JP2846559B2 - Porous sintered body and solid oxide fuel cell - Google Patents

Porous sintered body and solid oxide fuel cell

Info

Publication number
JP2846559B2
JP2846559B2 JP5256001A JP25600193A JP2846559B2 JP 2846559 B2 JP2846559 B2 JP 2846559B2 JP 5256001 A JP5256001 A JP 5256001A JP 25600193 A JP25600193 A JP 25600193A JP 2846559 B2 JP2846559 B2 JP 2846559B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
sintered body
porous sintered
site
lanthanum manganite
fuel cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP5256001A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH06316471A (en
Inventor
隆雄 相馬
知典 高橋
真司 川崎
克己 吉岡
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NIPPON GAISHI KK
Original Assignee
NIPPON GAISHI KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NIPPON GAISHI KK filed Critical NIPPON GAISHI KK
Priority to JP5256001A priority Critical patent/JP2846559B2/en
Publication of JPH06316471A publication Critical patent/JPH06316471A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP2846559B2 publication Critical patent/JP2846559B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、多孔質焼結体及びこれ
を空気極材料として用いた固体電解質型燃料電池に関す
るものである。
The present invention relates to a porous sintered body and a solid oxide fuel cell using the same as an air electrode material.

【0002】[0002]

【従来の技術】固体電解質型燃料電池(SOFC)は、
1000℃の高温で作動するため電極反応が極めて活発
で、高価な白金などの貴金属触媒を全く必要とせず、分
極が小さく、出力電圧も比較的高いため、エネルギー変
換効率が他の燃料電池に比べて著しく高い。更に、構造
材は全て固体から構成されるため、安定かつ長寿命であ
る。
2. Description of the Related Art Solid oxide fuel cells (SOFCs)
Since it operates at a high temperature of 1000 ° C, the electrode reaction is extremely active, does not require any expensive noble metal catalyst such as platinum, has a small polarization, and has a relatively high output voltage, so the energy conversion efficiency is higher than other fuel cells. Remarkably high. Further, since all the structural materials are composed of solids, they are stable and have a long life.

【0003】SOFCの開発事業においては、高温で安
定な材料の探索が重要である。SOFCの空気極材料と
しては、現在、ランタンマンガナイト焼結体が有望と見
られている(エネルギー総合工学、13、2、52〜6
8頁、1990年)。こうしたランタンマンガナイト焼
結体においては、ほぼ化学量論的組成のものやAサイト
(ランタン部位)が一部欠損した組成のもの(マンガン
リッチな組成)も知られている。また、Aサイトが一部
欠損した組成のランタンマンガナイト焼結体は、室温か
ら1000℃へと温度が上昇すると、重量が減少するこ
とが報告されている(J.Electrochem.S
oc.138,5,1519〜1523頁,1991
年)。この場合には、800℃近辺から焼結体の重量が
減少し始めている。
In the development of SOFCs, it is important to search for materials that are stable at high temperatures. Lanthanum manganite sintered bodies are currently considered promising as cathode materials for SOFCs (Energy Engineering, 13, 2, 52-6).
8, p. 1990). Among such lanthanum manganite sintered bodies, those having an almost stoichiometric composition and those having a composition in which A site (lanthanum site) is partially deleted (manganese-rich composition) are known. In addition, it has been reported that a lanthanum manganite sintered body having a composition in which the A site is partially deleted decreases in weight when the temperature is increased from room temperature to 1000 ° C. (J. Electrochem. S.
oc. 138, 5, 1519-1523, 1991
Year). In this case, the weight of the sintered body starts to decrease around 800 ° C.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】特に、AサイトにC
a、Srをドープしたランタンマンガナイトからなる多
孔質焼結体が、自己支持型の空気極管を含む空気極の材
料として有望視されている。ところが、こうした多孔質
焼結体について、次の問題があることを、本発明者が初
めて発見した。
In particular, site A has C
a, A porous sintered body made of lanthanum manganite doped with Sr is considered to be promising as a material for an air electrode including a self-supporting air electrode tube. However, the present inventors have discovered for the first time that such a porous sintered body has the following problems.

【0005】即ち、SOFCの発電温度である900〜
1100℃の温度と、室温〜600℃の温度との間で加
熱−冷却サイクルをかけると、上記の多孔質焼結体から
なる空気極管と、単電池の他の構成材料との間でクラッ
クが発生し、単電池の破壊が生ずることが判明した。し
かも、この単電池を1000℃で長時間動作させても、
このようなクラックは全く発生しなかった。従って、こ
の現象は、上記の多孔質焼結体の焼成収縮によるもので
はなく、上記の熱サイクルによる寸法変化に起因するも
のと考えられた。
[0005] That is, the power generation temperature of the SOFC is 900 to
When a heating-cooling cycle is performed between the temperature of 1100 ° C. and the temperature of room temperature to 600 ° C., cracks occur between the air electrode tube made of the porous sintered body and other constituent materials of the unit cell. , And it was found that the cell was destroyed. Moreover, even if this cell is operated at 1000 ° C. for a long time,
Such cracks did not occur at all. Therefore, it is considered that this phenomenon is not due to the shrinkage of the porous sintered body during firing, but to the dimensional change due to the thermal cycle.

