%を意味する。
以下の例において、架橋型吸水性樹脂微粒子についての評価は、以下の方法により実施した。
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, this invention is not limited to the following examples at all. In the following description, “part” means part by mass, and “%” means mass%.
In the following examples, evaluation of the crosslinked water-absorbent resin fine particles was performed by the following method.

(1)固形分
測定サンプル約1gを秤量(a)し、次いで、無風乾燥機150℃、60分間乾燥後の残分を測定(b)し、以下の式より算出した。測定には秤量ビンを使用した。その他の操作については、JIS K 0067−1992(化学製品の減量及び残分試験方法)に準拠した。
固形分(%)=(b/a)×100
(1) About 1 g of a solid content measurement sample was weighed (a), then the residue after drying for 60 minutes at 150 ° C. in an airless dryer was measured (b), and calculated from the following formula. A weighing bottle was used for the measurement. Other operations were in accordance with JIS K 0067-1992 (chemical product weight loss and residue test method).
Solid content (%) = (b / a) × 100

(2)吸水量
吸水量は以下の方法によって測定した。測定装置を図1に示す。
測定装置は図1における<1>〜<3>から構成される。
<1> 空気抜きするための枝管が付いたビュレット1、ピンチコック2、シリコンチューブ3およびポリテトラフルオロエチレンチューブ4から成る。
<2> ロート5の上に底面に多数の穴が空いた支柱円筒8、さらにその上に装置用濾紙10が設置されている。
<3> 重合体微粒子の試料6は2枚の試料固定用濾紙7に挟まれ、試料固定用濾紙は粘着テープ9によって固定される。なお、使用する濾紙は全てADVANTEC No.2 内径55mmである。
<1>と<2>とはシリコンチューブ3によって繋がれる。
また、ロート5および支柱円筒8は、ビュレット1に対する高さが固定されており、ビュレット枝管の内部に設置されたポリテトラフルオロエチレンチューブ4の下端と支柱円筒8の底面とが同じ高さになる様に設定されている(図1中の点線)。
(2) Water absorption The water absorption was measured by the following method. The measuring device is shown in FIG.
The measuring device is composed of <1> to <3> in FIG.
<1> Consists of a burette 1 with a branch pipe for venting air, a pinch cock 2, a silicon tube 3, and a polytetrafluoroethylene tube 4.
<2> A support cylinder 8 having a large number of holes in the bottom surface on the funnel 5, and a filter paper 10 for the apparatus is installed on the support cylinder 8.
<3> The sample 6 of polymer fine particles is sandwiched between two sample fixing filter papers 7, and the sample fixing filter papers are fixed by an adhesive tape 9. All filter papers used are ADVANTEC No. 2 The inner diameter is 55 mm.
<1> and <2> are connected by the silicon tube 3.
Further, the funnel 5 and the column cylinder 8 are fixed to the burette 1 at a fixed height, and the lower end of the polytetrafluoroethylene tube 4 installed inside the buret branch pipe and the bottom surface of the column cylinder 8 have the same height. (Dotted line in FIG. 1).

測定方法について以下に説明する。
<1>にあるピンチコック2を外し、ビュレット1の上部からシリコンチューブ3を通してイオン交換水を入れ、ビュレット1から装置用濾紙10までイオン交換水12で満たされた状態とする。次いで、ピンチコック2を閉じ、ビュレット枝管にゴム栓で接続されたポリテトラフルオロエチレンチューブ4から空気を除去する。こうして、ビュレット1から装置用濾紙10までイオン交換水12が連続的に供給される状態とする。
次に、装置用濾紙10からにじみ出た余分なイオン交換水12を除去した後、ビュレット1の目盛りの読み(a)を記録する。
測定試料の乾燥粉末0.1〜0.2gを秤量し、<3>にある様に、試料固定用濾紙7の中央部に均一に置く。もう1枚の濾紙でサンプルを挟み、粘着テープ9で2枚の濾紙を留め、サンプルを固定する。サンプルが固定された濾紙を<2>に示される装置用濾紙10上に載置する。
次に、装置用濾紙10上に蓋11を載置した時点から、30分間経過した後のビュレット1の目盛りの読み(b)を記録する。
測定試料の吸水量と2枚の試料固定用濾紙7の吸水量の合計(c)は(a−b)で求められる。同様の操作により、重合体微粒子試料を含まない、2枚の濾紙7のみの吸水量を測定する(d)。
上記操作を行い、吸水量を以下の式より計算した。なお、計算に使用する固形分は、(1)の方法により測定した値を使用した。
吸水量(mL/g)=(c−d)/{測定サンプル重量(g)×(固形分%÷100)}
The measurement method will be described below.
The pinch cock 2 in <1> is removed, and ion exchange water is introduced from the upper part of the burette 1 through the silicon tube 3 so that the burette 1 to the apparatus filter paper 10 are filled with the ion exchange water 12. Next, the pinch cock 2 is closed, and air is removed from the polytetrafluoroethylene tube 4 connected to the buret branch pipe with a rubber stopper. In this way, the ion exchange water 12 is continuously supplied from the burette 1 to the filter paper 10 for the apparatus.
Next, after removing the excess ion-exchanged water 12 that oozes from the filter paper for apparatus 10, the reading (a) of the scale of the burette 1 is recorded.
Weigh 0.1 to 0.2 g of the dry powder of the measurement sample and place it uniformly on the center of the sample fixing filter paper 7 as shown in <3>. The sample is sandwiched with another filter paper, and the two filter papers are fastened with the adhesive tape 9 to fix the sample. The filter paper on which the sample is fixed is placed on the apparatus filter paper 10 shown in <2>.
Next, the reading (b) of the scale of the bullet 1 after 30 minutes from the time when the lid 11 is placed on the filter paper 10 for apparatus is recorded.
The sum (c) of the amount of water absorption of the measurement sample and the amount of water absorption of the two sample fixing filter papers 7 is obtained by (ab). By the same operation, the water absorption of only two filter papers 7 not including the polymer fine particle sample is measured (d).
The above operation was performed, and the water absorption was calculated from the following formula. In addition, the value measured by the method of (1) was used for solid content used for calculation.
Water absorption (mL / g) = (cd) / {measurement sample weight (g) × (solid content% ÷ 100)}

(3)水飽和膨潤粒子径
測定サンプル0.02gにイオン交換水20mlを加え、十分に振り混ぜて、サンプルを均一分散させた。また粒子をイオン交換水で飽和膨潤した状態とするために、30分以上分散させた分散液について、レーザー回折散乱式粒度分布計(日機装製、MT−3000)を用いて、超音波1分照射後に粒度分布測定を行った。測定時の循環分散媒にはイオン交換水を使用し、分散体の屈折率は1.53とした。測定により得られた体積基準での粒度分布よりメジアン径(μm)を計算し、水膨潤粒子径とした。
(3) Water saturation swelling particle diameter 20 ml of ion exchange water was added to 0.02 g of the measurement sample, and the sample was uniformly dispersed by shaking sufficiently. Further, in order to make the particles saturated and swollen with ion-exchanged water, the dispersion liquid dispersed for 30 minutes or more was irradiated with ultrasonic waves for 1 minute using a laser diffraction scattering type particle size distribution meter (manufactured by Nikkiso, MT-3000). Later, the particle size distribution was measured. Ion exchange water was used as the circulating dispersion medium at the time of measurement, and the refractive index of the dispersion was 1.53. The median diameter (μm) was calculated from the particle size distribution on the basis of the volume obtained by the measurement, and was defined as the water-swelled particle diameter.