【0006】本発明の課題は、上記の熱サイクルに対す
る安定性をランタンマンガナイト多孔質焼結体に付与す
ることである。
An object of the present invention is to provide a lanthanum manganite porous sintered body with the above-mentioned stability against thermal cycling.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明は、ランタンマン
ガナイトからなる多孔質焼結体であって、アルミニウ
ム、コバルト、マグネシウム及びニッケルからなる群よ
り選ばれた一種以上の金属原子によってランタンマンガ
ナイトのBサイトのマンガン原子の一部が置換され、室
温と1000℃との間の熱サイクルによって生ずる寸法
収縮が熱サイクル1回当たり0.01%以下であること
を特徴とする多孔質焼結体に係るものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to a porous sintered body made of lanthanum manganite, which is made of one or more metal atoms selected from the group consisting of aluminum, cobalt, magnesium and nickel. A manganese atom at the B site is partially substituted, and a dimensional shrinkage caused by a thermal cycle between room temperature and 1000 ° C. is 0.01% or less per thermal cycle. It is related to.

【0008】[0008]

【作用】本発明者は、900〜1100℃の温度と、室
温〜600℃の温度との間で、AサイトにCa、Sr等
をドープしたランタンマンガナイトからなる多孔質焼結
体に対して加熱−冷却サイクルをかけ、その安定性を試
験してみた。この結果、上記の多孔質焼結体が熱サイク
ル1回当たり0.01〜0.1%程度収縮することが判
明した。しかも、この熱サイクルによる収縮は、100
回の熱サイクルをかけても収束せず、100回の熱サイ
クルで数%にも及ぶことが判明した。このように空気極
が収縮すると、単電池の他の構成材料との間でクラック
が発生し、単電池の破壊の原因となる。
The present inventor has proposed that a porous sintered body composed of lanthanum manganite in which the A site is doped with Ca, Sr, etc. between a temperature of 900 to 1100 ° C. and a temperature of room temperature to 600 ° C. A heating-cooling cycle was applied to test its stability. As a result, it was found that the porous sintered body contracted by about 0.01 to 0.1% per thermal cycle. Moreover, the shrinkage due to this thermal cycle is 100
It was found that the thermal convergence did not converge even after several thermal cycles, and reached several percent in 100 thermal cycles. When the air electrode shrinks in this way, cracks occur between the unit cell and other constituent materials, causing the unit cell to break.

【0009】この機構は、現在のところ不明である。し
かし、熱サイクルに伴って、大気中の800℃以上の温
度域で酸素が結晶中に出入りし、この出入りに伴って結
晶格子が歪み、金属原子の物質移動が促進されているも
のと推測される。また、多孔質焼結体の熱サイクルに伴
う寸法収縮量は、焼結体を構成する結晶粒径、熱サイク
ル時の昇降温速度、雰囲気中の酸素分圧によって、若干
異なってくる。即ち、結晶粒径が小さいほど、昇降温速
度が小さいほど、雰囲気中の酸素分圧が高いほど、多孔
質焼結体の寸法収縮が大きいことが判った。
This mechanism is currently unknown. However, it is presumed that oxygen enters and exits the crystal in the temperature range of 800 ° C. or higher in the atmosphere due to the thermal cycle, and the crystal lattice is distorted as the oxygen enters and exits, thereby promoting mass transfer of metal atoms. You. In addition, the amount of dimensional shrinkage of the porous sintered body accompanying the thermal cycle slightly varies depending on the crystal grain size constituting the sintered body, the temperature rise / fall rate during the thermal cycle, and the oxygen partial pressure in the atmosphere. That is, it was found that the smaller the crystal grain size, the lower the temperature rise / fall rate, and the higher the oxygen partial pressure in the atmosphere, the greater the dimensional shrinkage of the porous sintered body.

【0010】本発明者は、上記の知見に基づき、更に検
討を進めた結果、多孔質焼結体を構成するランタンマン
ガナイトのBサイトの一部を、アルミニウム、コバル
ト、マグネシウム又はニッケルで置換すると、上記の熱
サイクルによる寸法収縮が顕著に抑制されることを見出
した。この機構は明らかではない。また、上記した特定
の金属原子のみが有効である理由も、明らかではない。
The present inventor has further studied based on the above findings, and as a result, it has been found that a part of the B site of lanthanum manganite constituting the porous sintered body is replaced with aluminum, cobalt, magnesium or nickel. It has been found that the dimensional shrinkage due to the heat cycle is remarkably suppressed. This mechanism is not clear. Further, the reason why only the above-mentioned specific metal atom is effective is not clear.

【0011】「寸法収縮が熱サイクル1回当たり0.0
1%以下である」とは、多孔質焼結体を焼結させた後、
最初の熱サイクルから10回目の熱サイクルまでの各寸
法収縮の平均値を指すものとする。
[0011] The dimensional shrinkage is 0.0% per thermal cycle.
1% or less "means that after sintering the porous sintered body,
The average value of each dimensional shrinkage from the first heat cycle to the tenth heat cycle is indicated.

【0012】アルミニウム、コバルト、マグネシウム及
びニッケルからなる群より選ばれた一種以上の金属原子
による、ランタンマンガナイトのBサイトの置換割合
は、0.02%以上、20%以下とすることが好まし
い。この置換割合が0.02%未満であると収縮抑制効
果が顕著ではなく、20%を超えると、熱膨脹係数が増
加し、ジルコニア固体電解質の熱膨脹係数との間に不整
合を生じると共に電気伝導度が著しく低下する。
It is preferable that the substitution ratio of the B site of lanthanum manganite by one or more metal atoms selected from the group consisting of aluminum, cobalt, magnesium and nickel is 0.02% or more and 20% or less. If the substitution ratio is less than 0.02%, the effect of suppressing shrinkage is not remarkable, and if it exceeds 20%, the coefficient of thermal expansion increases, causing a mismatch between the coefficient of thermal expansion of the zirconia solid electrolyte and the electric conductivity. Is significantly reduced.