(4)加熱重量減少
架橋型吸水性樹脂微粒子の熱分解特性は、示差熱熱重量同時測定装置(TG−DTA、エスアイアイ・ナノテクノロジー社製、SII EXSTAR6000)にて測定した。空気中、昇温速度10℃/分で室温から600℃まで昇温し、加熱による重量減少挙動を評価した。
測定した温度範囲において、温度差100℃となる任意の区間における重量減少が50質量%以下であるものを「○」、温度差100℃の区間での重量減少が50質量%を超える場合があるものを「×」と判断した。
(4) Reduction in heating weight The thermal decomposition characteristics of the crosslinked water-absorbent resin fine particles were measured with a differential thermothermal weight simultaneous measurement apparatus (TG-DTA, manufactured by SII NanoTechnology, SII EXSTAR6000). In air, the temperature was raised from room temperature to 600 ° C. at a heating rate of 10 ° C./min, and the weight reduction behavior due to heating was evaluated.
In the measured temperature range, the case where the weight loss in an arbitrary section where the temperature difference is 100 ° C. is 50% by mass or less is “◯”, and the weight loss in the section where the temperature difference is 100 ° C. may exceed 50% by mass. The thing was judged as "x".

(5)硫黄元素量
架橋型吸水性樹脂微粒子中の硫黄元素含有量(wtppm)を微量塩素硫黄分析計(三菱化学社製、「TOX−100」)を用いて測定した。
(5) Amount of sulfur element The sulfur element content (wtppm) in the crosslinked water-absorbent resin fine particles was measured using a trace chlorine sulfur analyzer (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation, "TOX-100").

製造例0:マクロモノマー組成物UM−1の製造
オイルジャケットを備えた容量1000mlの加圧式攪拌槽型反応器のオイルジャケットの温度を240℃に保った。
単量体としてラウリルメタクリレート(以下、「LMA」という)75.0部、アクリル酸(以下、「AA」という)25.0部、重合溶媒としてメチルエチルケトン10.0部、重合開始剤としてジターシャリーブチルパーオキサイド0.45部の比率で調整された単量体混合液を原料タンクに仕込んだ。
原料タンクの単量体混合液を反応器に供給を開始し、反応器内の重量が580g、平均滞留時間が12分となるように、単量体混合液の供給と反応混合液の抜き出しを行った。反応器内温度は235℃、反応器内圧は1.1MPaとなるように調整を行った。反応器より抜き出した反応混合液は、20kPaに減圧され、250℃に保たれた薄膜蒸発機に連続的に供給し、単量体や溶剤等が留去されたマクロモノマー組成物として排出される。留去した単量体や溶剤等はコンデンサーで冷却し、留出液として回収した。単量体混合液の供給開始後、反応器内温が235℃に安定してから60分後を回収開始点とし、これから48分間反応を継続してマクロモノマー組成物UM−1を回収した。この間、単量体混合液は反応器に2.34kg供給され、薄膜蒸発機より1.92kgのマクロモノマー組成物が回収された。また留出タンクには0.39kgの留出液が回収された。
留出液をガスクロマトグラフにて分析したところ、留出液100部に対して、LMA31.1部、AA16.4部、その他溶剤等が52.5部であった。
単量体混合液の供給量および組成、マクロモノマー組成物の回収量、留出液の回収量および組成より、単量体の反応率は90.2%、マクロモノマー組成物UM−1の構成単量体組成比は、LMA:AA=76.0/24.0(質量比)と計算された。
Production Example 0: Production of Macromonomer Composition UM-1 The temperature of the oil jacket of a 1000 ml capacity pressurized stirred tank reactor equipped with an oil jacket was kept at 240 ° C.
75.0 parts of lauryl methacrylate (hereinafter referred to as “LMA”) as a monomer, 25.0 parts of acrylic acid (hereinafter referred to as “AA”), 10.0 parts of methyl ethyl ketone as a polymerization solvent, ditertiary butyl as a polymerization initiator A monomer mixed liquid adjusted at a ratio of 0.45 parts of peroxide was charged into a raw material tank.
Start supplying the monomer mixture from the raw material tank to the reactor, and supply the monomer mixture and remove the reaction mixture so that the weight in the reactor is 580 g and the average residence time is 12 minutes. went. The reactor internal temperature was adjusted to 235 ° C., and the reactor internal pressure was adjusted to 1.1 MPa. The reaction mixture extracted from the reactor is decompressed to 20 kPa, continuously supplied to a thin film evaporator maintained at 250 ° C., and discharged as a macromonomer composition from which monomers and solvents are distilled off. . Distilled out monomers and solvents were cooled with a condenser and recovered as a distillate. After the start of the monomer mixture supply, 60 minutes after the reactor internal temperature was stabilized at 235 ° C., the recovery start point was set, and the reaction was continued for 48 minutes to recover the macromonomer composition UM-1. During this time, 2.34 kg of the monomer mixture was supplied to the reactor, and 1.92 kg of the macromonomer composition was recovered from the thin film evaporator. In addition, 0.39 kg of distillate was recovered in the distillate tank.
When the distillate was analyzed by gas chromatography, LMA 31.1 parts, AA 16.4 parts, other solvents, etc. were 52.5 parts with respect to 100 parts of distillate.
From the amount and composition of the monomer mixture, the recovered amount of the macromonomer composition, the recovered amount and composition of the distillate, the monomer reaction rate is 90.2%, and the composition of the macromonomer composition UM-1 The monomer composition ratio was calculated as LMA: AA = 76.0 / 24.0 (mass ratio).