【0013】本発明の多孔質焼結体を構成するランタン
マンガナイトにおいては、Aサイトにアルカリ土類金属
や希土類元素をドープすることができる。この元素とし
ては、スカンジウム、イットリウム、セリウム、プラセ
オジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロ
ピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、
ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、
ルテチウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、
ラジウムから選択する。
[0013] In the lanthanum manganite constituting the porous sintered body of the present invention, the A site can be doped with an alkaline earth metal or a rare earth element. This element includes scandium, yttrium, cerium, praseodymium, neodymium, promethium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium,
Holmium, erbium, thulium, ytterbium,
Lutetium, calcium, strontium, barium,
Choose from Radium.

【0014】また、ランタンマンガナイトは非化学量論
的組成をとりうるので、多孔質焼結体の製造工程におい
て不可避的に混入する若干の不純物に由来するランタン
マンガナイトの組成変動は、許容されるものとする。
Further, since lanthanum manganite can have a non-stoichiometric composition, fluctuations in the composition of lanthanum manganite due to some impurities that are inevitably mixed in the manufacturing process of the porous sintered body are allowed. Shall be.

【0015】本発明の多孔質焼結体は、特に、熱サイク
ルに対して安定な高温電極材料として好ましく使用でき
る。こうした高温電極材料としては、核融合炉、MHD
発電等における電極材料がある。
The porous sintered body of the present invention can be preferably used particularly as a high-temperature electrode material that is stable against heat cycles. Such high-temperature electrode materials include fusion reactors, MHD
There are electrode materials for power generation and the like.

【0016】また、本発明の多孔質焼結体は、SOFC
用の空気極材料として、特に好適に使用できる。更に、
自己支持型の空気極基体の材料として用いることが好ま
しい。こうした空気極基体は、単電池の母材として用い
られるものであり、空気極基体上に、固体電解質膜、燃
料電極膜、インターコネクター、セパレータなどの各構
成部分が積層される。この際、空気極基体の形状は、両
端が開口した円筒形状、一端が開口し、他端が閉塞され
た有底円筒形状、平板形状などであってよい。このう
ち、上記したいずれかの円筒形状のものが、熱応力がか
かりにくく、ガスシールが容易なので、特に好ましい。
Further, the porous sintered body of the present invention is a SOFC
As an air electrode material for use. Furthermore,
Preferably, it is used as a material for a self-supporting air electrode substrate. Such an air electrode substrate is used as a base material of a unit cell, and various components such as a solid electrolyte membrane, a fuel electrode film, an interconnector, and a separator are laminated on the air electrode substrate. At this time, the shape of the air electrode base may be a cylindrical shape with both ends opened, a bottomed cylindrical shape with one end open and the other end closed, a flat plate shape, or the like. Among them, any one of the above-mentioned cylindrical shapes is particularly preferable because thermal stress is hardly applied and gas sealing is easy.

【0017】多孔質焼結体の気孔率は、5〜40%とす
ることが好ましい。また、これをSOFC用の空気極材
料として用いる場合には、更に気孔率を15〜40%と
することが好ましく、25〜35%とすると一層好まし
い。この場合は、空気極の気孔率を15%以上とするこ
とで、ガス拡散抵抗を小さくし、気孔率を40%以下と
することで、ある程度の強度も確保することができる。
The porosity of the porous sintered body is preferably 5 to 40%. When this is used as an air electrode material for an SOFC, the porosity is further preferably set to 15 to 40%, more preferably 25 to 35%. In this case, the gas diffusion resistance is reduced by setting the porosity of the air electrode to 15% or more, and a certain degree of strength can be secured by setting the porosity to 40% or less.

【0018】本発明の多孔質焼結体をSOFC用の空気
極材料として使用する場合には、多孔質焼結体の熱膨張
率を、固体電解質膜や燃料電極膜などの熱膨張率に近く
しなければならない。そして、この固体電解質膜をイッ
トリア安定化ジルコニアで形成する場合には、ランタン
マンガナイトのAサイトにおけるカルシウムの置換量は
10〜30%とすることが好ましく、ストロンチウムの
置換量は5〜20%とすることが、熱膨張を固体電解質
膜と整合させるうえで好ましい。
When the porous sintered body of the present invention is used as an air electrode material for an SOFC, the coefficient of thermal expansion of the porous sintered body should be close to the coefficient of thermal expansion of a solid electrolyte membrane or a fuel electrode membrane. Must. When this solid electrolyte membrane is formed of yttria-stabilized zirconia, the substitution amount of calcium at the A site of lanthanum manganite is preferably 10 to 30%, and the substitution amount of strontium is 5 to 20%. It is preferable to match the thermal expansion with the solid electrolyte membrane.

【0019】特開平1─200560号公報において
は、ランタンマンガナイト系のペロブスカイト型複合酸
化物において、La1-X X Mn1-y y 3 の組成を
有する電極材料が開示されている。ここで、Aは、C
a、Srであり、Bは、ニッケル、クロムである。0≦
X≦0.4であり、0<y≦0.25である。こうした
組成の電極材料を採用することにより、バルクの導電率
(σ)及び界面導電率(σE )を向上させ、電極抵抗と
分極電位とを低下させている。
JP-A-1200560 discloses an electrode material having a composition of La 1 -XA X Mn 1 -y By O 3 in a lanthanum manganite-based perovskite-type composite oxide. . Where A is C
a and Sr, and B is nickel and chromium. 0 ≦
X ≦ 0.4 and 0 <y ≦ 0.25. By employing an electrode material having such a composition, the bulk conductivity (σ) and the interface conductivity (σ E ) are improved, and the electrode resistance and the polarization potential are reduced.