また、溶離液にテトラヒドロフランを用いたゲルパーミエーションクロマトグラフ(以下、「GPC」という)により、マクロモノマー組成物UM−1の分子量を測定したところ、ポリスチレン換算での重量平均分子量(以下、「Mw」という)および数平均分子量(以下、「Mn」という)は、それぞれ、3800、および1800であった。またマクロモノマー組成物の1H−NMR測定より、マクロモノマー組成物中の末端エチレン性不飽和結合の濃度を測定した。1H−NMR測定による末端エチレン性不飽和結合の濃度、GPCによるMn、および構成単量体組成比より、マクロモノマー組成物UM−1の末端エチレン性不飽和結合導入率を計算した結果、97%であった。尚、150℃、60分加熱後の加熱残分による固形分は、98.3%であった。
なお、単量体、重合溶剤、および重合開始剤等の各原料については、市販の工業用製品
を精製等の処理を行うことなく、そのまま使用した。
Further, when the molecular weight of the macromonomer composition UM-1 was measured by gel permeation chromatograph (hereinafter referred to as “GPC”) using tetrahydrofuran as an eluent, the weight average molecular weight (hereinafter referred to as “Mw”) in terms of polystyrene was measured. And number average molecular weight (hereinafter referred to as “Mn”) were 3800 and 1800, respectively. Moreover, the density | concentration of the terminal ethylenically unsaturated bond in a macromonomer composition was measured from the < 1 > H-NMR measurement of a macromonomer composition. As a result of calculating the terminal ethylenically unsaturated bond introduction rate of the macromonomer composition UM-1 from the concentration of the terminal ethylenically unsaturated bond by 1 H-NMR measurement, Mn by GPC, and the constituent monomer composition ratio, 97 %Met. The solid content of the heating residue after heating at 150 ° C. for 60 minutes was 98.3%.
In addition, about each raw material, such as a monomer, a polymerization solvent, and a polymerization initiator, the commercially available industrial product was used as it was, without performing processes, such as refinement | purification.

(製造例1:架橋型吸水性樹脂微粒子PA−1の製造)
重合には、攪拌翼およびバッフルからなる撹拌機構を有し、さらに温度計、還流冷却器、窒素導入管を備えた反応器を用いた。
反応器内に分散安定剤としてUM−1を1.5部、及びソルビタントリオレエート(花王社製、商品名「レオドールAO−10V」)2.0部、更に重合溶媒としてn−ヘプタン395部を仕込み、撹拌により分散安定剤が完全に溶解した油相を調整した。油相は15℃に調整した。
一方、別の容器にてAA100.0部、アロニックスM−243(東亞合成社製、ポリエチレングリコールジアクリレート、平均分子量425)13.0部(単官能単量体に対して2.2mol%に相当)、およびイオン交換水94.9部を仕込み、攪拌、均一溶解させた。さらに混合液の温度を40℃以下に保つように冷却しながら、25%アンモニア水70.8部をゆっくり加えて中和し単量体混合液を得た(水は合計148部)。
所定の撹拌速度で油相を撹拌しながら、単量体混合液を反応器内に仕込み、単量体混合液が油相に分散した分散液を調整した。反応器内温を15℃に保持し、反応器内を窒素置換した後、ハイドロサルファイトナトリウム0.07部をイオン交換水2.3部に溶解した液を反応器内に添加し、さらにその3分後、パークミルH80(日本油脂社製、クメンハイドロパーオキサイドの80%溶液)0.03部をn−ヘプタン5.0部で希釈した溶液を反応器に添加したところ、直ちに重合熱による内温の上昇が確認された。ピーク温度到達後、内温を25℃まで冷却した後、ハイドロサルファイトナトリウム0.05部をイオン交換水1.7部に溶解した液を反応器内に添加し、さらにその3分後、パーブチルH69(日本油脂社製、t−ブチルハイドロパーオキサイドの69%溶液)0.015部をイオン交換水1.5部で希釈した溶液を反応器に添加したところ、残留モノマーの重合により徐々に内温が上昇した。ピーク温度到達後、20℃まで冷却して架橋型吸水性樹脂微粒子PA−1(粒子内に水を含む)の油中分散液を得た。その後、反応器を加温して水とn−ヘプタンを共沸環流させて、脱水率95%となるまで水分離器より水を抜き出した後、反応器内のスラリーをろ過、さらにn−ヘプタンでリンスした後、加熱によりn−ヘプタンを除去して、架橋型吸水性樹脂微粒子PA−1の粉末を得た。
得られた架橋型吸水性樹脂微粒子PA−1についての分析結果を表1に示す。また、PA−1の加熱重量減少測定の結果を図2に示す。図2の結果から明らかな通り、PA−1は、測定した温度範囲において、温度差100℃となる任意の区間における重量減少が50質量%以下であった。
(Production Example 1: Production of crosslinked water-absorbent resin fine particles PA-1)
For the polymerization, a reactor having a stirring mechanism comprising a stirring blade and a baffle, and further equipped with a thermometer, a reflux condenser, and a nitrogen introduction tube was used.
In the reactor, 1.5 parts of UM-1 as a dispersion stabilizer, 2.0 parts of sorbitan trioleate (trade name “Leodol AO-10V” manufactured by Kao Corporation), and 395 parts of n-heptane as a polymerization solvent. The oil phase in which the dispersion stabilizer was completely dissolved was prepared by charging and stirring. The oil phase was adjusted to 15 ° C.
On the other hand, AA 100.0 parts, Aronix M-243 (manufactured by Toagosei Co., Ltd., polyethylene glycol diacrylate, average molecular weight 425) 13.0 parts (corresponding to 2.2 mol% with respect to the monofunctional monomer) in another container ), And 94.9 parts of ion-exchanged water were added and stirred and dissolved uniformly. Further, while cooling so that the temperature of the mixed solution was kept at 40 ° C. or lower, 70.8 parts of 25% ammonia water was slowly added to neutralize to obtain a monomer mixed solution (a total of 148 parts of water).
While stirring the oil phase at a predetermined stirring speed, the monomer mixture was charged into the reactor to prepare a dispersion in which the monomer mixture was dispersed in the oil phase. After maintaining the reactor internal temperature at 15 ° C. and purging the reactor with nitrogen, a solution prepared by dissolving 0.07 part of hydrosulfite sodium in 2.3 parts of ion-exchanged water was added to the reactor. Three minutes later, Parkmill H80 (manufactured by NOF Corporation, 80% solution of cumene hydroperoxide) diluted with 5.0 parts of n-heptane was added to the reactor. An increase in temperature was observed. After reaching the peak temperature, the internal temperature was cooled to 25 ° C., and then a solution obtained by dissolving 0.05 part of hydrosulfite sodium in 1.7 parts of ion-exchanged water was added to the reactor. When a solution obtained by diluting 0.015 part of H69 (manufactured by NOF Corporation, 69% solution of t-butyl hydroperoxide) with 1.5 parts of ion exchange water was added to the reactor, The temperature rose. After reaching the peak temperature, the mixture was cooled to 20 ° C. to obtain a dispersion in water of crosslinked water-absorbent resin fine particles PA-1 (including water in the particles). Thereafter, the reactor was heated to azeotropically circulate water and n-heptane, and after removing water from the water separator until the dehydration rate reached 95%, the slurry in the reactor was filtered, and further n-heptane was filtered. After rinsing with n, n-heptane was removed by heating to obtain powder of crosslinked water-absorbent resin fine particles PA-1.
Table 1 shows the analysis results of the obtained crosslinked water-absorbent resin fine particles PA-1. Moreover, the result of the heating weight reduction | decrease measurement of PA-1 is shown in FIG. As is clear from the results of FIG. 2, PA-1 had a weight loss of 50% by mass or less in an arbitrary section where the temperature difference was 100 ° C. in the measured temperature range.