【0020】しかし、本発明における、熱サイクルに伴
う多孔質焼結体の収縮という課題は全く認識されておら
ず、本発明に至るような動機付けが全く存在しない。ま
た、特開平1─200560号公報の実施例を見ると明
らかなように、Aサイトにおけるカルシウムの置換量が
40%であり、熱膨張係数の点でSOFC用の空気極と
しては不適当である(第3頁第1表)。
However, the problem of shrinkage of the porous sintered body due to a heat cycle in the present invention has not been recognized at all, and there is no motivation to reach the present invention. Further, as is apparent from the examples of JP-A-1-200560, the substitution amount of calcium at the A site is 40%, which is unsuitable as an air electrode for SOFC in terms of the coefficient of thermal expansion. (Page 3, Table 1).

【0021】[0021]

【実施例】(実験用試料の製造) 出発原料として、La2 3 、Mn3 4 、CaC
3 、Al2 3 、CoO、MgO、NiOの各粉末を
使用した。表1,表2,表3に示す組成比率となるよう
に、各例について、所定量の出発原料を秤量し、混合し
た。この混合粉末を、コールドアイソスタティックプレ
ス法により、1tf/cm2 の圧力で成形し、成形体を作
製した。この成形体を、大気中、1100℃で40時間
熱処理し、表1〜表3に示す組成のランタンマンガナイ
トを合成した。
EXAMPLES (Production of Experimental Samples) La 2 O 3 , Mn 3 O 4 , CaC
Powders of O 3 , Al 2 O 3 , CoO, MgO, and NiO were used. For each example, a predetermined amount of starting material was weighed and mixed so that the composition ratios shown in Tables 1, 2 and 3 were obtained. This mixed powder was molded at a pressure of 1 tf / cm 2 by a cold isostatic press method to produce a molded body. This compact was heat-treated in the air at 1100 ° C. for 40 hours to synthesize lanthanum manganite having the composition shown in Tables 1 to 3.

【0022】この合成体をボールミルにて粉砕し、平均
粒径が約3〜6μm のランタンマンガナイト粉末を作製
した。次に、このランタンマンガナイト粉末に有機バイ
ンダーとしてポリビニルアルコールを分散させ、一軸プ
レス法にて角板を成形した。この成形体を大気中125
0℃で5時間焼成して焼結体を得、この焼結体から、縦
3mm、横4mm、長さ40mmの角棒を切り出し、実験用試
料とした。
This composite was pulverized in a ball mill to produce a lanthanum manganite powder having an average particle size of about 3 to 6 μm. Next, polyvinyl alcohol was dispersed as an organic binder in the lanthanum manganite powder, and a square plate was formed by a uniaxial pressing method. This molded body is placed in the atmosphere 125
It was fired at 0 ° C. for 5 hours to obtain a sintered body, and a rectangular rod having a length of 3 mm, a width of 4 mm and a length of 40 mm was cut out from the sintered body to prepare an experimental sample.

【0023】(測定)まず、各試料の気孔率を水置換法
にて測定した。この結果を表1〜表3に示す。また、表
1に示す試料1〜5を再度乳鉢にて粉砕し、粉末法にて
X線回折測定を行った。この測定結果を図1に示す。図
1に示す各曲線に付した数値は、表1における試料番号
を示す。図1から解るように、本発明の実施例に係る試
料2、3、4、5の各回折パターンは、比較例に係る試
料1の回折パターンとほぼ同じであり、かつ単一相を示
している。このX線回折パターンからみて、試料2〜5
において、ニッケル、コバルト、マグネシウム、アルミ
ニウムは、それぞれ確かにランタンマンガナイト結晶中
に固溶している。
(Measurement) First, the porosity of each sample was measured by a water displacement method. The results are shown in Tables 1 to 3. Further, Samples 1 to 5 shown in Table 1 were crushed again in a mortar and subjected to X-ray diffraction measurement by a powder method. FIG. 1 shows the measurement results. The numerical values attached to each curve shown in FIG. 1 indicate the sample numbers in Table 1. As can be seen from FIG. 1, the diffraction patterns of Samples 2, 3, 4, and 5 according to the example of the present invention are almost the same as the diffraction pattern of Sample 1 according to the comparative example, and show a single phase. I have. From the X-ray diffraction pattern, it can be seen that Samples 2 to 5
In the above, nickel, cobalt, magnesium, and aluminum are surely dissolved in the lanthanum manganite crystal.

【0024】次に、各試料を大気中にて200℃/時間
で600℃まで昇温し、その後600℃と1000℃と
の間で、200℃/時間の昇降温速度にて10回熱サイ
クルをかけ、室温まで降温した。この際、各熱サイクル
において、600℃と1000℃では各々30分間一定
温度を保持した。その後、マイクロメータを用いて各試
料の寸法を測定し、熱サイクル前後の寸法収縮率を計算
した。これらの測定結果を表1,表2,表3に示す。
Next, each sample was heated to 600 ° C. at a rate of 200 ° C./hour in the air, and then subjected to a thermal cycle between 600 ° C. and 1000 ° C. at a rate of 200 ° C./hour for 10 times. And cooled to room temperature. At this time, in each thermal cycle, a constant temperature was maintained for 30 minutes at 600 ° C. and 1000 ° C., respectively. Thereafter, the dimensions of each sample were measured using a micrometer, and the dimensional shrinkage before and after the heat cycle was calculated. Tables 1, 2 and 3 show the measurement results.

【0025】[0025]

【表1】 [Table 1]

【0026】[0026]

【表2】 [Table 2]

【0027】[0027]

【表3】 [Table 3]

【0028】表1において、試料1〜5のいずれにおい
ても、カルシウムがAサイトのランタン原子の20%を
置換している。また、試料2〜5においては、Bサイト
のマンガン原子の5%が、ニッケル、コバルト、マグネ
シウム又はアルミニウムによって置換されている。本発
明の実施例に係る試料2,3,4,5においては、焼成
後の初期10回の寸法収縮率の1回当たりの平均値が
0.01%以下になる。この値は、試料1では0.04
3%に達する。
In Table 1, in all of the samples 1 to 5, calcium replaces 20% of the lanthanum atom at the A site. In samples 2 to 5, 5% of the manganese atoms at the B site were replaced with nickel, cobalt, magnesium, or aluminum. In Samples 2, 3, 4, and 5 according to the examples of the present invention, the average value of the dimensional shrinkage in the initial 10 times after firing is 0.01% or less per time. This value is 0.04 for sample 1.
Reaches 3%.

【0029】また、本発明者は、表1の試料1につい
て、室温から1000℃まで温度を上昇及び下降させて
熱膨張計によって寸法変化を測定した。この結果、寸法
の収縮現象は、温度下降時の900℃〜800℃の温度
範囲で起こっていることを突き止めた。従って、この温
度範囲で、酸素原子の吸収や金属原子の移動が生じてい
るものと推定される。また、本実験の条件である600
℃と1000℃の間での熱サイクルによる結果は、室温
と1000℃との間の熱サイクルによる結果と同じにな
る。
The present inventor measured the dimensional change of the sample 1 in Table 1 by increasing and decreasing the temperature from room temperature to 1000 ° C. using a thermal dilatometer. As a result, it was found that the dimensional shrinkage phenomenon occurred in a temperature range of 900 ° C. to 800 ° C. when the temperature was lowered. Therefore, it is presumed that absorption of oxygen atoms and migration of metal atoms occur in this temperature range. In addition, 600, which is the condition of this experiment,
The results from thermal cycling between ° C and 1000 ° C are the same as those from thermal cycling between room temperature and 1000 ° C.

【0030】また、試料1を、大気中1000℃で10
時間保持し、室温へと降温した後、加熱前と加熱後との
寸法変化率を測定したところ、0.03%の収縮を示し
た。一方、表1を見ると、焼成後の10回の熱サイクル
について、熱サイクル1回当たりの寸法収縮率は0.0
43%であった。従って、0.03%の収縮は、熱サイ
クル1回分の寸法収縮量にほぼ相当する。この結果か
ら、上記した0.03%の寸法収縮は、1000℃で1
0時間保持している間に生じたのではなく、1000℃
から室温へと下降した降温過程の間に生じたものであ
る。言い換えると、多孔質焼結体の上記熱サイクルによ
る収縮現象は、高温で多孔質焼結体を保持したことによ
る焼結の進行とは、全く別の機構によって生じている。
The sample 1 was placed in the atmosphere at 1000 ° C. for 10 minutes.
After the temperature was maintained for a period of time and the temperature was lowered to room temperature, the dimensional change before and after the heating was measured. On the other hand, as shown in Table 1, the dimensional shrinkage rate per heat cycle was 0.0 for 10 heat cycles after firing.
43%. Therefore, shrinkage of 0.03% substantially corresponds to the amount of dimensional shrinkage for one heat cycle. From this result, the above-mentioned dimensional shrinkage of 0.03% is 1 degree at 1000 ° C.
1000 ° C, not generated during holding for 0 hours
This occurs during the cooling process in which the temperature has dropped from room temperature to room temperature. In other words, the shrinkage phenomenon of the porous sintered body due to the thermal cycle is generated by a completely different mechanism from the progress of sintering due to holding the porous sintered body at a high temperature.

【0031】また、表2においては、ニッケル、コバル
ト、マグネシウム又はアルミニウムが、マンガン部位の
0.01%を占める場合について示した。表3において
は、これらの各金属原子が、マンガン部位の10%、1
5%又は20%を占める場合について示した。また、図
2のグラフにおいて、上記各金属原子のBサイトの置換
量(%)を横軸とし、熱サイクル1回当りの収縮量
(%)を縦軸として、表1〜表3の各結果をプロットし
た。
Table 2 shows the case where nickel, cobalt, magnesium or aluminum accounts for 0.01% of the manganese site. In Table 3, each of these metal atoms accounts for 10% of the manganese site,
The case where 5% or 20% is occupied is shown. In the graph of FIG. 2, the results are shown in Tables 1 to 3, where the horizontal axis represents the substitution amount (%) of the B site of each metal atom, and the vertical axis represents the shrinkage amount (%) per heat cycle. Was plotted.