(製造例2、および4〜8)
製造例1から、撹拌速度のみ変更し、水飽和膨潤粒子径の異なる架橋型吸水性樹脂微粒子PA−2、およびPA−4〜8を得た。各々の分析結果を表1に示す。また、PA−2及びPA−4〜8の加熱重量減少の挙動は、上記PA−1とほぼ同様であった。
(Production Examples 2 and 4-8)
From Production Example 1, only the stirring speed was changed to obtain crosslinked water-absorbent resin fine particles PA-2 and PA-4 to 8 having different water saturated swelling particle diameters. The results of each analysis are shown in Table 1. Moreover, the behavior of the weight loss by heating of PA-2 and PA-4 to 8 was almost the same as PA-1.

(製造例3)
重合には、攪拌翼およびバッフルからなる撹拌機構を有し、さらに温度計、還流冷却器、窒素導入管を備えた反応器を用いた。
反応器内に分散安定剤としてUM−1 1.5部、及びソルビタントリオレエート(花王社製、商品名「レオドールSP−O30V」)2.0部、更に重合溶媒としてn−ヘプタン395部を仕込み、撹拌により分散安定剤が完全に溶解した油相を調整した。油相は15℃に調整した。
一方、別の容器にてAA50.0部、濃度40%のアクリルアミド水溶液(以下、「40%AMD」という)125部(AMDとして50.0部)、アロニックスM−243 8.3部(単官能単量体に対して1.4mol%に相当)、およびイオン交換水46.4部を仕込み、攪拌、均一溶解させた。さらに混合液の温度を40℃以下に保つように冷却しながら、25%アンモニア水35.4部をゆっくり加えて中和し単量体混合液を得た(水は合計148部)。
所定の撹拌速度で油相を撹拌しながら、単量体混合液を反応器内に仕込み、単量体混合液が油相に分散した分散液を調整した。反応器内温を15℃に保持し、反応器内を窒素置換した後ハイドロサルファイトナトリウム0.07部をイオン交換水0.23部に溶解した液を反応器内に添加し、さらにその3分後、パークミルH80(日本油脂製、クメンハイドロパーオキサイドの80%溶液)0.03部をn−ヘプタン5.0部で希釈した溶液を反応器に添加したところ、直ちに重合熱による内温の上昇が確認された。ピーク温度到達後、内温を25℃まで冷却した後、ハイドロサルファイトナトリウム0.05部をイオン交換水1.7部に溶解した液を反応器内に添加し、さらにその3分後、パーブチルH69(日本油脂製、t−ブチルハイドロパーオキサイドの69%溶液)0.015部をイオン交換水1.5部で希釈した溶液を反応器に添加したところ、残留モノマーの重合により徐々に内温が上昇した。ピーク温度到達後、20℃まで冷却して架橋型吸水性樹脂微粒子PA−3(粒子内に水を含む)の油中分散液を得た。その後、反応器を加温して水とn−ヘプタンを共沸環流させて、脱水率95%となるまで水分離器より水を抜き出した後、反応器内のスラリーをろ過、さらにn−ヘプタンでリンスした後、加熱によりn−ヘプタンを除去して、架橋型吸水性樹脂微粒子PA−3の粉末を得た。
得られた架橋型吸水性樹脂微粒子PA−3についての分析結果を表1に示す。また、PA−3の加熱重量減少測定の結果を図3に示す。図3の結果から明らかな通り、PA−3は、測定した温度範囲において、温度差100℃となる任意の区間における重量減少が50質量%以下であった。
(Production Example 3)
For the polymerization, a reactor having a stirring mechanism comprising a stirring blade and a baffle, and further equipped with a thermometer, a reflux condenser, and a nitrogen introduction tube was used.
The reactor is charged with 1.5 parts of UM-1 as a dispersion stabilizer, 2.0 parts of sorbitan trioleate (trade name “Leodol SP-O30V” manufactured by Kao Corporation), and 395 parts of n-heptane as a polymerization solvent. The oil phase in which the dispersion stabilizer was completely dissolved was prepared by stirring. The oil phase was adjusted to 15 ° C.
On the other hand, AA 50.0 parts, concentration 40% acrylamide aqueous solution (hereinafter referred to as “40% AMD”) 125 parts (50.0 parts as AMD), Aronix M-243 8.3 parts (monofunctional) Equivalent to 1.4 mol% with respect to the monomer), and 46.4 parts of ion-exchanged water were added and stirred and uniformly dissolved. Further, while cooling so as to keep the temperature of the mixed solution at 40 ° C. or lower, 35.4 parts of 25% ammonia water was slowly added to neutralize to obtain a monomer mixed solution (total of 148 parts of water).
While stirring the oil phase at a predetermined stirring speed, the monomer mixture was charged into the reactor to prepare a dispersion in which the monomer mixture was dispersed in the oil phase. The reactor internal temperature was maintained at 15 ° C., the inside of the reactor was replaced with nitrogen, and then a solution prepared by dissolving 0.07 part of hydrosulfite sodium in 0.23 part of ion-exchanged water was added to the reactor. After a minute, a solution obtained by diluting 0.03 part of Park Mill H80 (manufactured by NOF Corporation, 80% solution of cumene hydroperoxide) with 5.0 parts of n-heptane was immediately added to the reactor. An increase was confirmed. After reaching the peak temperature, the internal temperature was cooled to 25 ° C., and then a solution obtained by dissolving 0.05 part of hydrosulfite sodium in 1.7 parts of ion-exchanged water was added to the reactor. When a solution obtained by diluting 0.015 part of H69 (manufactured by NOF Corporation, 69% solution of t-butyl hydroperoxide) with 1.5 parts of ion-exchanged water was added to the reactor, the internal temperature gradually increased due to polymerization of the residual monomer. Rose. After reaching the peak temperature, the mixture was cooled to 20 ° C. to obtain a dispersion of crosslinked water-absorbent resin fine particles PA-3 (including water in the particles) in oil. Thereafter, the reactor was heated to azeotropically circulate water and n-heptane, and after removing water from the water separator until the dehydration rate reached 95%, the slurry in the reactor was filtered, and further n-heptane was filtered. After rinsing with n, n-heptane was removed by heating to obtain powder of crosslinked water-absorbent resin fine particles PA-3.
Table 1 shows the analysis results of the obtained crosslinked water-absorbent resin fine particles PA-3. Moreover, the result of the heating weight reduction | decrease measurement of PA-3 is shown in FIG. As is apparent from the results of FIG. 3, PA-3 had a weight loss of 50% by mass or less in an arbitrary section where the temperature difference was 100 ° C. in the measured temperature range.