【0032】表1、表2、表3及び図2から解るよう
に、置換元素の種類によって若干の違いはあるものの、
置換量を増やすことで、熱サイクル収縮が抑制されてい
る。この置換量は、特に5〜20%とするのが好まし
い。
As can be seen from Tables 1, 2 and 3, and FIG. 2, although there is a slight difference depending on the type of the substitution element,
The heat cycle shrinkage is suppressed by increasing the substitution amount. This substitution amount is particularly preferably 5 to 20%.

【0033】また、表1〜表3に示した各例の試料のう
ち、特に表4に示す試料を選択し、1000℃での電気
伝導度について評価した。これは、SOFCの空気極と
して要求される特性である。この測定は、大気中、10
00℃にて、直流四端子法にて行った。この結果を表4
に示す。
Further, among the samples of the respective examples shown in Tables 1 to 3, particularly the samples shown in Table 4 were selected, and the electric conductivity at 1000 ° C. was evaluated. This is a characteristic required as an SOFC air electrode. This measurement is performed in air at 10
The test was performed at 00 ° C. by a DC four-terminal method. Table 4 shows the results.
Shown in

【0034】ただし、表4においては、気孔率の相違に
よる電気伝導度への影響を消去するため、測定データ
は、気孔率30%での値になるよう、計算によって補正
した。
However, in Table 4, in order to eliminate the influence on the electric conductivity due to the difference in the porosity, the measurement data was corrected by calculation so as to have a value at the porosity of 30%.

【0035】[0035]

【表4】 [Table 4]

【0036】表4から解るようにBサイト置換量が増え
ると、電気伝導度は低下する傾向があり、特に置換量が
15%を超えると、本例では、非置換の場合にくらべ
て、電気伝導度が半分程度となる。この傾向は、置換原
子がニッケル又はアルミニウムの場合も、同様である。
As can be seen from Table 4, when the B-site substitution amount increases, the electric conductivity tends to decrease. In particular, when the substitution amount exceeds 15%, in this example, the electric conductivity is lower than in the case of non-substitution. The conductivity becomes about half. This tendency is the same when the substitution atom is nickel or aluminum.

【0037】この原因は、ランタンマンガナイトの電気
伝導機構が、マンガンの価数が3価と4価をとることに
よって生じるホールのホッピング伝導であることから、
伝導パスとなる結晶中のマンガン量が減ったことにある
と考えられる。いずれにせよ、各原子のBサイト置換量
は15%以下とすると好ましく、10%以下とすると一
層好ましい。更に、前述した熱サイクル収縮量の問題も
考慮すると、各原子の置換量は5〜15%とすると更に
好ましく、5〜10%とすると一層好ましい。
The reason for this is that the electrical conduction mechanism of lanthanum manganite is hopping conduction of holes caused by the valence of manganese being trivalent and tetravalent.
It is considered that the amount of manganese in the crystal serving as a conduction path was reduced. In any case, the B-site substitution amount of each atom is preferably 15% or less, more preferably 10% or less. Further, in consideration of the problem of the thermal cycle shrinkage, the substitution amount of each atom is more preferably 5 to 15%, and further preferably 5 to 10%.

【0038】La1-X X Mn0.95Ni0.053 の組成
で、置換量Xと熱膨張係数との関係を調査した。参考と
して、8mol%イットリア安定化ジルコニアの熱膨張
係数を示した。出発原料として、La2 3 、Mn3
4 、CaCO3 、SrCO3 、NiOの各粉末を使用し
た。表5に示す組成比率となるように、各例について、
所定量の出発原料を秤量し、混合した。この混合粉末
を、コールドアイソスタティクプレス法により、1tf
/cm2 の圧力で成形し、成形体を、大気中、1100
°Cで40時間熱処理し、表5に示す組成のランタンマ
ンガナイトを合成した。
The relationship between the substitution amount X and the coefficient of thermal expansion was investigated for the composition of La 1 -X AX Mn 0.95 Ni 0.05 O 3 . For reference, the thermal expansion coefficient of 8 mol% yttria-stabilized zirconia is shown. As starting materials, La 2 O 3 , Mn 3 O
4 , powders of CaCO 3 , SrCO 3 and NiO were used. For each example, the composition ratio shown in Table 5 was obtained.
Predetermined amounts of starting materials were weighed and mixed. This mixed powder was subjected to 1 tf
/ Cm 2 at a pressure of 1100 cm 2
Heat treatment was performed at 40 ° C. for 40 hours to synthesize lanthanum manganite having the composition shown in Table 5.

【0039】この合成体をボールミルにて粉砕し、平均
粒径が約4〜6μmのランタンマンガナイト粉末を作成
した。次に、このランタンマンガナイト粉末に、有機バ
インダーとしてポリビニルアルコールを分散させ、一軸
プレス法によって角板を成形した。この成形体を、大気
中、1200〜1500°Cで5時間焼成し、気孔率3
0±1%の焼結体を得、この焼結体から、縦3mm、横
4mm、長さ40mmの角棒を切り出し、実験用試料と
した。
This composite was pulverized with a ball mill to prepare a lanthanum manganite powder having an average particle size of about 4 to 6 μm. Next, polyvinyl alcohol was dispersed as an organic binder in the lanthanum manganite powder, and a square plate was formed by a uniaxial pressing method. This molded body is fired in the air at 1200 to 1500 ° C. for 5 hours, and has a porosity of 3
A 0 ± 1% sintered body was obtained, and a square bar having a length of 3 mm, a width of 4 mm, and a length of 40 mm was cut out from the sintered body to obtain an experimental sample.