(製造例9〜11)
製造例3から、単量体組成および25%アンモニア水量を表2に記載の通り変更し、さらにイオン交換水の量を単量体混合液中の水の合計量が148部となるように変更した。また目標の水膨潤粒子径となるように撹拌速度もそれぞれ調整した。その他は、製造例3と同じ操作を行い、イオン性官能基濃度、および吸水量の異なる架橋型吸水性樹脂微粒子PA−9〜11を得た。各々の分析結果を表2に示す。また、PA−9〜11の加熱重量減少の挙動は、上記PA−3とほぼ同様であった。
(Production Examples 9 to 11)
From Production Example 3, the monomer composition and the amount of 25% ammonia water were changed as shown in Table 2, and the amount of ion-exchanged water was changed so that the total amount of water in the monomer mixture was 148 parts. did. In addition, the stirring speed was also adjusted so as to achieve the target water-swelled particle size. Otherwise, the same operation as in Production Example 3 was performed to obtain crosslinked water-absorbent resin fine particles PA-9 to 11 having different ionic functional group concentrations and water absorption amounts. Table 2 shows the results of each analysis. Moreover, the behavior of PA-9 to 11 in reducing the heating weight was almost the same as that of PA-3.

(製造例12〜14)
製造例1から、M−243量を表2に記載の通り変更した。また目標の水膨潤粒子径となるように撹拌速度もそれぞれ調整した。その他は、製造例1と同じ操作を行い、吸水量の異なる架橋型吸水性樹脂微粒子PA−12〜14を得た。各々の分析結果を表2に示す。また、PA−12〜14の加熱重量減少の挙動は、上記PA−1とほぼ同様であった。
(Production Examples 12-14)
From Production Example 1, the amount of M-243 was changed as described in Table 2. In addition, the stirring speed was also adjusted so as to achieve the target water-swelled particle size. Otherwise, the same operation as in Production Example 1 was performed to obtain crosslinked water-absorbing resin fine particles PA-12 to 14 having different water absorption amounts. Table 2 shows the results of each analysis. In addition, the heating weight reduction behavior of PA-12 to 14 was almost the same as that of PA-1.

(製造例15及び16)
製造例2から、単量体組成および25%アンモニア水量を表2に記載の通り変更し、さらにイオン交換水の量を単量体混合液中の水の合計量が148部となるように変更した。なお、表中ATBSは2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(東亞合成社製、ATBS)を意味する。その他は、製造例2と同じ操作を行い、イオン性官能基の種類、および濃度の異なる架橋型吸水性樹脂微粒子PA−15及び16を得た。
得られた架橋型吸水性樹脂微粒子PA−15及び16についての分析結果を表2に示す。また、PA−15及び16の加熱重量減少の挙動は、上記PA−1とほぼ同様であった。
(Production Examples 15 and 16)
From Production Example 2, the monomer composition and the amount of 25% ammonia water were changed as shown in Table 2, and the amount of ion-exchanged water was changed so that the total amount of water in the monomer mixture was 148 parts. did. In the table, ATBS means 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid (ATBS, manufactured by Toagosei Co., Ltd.). Otherwise, the same operation as in Production Example 2 was performed to obtain crosslinked water-absorbing resin fine particles PA-15 and 16 having different types and concentrations of ionic functional groups.
Table 2 shows the analysis results of the obtained crosslinked water-absorbent resin fine particles PA-15 and 16. Moreover, the behavior of the weight loss by heating of PA-15 and 16 was almost the same as PA-1.

(製造例17)
製造例2から、ハイドロサルファイトナトリウムをアスコルビン酸に変更し、その使用量を1回目添加時は0.14部、2回目添加時は0.10部とした。その他は、製造例2と同じ操作を行い、架橋型吸水性樹脂微粒子PA−17を得た。
得られた架橋型吸水性樹脂微粒子PA−17についての分析結果を表2に示す。また、PA−17の加熱重量減少の挙動は、上記PA−1とほぼ同様であった。
(Production Example 17)
From Production Example 2, hydrosulfite sodium was changed to ascorbic acid, and the amount used was 0.14 parts for the first addition and 0.10 parts for the second addition. Otherwise, the same operation as in Production Example 2 was performed to obtain crosslinked water-absorbent resin fine particles PA-17.
Table 2 shows the analysis results of the obtained crosslinked water-absorbent resin fine particles PA-17. Moreover, the behavior of heating weight reduction of PA-17 was almost the same as PA-1.

Figure 2015011838
Figure 2015011838

Figure 2015011838
Figure 2015011838

(比較用重合体微粒子)
気孔形成剤の比較用重合体微粒子として、吸水性能を有しない市販の真球状架橋ポリメタクリル酸メチル微粒子、3種、PN−1(積水化成工業社製、テクポリマーMBX−5、平均粒子径5μm)、PN−2(同、MBX−12、平均粒子径12μm)、およびPN−3(同、MBX−30、平均粒子径30μm)を使用した。
各重合体微粒子について加熱重量減少を測定し、結果について表3に示す。また、PN−1の加熱重量減少測定の結果を図4に示す。図4の結果から明らかな通り、PN−1は、270℃付近から急激に分解し、370℃までの100℃の温度範囲における重量減少は92.4質量%であり、50質量%を大きく上回るものであった。PN−2及び3の加熱重量減少についても同様の挙動が観察された。
(Comparative polymer fine particles)
As the polymer fine particles for comparison of the pore-forming agent, commercially available true spherical crosslinked polymethyl methacrylate fine particles having no water absorption performance, 3 types, PN-1 (manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd., Techpolymer MBX-5, average particle size 5 μm) ), PN-2 (same, MBX-12, average particle size 12 μm), and PN-3 (same, MBX-30, average particle size 30 μm).
The weight loss by heating was measured for each polymer fine particle, and the results are shown in Table 3. Moreover, the result of the heating weight reduction | decrease measurement of PN-1 is shown in FIG. As is clear from the results of FIG. 4, PN-1 decomposes rapidly from around 270 ° C., and the weight loss in the temperature range of 100 ° C. up to 370 ° C. is 92.4% by mass, which is much higher than 50% by mass. It was a thing. A similar behavior was observed for the reduced heating weight of PN-2 and 3.

Figure 2015011838
Figure 2015011838

(実施例1)
金属酸化物の粉末として、NiO粉末60部、および8YSZ(イットリア安定化ジルコニア:(Y230.08(ZrO20.92)粉末40部、バインダーとしてヒドロキシプロピルメチルセルロース(信越化学工業社製、商品名「60SH−4000」:以下、「HPMC」)8部、気孔形成剤として架橋型吸水性樹脂微粒子PA−1の粉末1部を混合してニーダーに仕込み、さらにノニオン系界面活性剤1部、および水を35部加えて混練し、押出成形に適した可塑性を有する杯土を作成した。この杯土を押出成形により円筒形に加工し、100〜200℃の熱風下で乾燥した後、大気雰囲気中1000℃で脱脂(有機物を熱分解、除去)、および仮焼成を行い、外径4mm、内径2mm、長さ40mmの円筒形の燃料極兼支持体の仮焼成成形体を得た。得られた成形体の外観を目視観察し、以下の基準に従って評価を行い、結果を表4に示す。
○;仮焼成前と比較して変形が認められず、クラックも発生していない。
△;わずかに変形、もしくはクラックが認められる。
×;顕著な変形、もしくはクラックが認められる。
Example 1
As metal oxide powder, 60 parts of NiO powder and 40 parts of 8YSZ (yttria-stabilized zirconia: (Y 2 O 3 ) 0.08 (ZrO 2 ) 0.92 ) powder, hydroxypropyl methylcellulose (manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., product) (Name “60SH-4000”: hereinafter “HPMC”) 8 parts, 1 part of powder of the crosslinked water-absorbent resin fine particles PA-1 as a pore-forming agent was mixed and charged into a kneader, and further 1 part of a nonionic surfactant, And 35 parts of water was added and kneaded to prepare a clay having plasticity suitable for extrusion molding. This clay is processed into a cylindrical shape by extrusion molding, dried under hot air at 100 to 200 ° C., then degreased (thermal decomposition and removal of organic matter) and pre-baked at 1000 ° C. in an air atmosphere, and an outer diameter of 4 mm. A calcined molded body of a cylindrical fuel electrode / support having an inner diameter of 2 mm and a length of 40 mm was obtained. The appearance of the obtained molded body was visually observed, evaluated according to the following criteria, and the results are shown in Table 4.
○: Deformation was not observed and cracks were not generated as compared with before pre-firing.
Δ: Slight deformation or cracking is observed.
X: A remarkable deformation | transformation or a crack is recognized.

上記仮焼成体を大気雰囲気中、1400℃、3時間で焼成し、燃料極兼支持体の単独成形体(成形体1)を得た。得られた燃料極支持体について、水銀圧入法により気孔率(%)を測定した。またJIS R 1601に準拠して、3点曲げ強度(MPa)を測定した。結果を表4に示す。
また、8YSZ粉末、アクリル系バインダー、およびトルエンを混合して調整したスラリーをディップコート法により、上記仮焼成成形体に塗工、乾燥し、さらに1400℃、3時間で焼成して、成形体1の表面に電解質層が25μmの厚みで積層された成形体(成形体2)を得た。次にLSM−20/8YSZ((La0.80Sr0.20)MnO3:(Y230.08(ZrO20.92=1:1)粉末、アクリル系バインダー、およびトルエンからなるスラリーを上記成形体2にディップコート法により塗工、乾燥し、さらに1100℃、3時間で焼成して、成形体2の表面に中間層を積層し、続いてLSM−20((La0.80Sr0.20)MnO3)粉末、アクリル系バインダー、およびトルエンからなるスラリーも同様に積層して、成形体2の表面に中間層と空気極層が合計25μmの厚みで積層された成形体(成形体3)を得た。なお、成形体3において、空気極層の長さは20mmとした。成形体3の正面、および側面の図を図5に示す。
次に、得られた成形体3をセルとして発電実験を行った。集電には銀線、および銀ペーストを使用した。セルは発電実験の直前に750℃で水素により還元処理したものを使用した。電気炉により700℃に加熱したセルの内部に、燃料として窒素で希釈した水素を流した。流量は水素40cc/min、窒素40cc/minとした。またセルの外部には酸化剤として空気を1000cc/minで流した。セルの電気抵抗は4端子法により計測し、電流0.1Aにおける周波数0.2Hz〜20kHzでの交流インピーダンス測定を行い、インピーダンススペクトルを得た。セルの内部抵抗はインピーダンススペクトルを、図6に示す等価回路にフィッティングすることにより、オーム抵抗Rohm、高周波成分Rh、低周波成分Rlに分離できる。得られたインピーダンススペクトルの高周波側円弧よりRh(Ω)、低周波側円弧よりRl(Ω)を算出した。結果を表4に示す。なお、Rhは燃料極の活性化分極に対応しており、燃料極でのNiの状態に依存する。またRlは燃料極の濃度分散に対応しており、燃料極の気孔形成状態に異存する。Rh、Rlが小さいほど内部抵抗の小さい発電特性に優れたセルであると判断できる。
The temporary fired body was fired at 1400 ° C. for 3 hours in an air atmosphere to obtain a single molded body (molded body 1) of the fuel electrode / support. The porosity (%) of the obtained fuel electrode support was measured by mercury porosimetry. Further, the three-point bending strength (MPa) was measured in accordance with JIS R 1601. The results are shown in Table 4.
Further, a slurry prepared by mixing 8YSZ powder, an acrylic binder, and toluene was applied to the temporary fired molded body by a dip coating method, dried, and further fired at 1400 ° C. for 3 hours to obtain a molded body 1 A molded body (molded body 2) in which the electrolyte layer was laminated with a thickness of 25 μm on the surface of was obtained. Next, a slurry comprising LSM-20 / 8YSZ ((La 0.80 Sr 0.20 ) MnO 3 : (Y 2 O 3 ) 0.08 (ZrO 2 ) 0.92 = 1: 1) powder, an acrylic binder, and toluene is formed into the above molded body 2. And then dried by dip coating, and further fired at 1100 ° C. for 3 hours to laminate an intermediate layer on the surface of the molded body 2, followed by LSM-20 ((La 0.80 Sr 0.20 ) MnO 3 ) powder Then, a slurry composed of acrylic binder and toluene was laminated in the same manner to obtain a molded body (molded body 3) in which the intermediate layer and the air electrode layer were laminated on the surface of the molded body 2 with a total thickness of 25 μm. In the molded body 3, the length of the air electrode layer was 20 mm. A front view and a side view of the molded body 3 are shown in FIG.
Next, a power generation experiment was performed using the obtained molded body 3 as a cell. Silver wire and silver paste were used for current collection. The cell used was reduced with hydrogen at 750 ° C. immediately before the power generation experiment. Hydrogen diluted with nitrogen as a fuel was allowed to flow inside the cell heated to 700 ° C. by an electric furnace. The flow rates were 40 cc / min hydrogen and 40 cc / min nitrogen. In addition, air was passed as an oxidant at 1000 cc / min outside the cell. The electric resistance of the cell was measured by the 4-terminal method, and AC impedance measurement was performed at a frequency of 0.2 Hz to 20 kHz at a current of 0.1 A to obtain an impedance spectrum. The internal resistance of the cell can be separated into an ohmic resistance Rohm, a high frequency component Rh, and a low frequency component Rl by fitting the impedance spectrum to the equivalent circuit shown in FIG. Rh (Ω) was calculated from the high frequency side arc of the obtained impedance spectrum, and Rl (Ω) was calculated from the low frequency side arc. The results are shown in Table 4. Rh corresponds to the activation polarization of the fuel electrode and depends on the state of Ni at the fuel electrode. Rl corresponds to the concentration dispersion of the fuel electrode and depends on the pore formation state of the fuel electrode. It can be determined that the smaller the Rh and Rl, the smaller the internal resistance and the better the power generation characteristics.