【0040】[0040]

【表5】 組成 平均熱膨張係数 (×10-6/K、20℃〜1000℃) LaMn0.95Ni0.053 12.3 La0.95Ca0.05Mn0.95Ni0.053 12.1 La0.90Ca0.10Mn0.95Ni0.053 11.3 La0.85Ca0.15Mn0.95Ni0.053 11.0 La0.8 Ca0.2 Mn0.95Ni0.053 10.8 La0.75Ca0.25Mn0.95Ni0.053 11.1 La0.725 Ca0.275 Mn0.95Ni0.053 11.2 La0.7 Ca0.3 Mn0.95Ni0.053 11.2 La0.675 Ca0.325 Mn0.95Ni0.053 11.4 La0.65Ca0.35Mn0.95Ni0.053 11.5 La0.95Sr0.05Mn0.95Ni0.053 11.2 La0.90Sr0.10Mn0.95Ni0.053 11.0 La0.8 Sr0.2 Mn0.95Ni0.053 11.1 La0.7 Sr0.3 Mn0.95Ni0.053 11.8 8mol%イットリア安定化ジルコニア 10.5Table 5 Composition Average coefficient of thermal expansion (× 10 −6 / K, 20 ° C. to 1000 ° C.) LaMn 0.95 Ni 0.05 O 3 12.3 La 0.95 Ca 0.05 Mn 0.95 Ni 0.05 O 3 12.1 La 0.90 Ca 0.10 Mn 0.95 Ni 0.05 O 3 11.3 La 0.85 Ca 0.15 Mn 0.95 Ni 0.05 O 3 11.0 La 0.8 Ca 0.2 Mn 0.95 Ni 0.05 O 3 10.8 La 0.75 Ca 0.25 Mn 0.95 Ni 0.05 O 3 11.1 La 0.725 Ca 0.275 Mn 0.95 Ni 0.05 O 3 11.2 La 0.7 Ca 0.3 Mn 0.95 Ni 0.05 O 3 11.2 La 0.675 Ca 0.325 Mn 0.95 Ni 0.05 O 3 11.4 La 0.65 Ca 0.35 Mn 0.95 Ni 0.05 O 3 11.5 La 0.95 Sr 0.05 Mn 0.95 Ni 0.05 O 3 11.2 La 0.90 Sr 0.10 Mn 0.95 Ni 0.05 O 3 11.0 La 0.8 Sr 0.2 Mn 0.95 Ni 0.05 O 3 11.1 La 0.7 Sr 0.3 Mn 0.95 Ni 0.05 O 3 11. 8 8 mol% yttria stabilized zirconia 10.5

【0041】平均熱膨張係数は、Caの置換量Xが約
0.2のときに極小となり、Srの置換量Xが約0.1
のときに極小となった。固体電解質であるイットリア安
定化ジルコニアと熱膨張係数を整合させ、長期的に安定
したセルを得るためには、Caの置換量Xは0.1≦X
≦0.3とすることが好ましく、0.15≦X≦0.2
5とすることが一層好ましい。同じ理由で、Srの置換
量Xは0.05≦X≦0.20とすることが好ましく、
0.10≦X≦0.20とすることが一層好ましい。
The average thermal expansion coefficient is minimized when the substitution amount X of Ca is about 0.2 and the substitution amount X of Sr is about 0.1.
When it was minimal. In order to match the coefficient of thermal expansion with yttria-stabilized zirconia, which is a solid electrolyte, and to obtain a stable cell over a long period of time, the substitution amount of Ca should be 0.1 ≦ X
≦ 0.3, preferably 0.15 ≦ X ≦ 0.2
More preferably, it is set to 5. For the same reason, the substitution amount X of Sr is preferably set to 0.05 ≦ X ≦ 0.20,
More preferably, 0.10 ≦ X ≦ 0.20.

【0042】[0042]

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、多
孔質焼結体を構成するランタンマンガナイトのBサイト
のマンガン原子の一部を、アルミニウム、コバルト、マ
グネシウム及びニッケルからなる群より選ばれた一種以
上の金属原子で置換することで、上記の熱サイクルによ
る多孔質焼結体の寸法収縮を抑制することができる。
As described above, according to the present invention, part of the manganese atoms at the B site of lanthanum manganite constituting the porous sintered body is converted from the group consisting of aluminum, cobalt, magnesium and nickel. By substituting one or more selected metal atoms, the dimensional shrinkage of the porous sintered body due to the above thermal cycle can be suppressed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】各例の多孔質焼結体を構成するランタンマンガ
ナイトのX線回折パターンを示すグラフである。
FIG. 1 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of lanthanum manganite constituting a porous sintered body of each example.

【図2】ランタンマンガナイトのBサイトの置換量と、
多孔質焼結体の熱サイクル1回当りの収縮量との関係を
示すグラフである。
FIG. 2 shows the substitution amount of B site of lantern manganite,
It is a graph which shows the relationship with the shrinkage amount per one thermal cycle of a porous sintered body.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C04B 38/00 - 38/10 C04B 35/00 - 35/22 C04B 35/42 - 35/51──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Fields surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) C04B 38/00-38/10 C04B 35/00-35/22 C04B 35/42-35/51