(実施例2〜8)
気孔形成剤として使用する架橋型吸水性樹脂微粒子を表4に示す種類に変更する以外は、実施例1と同様の操作を行い、燃料極兼支持体の単独成形体について、気孔率(%)、および3点曲げ強度(MPa)を測定した。さらに、実施例1と同様の操作を行いセルのRh(Ω)、およびRl(Ω)を算出した。これらの結果を表4に示す。
(Examples 2 to 8)
Except for changing the cross-linked water-absorbing resin fine particles used as the pore-forming agent to the type shown in Table 4, the same operation as in Example 1 was performed, and the porosity (%) of the single molded body of the fuel electrode / support was determined. , And three-point bending strength (MPa). Further, the same operation as in Example 1 was performed to calculate Rh (Ω) and Rl (Ω) of the cell. These results are shown in Table 4.

(比較例1〜4)
気孔形成剤として使用する重合体微粒子を表4に示す種類、および添加量に変更する以外は、実施例1と同様の操作を行い、燃料極兼支持体の単独成形体について、気孔率(%)、および3点曲げ強度(MPa)を測定した。さらに、実施例1と同様の操作を行いセルのRh(Ω)、およびRl(Ω)を算出した。これらの結果を表4に示す
(Comparative Examples 1-4)
The same procedure as in Example 1 was performed except that the polymer fine particles used as the pore-forming agent were changed to the types and addition amounts shown in Table 4, and the porosity (% ) And three-point bending strength (MPa). Further, the same operation as in Example 1 was performed to calculate Rh (Ω) and Rl (Ω) of the cell. These results are shown in Table 4.

(比較例5)
気孔形成剤を使用しない以外は、実施例1と同様の操作を行い、燃料極兼支持体の単独成形体について、気孔率(%)、および3点曲げ強度(MPa)を測定した。さらに、実施例1と同様の操作を行いセルのRh(Ω)、およびRl(Ω)を算出した。これらの結果を表4に示す。
(Comparative Example 5)
Except not using a pore formation agent, operation similar to Example 1 was performed and the porosity (%) and the three-point bending strength (MPa) were measured about the single molded object of the fuel electrode and support body. Further, the same operation as in Example 1 was performed to calculate Rh (Ω) and Rl (Ω) of the cell. These results are shown in Table 4.

Figure 2015011838
Figure 2015011838

(実施例9〜14)
気孔形成剤として使用する架橋型吸水性樹脂微粒子を表5に示す種類に変更する以外は、実施例1と同様の操作を行い、燃料極兼支持体の単独成形体について、気孔率(%)、および3点曲げ強度(MPa)を測定した。さらに、実施例1と同様の操作を行いセルのRh(Ω)、およびRl(Ω)を算出した。これらの結果を表5に示す。
(Examples 9 to 14)
Except for changing the crosslinked water-absorbing resin fine particles used as the pore-forming agent to the type shown in Table 5, the same operation as in Example 1 was performed, and the porosity (%) of the single molded body of the fuel electrode / support was determined. , And three-point bending strength (MPa). Further, the same operation as in Example 1 was performed to calculate Rh (Ω) and Rl (Ω) of the cell. These results are shown in Table 5.

(実施例15〜17)
気孔形成剤として使用する架橋型吸水性樹脂微粒子を、PA−2と比較して不純物元素量の異なるPA−15〜17に変更する以外は、実施例1と同様の操作を行い、燃料極兼支持体の単独成形体について、気孔率(%)、および3点曲げ強度(MPa)を測定した。さらに、実施例1と同様の操作を行いセルのRh(Ω)、およびRl(Ω)を算出した。これらの結果を表5に示す。
(Examples 15 to 17)
The same procedure as in Example 1 was carried out except that the crosslinked water-absorbent resin fine particles used as the pore-forming agent were changed to PA-15 to 17 having a different impurity element amount compared to PA-2. The porosity (%) and three-point bending strength (MPa) of the single molded body of the support were measured. Further, the same operation as in Example 1 was performed to calculate Rh (Ω) and Rl (Ω) of the cell. These results are shown in Table 5.

(実施例18)
バインダーの種類をHPMCからPVA(クラレ製、PVA−124)に変更する以外は、実施例1と同様の操作を行い、燃料極兼支持体の単独成形体について、気孔率(%)、および3点曲げ強度(MPa)を測定した。さらに、実施例1と同様の操作を行いセルのRh(Ω)、およびRl(Ω)を算出した。これらの結果を表5に示す。
(Example 18)
Except for changing the binder type from HPMC to PVA (manufactured by Kuraray, PVA-124), the same operation as in Example 1 was performed, and the porosity (%) and 3 The point bending strength (MPa) was measured. Further, the same operation as in Example 1 was performed to calculate Rh (Ω) and Rl (Ω) of the cell. These results are shown in Table 5.

Figure 2015011838
Figure 2015011838

表4の結果から明らかな通り、気孔形成剤として架橋型吸水性樹脂を用いた実施例1〜8は、いずれも燃料極支持体の気孔率は十分高く、その効果としてRlが顕著に小さくなった。さらに、その強度にも優れるものであった。
実施例1、2、4及び5を比較すると、粒子径が大きいほど気孔率の増加が大きく、Rlも小さくなる傾向が確認できた。気孔形成に関与しない小粒径の粒子の割合が低下するためと推察される。ただし、強度は若干低下する傾向が認められた。さらに粒子径の大きい実施例6〜8では、Rlはむしろ大きくなる傾向が見られた。これは、気孔形成に関与しない小粒子がほぼ無くなった領域では、気孔形成剤の個数が低下することがRlの増加に影響しているものと考えられる。
As is clear from the results in Table 4, in Examples 1 to 8 using the cross-linked water-absorbent resin as the pore-forming agent, the porosity of the fuel electrode support is sufficiently high, and Rl is remarkably reduced as an effect. It was. Furthermore, the strength was also excellent.
When Examples 1, 2, 4 and 5 were compared, it was confirmed that the larger the particle size, the larger the porosity and the smaller Rl. This is presumed to be due to a decrease in the proportion of small-diameter particles that do not participate in pore formation. However, the strength tended to decrease slightly. Further, in Examples 6 to 8 having a large particle diameter, Rl tended to be rather large. This is considered to be because the decrease in the number of pore-forming agents affects the increase in Rl in the region where the small particles not involved in pore formation are almost eliminated.

一方、気孔形成剤として吸水性を示さない重合体微粒子を用いた比較例1〜4は、気孔率の高いセラミックが得られにくく、実施例と同程度の気孔率を得るためには大量の添加量が必要であるが、成形体の強度の低下が顕著であった。脱脂時の分解熱等の影響によるものと考えられる。   On the other hand, Comparative Examples 1 to 4 using polymer fine particles that do not exhibit water absorption as a pore-forming agent are difficult to obtain a ceramic with a high porosity, and in order to obtain a porosity comparable to the Examples, a large amount of addition Although the amount was necessary, the reduction in the strength of the molded product was significant. This is thought to be due to the effect of heat of decomposition during degreasing.

実施例9〜14は、イオン性官能基濃度及び吸水特性が異なる架橋型吸水性樹脂微粒子を気孔形成剤として用いた場合の実験例であるが、評価した範囲ではいずれも気孔形成能、強度及びセル特性に優れるものであった。実施例9〜11の傾向は水飽和膨潤粒子径がほぼ同じ場合、イオン性官能基濃度及び吸水量が大きいほど、同一重量添加した場合でも気孔形成剤の個数は多く気孔率が高くなる結果と考えられる。一方、実施例12〜14では、吸水量が100ml/g前後まで大きくなると気孔率は吸水量に依存せず、特に100ml/g以上ではむしろ気孔率は低下する傾向がみられる。これは高吸水量の気孔形成剤では杯土中で水を保持する力が小さくなることがあるためと考えられる。
実施例15〜17、並びにその他の実施例の結果からは、硫黄元素量が比較的多い実施例16に比較して、他の実施例は良好なRh値を示しており、発電特性により優れるものである結果が得られた。
また、実施例2及び18の比較から、バインダーとしてHPMCのようなセルロースの水酸基の一部又は全部を、メトキシ基及び/又はヒドロキシアルコキシル基で置換した構造を有する化合物を用いた方が、気孔率及びRl値の点で優れる結果が得られた。
Examples 9 to 14 are experimental examples when cross-linked water-absorbing resin fine particles having different ionic functional group concentrations and water absorption properties were used as pore-forming agents. The cell characteristics were excellent. The tendency of Examples 9 to 11 is that when the water-saturated swelling particle diameter is almost the same, the larger the ionic functional group concentration and the water absorption amount, the larger the number of pore-forming agents even when the same weight is added, and the higher the porosity. Conceivable. On the other hand, in Examples 12 to 14, the porosity does not depend on the water absorption amount when the water absorption amount is increased to about 100 ml / g, and the porosity tends to decrease rather at 100 ml / g or more. This is presumably because the pore-forming agent with a high water absorption amount has a small force for retaining water in the clay.
From the results of Examples 15 to 17 and other examples, the other examples show better Rh values compared to Example 16 having a relatively large amount of sulfur element, and are superior in power generation characteristics. A result was obtained.
From the comparison of Examples 2 and 18, it is more preferable to use a compound having a structure in which part or all of the hydroxyl groups of cellulose such as HPMC are substituted with methoxy groups and / or hydroxyalkoxyl groups as a binder. And excellent results in terms of Rl values.

本発明の固体酸化物形燃料電池セルは、支持体、燃料極及び空気極の少なくとも1つが少量の気孔形成剤により高気孔率化された多孔質セラミックからなるものであるため、セル強度に優れている。これにより、発電特性に優れ、かつ耐久性も良好な固体酸化物形燃料電池セルを得ることができる。   The solid oxide fuel cell of the present invention is excellent in cell strength because at least one of the support, the fuel electrode and the air electrode is made of a porous ceramic whose porosity has been increased by a small amount of a pore forming agent. ing. Thereby, it is possible to obtain a solid oxide fuel cell having excellent power generation characteristics and excellent durability.

1 ビュレット
2 ピンチコック
3 シリコーンチューブ
4 ポリテトラフルオロエチレンチューブ
5 ロート
6 試料(重合体微粒子)
7 試料(重合体微粒子)固定用濾紙
8 支柱円筒
9 粘着テープ
10 装置用濾紙
11 蓋
12 イオン交換水
21 燃料極兼支持体
22 電解質層
23 中間層+空気極層
1 Burette 2 Pinch cock 3 Silicone tube 4 Polytetrafluoroethylene tube 5 Funnel 6 Sample (polymer fine particles)
7 Sample (polymer fine particle) fixing filter paper 8 Support cylinder 9 Adhesive tape 10 Device filter paper 11 Lid 12 Ion exchange water 21 Fuel electrode / support 22 Electrolyte layer 23 Intermediate layer + Air electrode layer

Claims (7)

固体酸化物形燃料電池セルであって、当該燃料電池セルを構成する支持体、燃料極及び空気極の少なくとも一つが、水を含む媒体及び気孔形成剤としての架橋型吸水性樹脂微粒子を用いて得られる多孔質セラミックであることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル。 A solid oxide fuel cell, wherein at least one of a support, a fuel electrode and an air electrode constituting the fuel cell uses a medium containing water and crosslinked water-absorbent resin fine particles as a pore-forming agent. A solid oxide fuel cell, which is a porous ceramic obtained. 前記架橋型吸水性樹脂微粒子の常圧におけるイオン交換水の吸水量が、3〜100ml/gであることを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池セル。 2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the water-absorbing amount of ion-exchanged water at normal pressure of the crosslinked water-absorbent resin fine particles is 3 to 100 ml / g. 前記架橋型吸水性樹脂微粒子のイオン交換水で飽和膨潤した状態における平均粒子径が、1〜100μmであることを特徴とする請求項1又は2に記載の固体酸化物形燃料電池セル。 3. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein an average particle diameter of the crosslinked water-absorbent resin fine particles in a state of being saturated and swollen with ion-exchanged water is 1 to 100 μm. 空気中、常温から600℃まで、昇温速度10℃/min.条件下での前記架橋型吸水性樹脂微粒子の加熱重量減少を測定した際に、温度差100℃となる任意の区間における当該加熱重量減少が50質量%以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池セル。 In air, from room temperature to 600 ° C., the rate of temperature increase is 10 ° C./min. 2. The heating weight reduction in an arbitrary section where the temperature difference is 100 ° C. when measuring the heating weight reduction of the crosslinked water-absorbent resin fine particles under the conditions is 50% by mass or less. The solid oxide fuel cell according to any one of -3. 前記架橋型吸水性樹脂微粒子における硫黄元素の含有量が、500質量ppm以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池セル。 The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the content of sulfur element in the crosslinked water-absorbent resin fine particles is 500 mass ppm or less. 前記多孔質セラミックが、セルロースの水酸基の一部又は全部を、メトキシ基及び/又はヒドロキシアルコキシル基で置換した構造を有するバインダーを用いて得られたものであることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池セル。 The porous ceramic is obtained by using a binder having a structure in which part or all of hydroxyl groups of cellulose are substituted with methoxy groups and / or hydroxyalkoxyl groups. The solid oxide fuel cell according to any one of the above. 固体酸化物形燃料電池セルの製造方法であって、当該燃料電池セルを構成する支持体、燃料極及び空気極の少なくとも一つに、水を含む媒体及び気孔形成剤としての架橋型吸水性樹脂微粒子を用いて混練、成形、乾燥及び脱脂を含む工程を経て得られる多孔質セラミックを用いることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルの製造方法。 A method for producing a solid oxide fuel cell, wherein at least one of a support, a fuel electrode and an air electrode constituting the fuel cell includes a water-containing medium and a crosslinked water-absorbing resin as a pore-forming agent A method for producing a solid oxide fuel cell, comprising using a porous ceramic obtained through steps including kneading, molding, drying and degreasing using fine particles.
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