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 ランタンマンガナイトからなる多孔質焼
結体であって、アルミニウム、コバルト、マグネシウム
及びニッケルからなる群より選ばれた一種以上の金属原
子によってランタンマンガナイトのBサイトのマンガン
原子の一部が置換され、室温と1000℃との間の熱サ
イクルによって生ずる寸法収縮が熱サイクル1回当たり
0.01%以下であることを特徴とする多孔質焼結体。
1. A porous sintered body made of lanthanum manganite, wherein one or more metal atoms selected from the group consisting of aluminum, cobalt, magnesium and nickel are used to form one of the manganese atoms at the B site of lanthanum manganite. A porous sintered body, wherein a part is replaced, and a dimensional shrinkage caused by a thermal cycle between room temperature and 1000 ° C. is 0.01% or less per thermal cycle.
【請求項2】 アルミニウム、コバルト、マグネシウム
及びニッケルからなる群より選ばれた一種以上の金属原
子によるBサイトの置換割合が0.02%以上、20%
以下である、請求項1記載の多孔質焼結体。
2. The substitution rate of the B site by one or more metal atoms selected from the group consisting of aluminum, cobalt, magnesium and nickel is 0.02% or more and 20% or more.
The porous sintered body according to claim 1, wherein:
【請求項3】 カルシウム及びストロンチウムからなる
群より選ばれた一種以上の金属原子によってランタンマ
ンガナイトのAサイトのランタン原子の一部が置換され
ている、請求項1記載の多孔質焼結体。
3. The porous sintered body according to claim 1, wherein part of the lanthanum atom at the A site of lanthanum manganite is substituted by one or more metal atoms selected from the group consisting of calcium and strontium.
【請求項4】 気孔率が5%以上、40%以下である、
請求項1記載の多孔質焼結体。
4. A porosity of not less than 5% and not more than 40%,
The porous sintered body according to claim 1.
【請求項5】 請求項1記載の多孔質焼結体によって空
気極が形成されていることを特徴とする、固体電解質型
燃料電池。
5. A solid oxide fuel cell, wherein an air electrode is formed by the porous sintered body according to claim 1.
【請求項6】 前記空気極が支持体としても機能してい
る、請求項5記載の固体電解質型燃料電池。
6. The solid oxide fuel cell according to claim 5, wherein said air electrode also functions as a support.
【請求項7】 前記空気極が円筒型である、請求項6記
載の固体電解質型燃料電池。
7. The solid oxide fuel cell according to claim 6, wherein the air electrode is cylindrical.
JP5256001A 1992-10-14 1993-10-13 Porous sintered body and solid oxide fuel cell Expired - Lifetime JP2846559B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP5256001A JP2846559B2 (en) 1992-10-14 1993-10-13 Porous sintered body and solid oxide fuel cell

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP27595392 1992-10-14
JP4-275953 1992-10-14
JP4931393 1993-03-10
JP5-49313 1993-03-10
JP5256001A JP2846559B2 (en) 1992-10-14 1993-10-13 Porous sintered body and solid oxide fuel cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH06316471A JPH06316471A (en) 1994-11-15
JP2846559B2 true JP2846559B2 (en) 1999-01-13

Family

ID=27293595

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP5256001A Expired - Lifetime JP2846559B2 (en) 1992-10-14 1993-10-13 Porous sintered body and solid oxide fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2846559B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4528021B2 (en) * 2004-04-27 2010-08-18 新日本製鐵株式会社 Oxide ion mixed conductor, composite structure, oxygen separation device, and chemical reaction device

Also Published As

Publication number Publication date
JPH06316471A (en) 1994-11-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5432024A (en) Porous lanthanum manganite sintered bodies and solid oxide fuel cells
US5411767A (en) Method for producing interconnector for solid electrolyte type fuel cell
US6517693B2 (en) Ion conductor
JP2846567B2 (en) Porous sintered body and solid oxide fuel cell
JP2001307546A (en) Ionic conductor
JP3453283B2 (en) Solid oxide fuel cell
JP3502685B2 (en) Air electrode support
JP3011387B2 (en) Ceramics, cylindrical solid electrolyte fuel cells using the same, and flat solid electrolyte fuel cells
US5445902A (en) Method for operating a power generator
Mori et al. Application of La0. 6AE0. 4MnO3 (AE= Ca and Sr) to electric current collectors in high-temperature solid oxide fuel cells
JP2846559B2 (en) Porous sintered body and solid oxide fuel cell
JP3260947B2 (en) Porous sintered body and solid oxide fuel cell
JPH07267749A (en) Porous sintered body and solid electrolyte type fuel cell using the same
JP3342541B2 (en) Solid oxide fuel cell
JPH07187841A (en) Porous sintered compact and solid electrolyte type fuel cell
JP2591897B2 (en) Porous sintered body and solid oxide fuel cell
JPH07277849A (en) Porous sintered compact, heat resistant electrode and solid electrolyte type fuel cell
JP2529073B2 (en) Porous sintered body and solid oxide fuel cell
JP3400070B2 (en) Method for producing porous sintered body
JPH08130029A (en) Solid electrolyte fuel cell and its manufacture
JPH06122571A (en) Porous sintered compact and solid electrolytic type fuel cell
JP3359421B2 (en) Solid oxide fuel cell
JP2529073C (en)
JP2553295B2 (en) Method for manufacturing porous sintered body
JPH07138082A (en) Porous ceramic sintered compact

Legal Events

Date Code Title Description
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 19980929

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20071030

Year of fee payment: 9

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20081030

Year of fee payment: 10

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20081030

Year of fee payment: 10

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091030

Year of fee payment: 11

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101030

Year of fee payment: 12

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101030

Year of fee payment: 12

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111030

Year of fee payment: 13

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121030

Year of fee payment: 14

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121030

Year of fee payment: 14

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131030

Year of fee payment: 15

EXPY Cancellation because of completion of term