JP3471890B2 - Porous sintered body, heat-resistant electrode and solid oxide fuel cell - Google Patents

Porous sintered body, heat-resistant electrode and solid oxide fuel cell

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JP3471890B2
JP3471890B2 JP07486594A JP7486594A JP3471890B2 JP 3471890 B2 JP3471890 B2 JP 3471890B2 JP 07486594 A JP07486594 A JP 07486594A JP 7486594 A JP7486594 A JP 7486594A JP 3471890 B2 JP3471890 B2 JP 3471890B2
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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、これを
使用した耐熱性電極及び固体電解質型燃料電池に関する
ものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a porous sintered body, a heat resistant electrode using the same, and a solid oxide fuel cell.

【0002】[0002]

【従来の技術】固体電解質型燃料電池の開発事業におい
ては、高温で安定な材料の探索が重要である。このた
め、従来、固体電解質型燃料電池の発電温度である10
00℃近辺においては、空気極を長時間保持してその耐
久性を測定する実験が、行われてきている。固体電解質
型燃料電池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、52〜68頁、1990年)。前記し
たランタンマンガナイトからなる多孔質焼結体が、発電
装置の運転温度における安定性、耐熱性という点で優れ
ているので、着目されているのである。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)が知られている。特
に、AサイトにCa、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。
2. Description of the Related Art In solid oxide fuel cell development projects, it is important to search for stable materials at high temperatures. Therefore, the power generation temperature of the solid oxide fuel cell has conventionally been 10
In the vicinity of 00 ° C., an experiment has been conducted in which the air electrode is held for a long time and its durability is measured. As an air electrode material for a solid oxide fuel cell, a lanthanum manganite sintered body is currently considered to be promising (Energy Engineering, 13, 2, 52-68, 1990). The above-mentioned porous sintered body made of lanthanum manganite is excellent in terms of stability and heat resistance at the operating temperature of the power generator, and is therefore being paid attention to. As such lanthanum manganite sintered bodies, those having a substantially stoichiometric composition and those having a partial loss of A site (lanthanum site) (manganese-rich composition) are known. In particular, a porous sintered body made of lanthanum manganite having A site doped with Ca or Sr is regarded as a promising material for an air electrode including a self-supporting air cathode tube.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】ところが、こうしたラ
ンタンマンガナイト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。即ち、本発明
者は、従来のランタンマンガナイト多孔質焼結体につい
て、固体電解質型燃料電池の発電温度である900〜1
100℃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、その安定性を試験してみた。
このランタンマンガナイトは、Bサイトは特に置換され
ておらず、Aサイトの10%〜20%がカルシウムによ
って置換されているものであり、又は、Aサイトの10
%〜15%がストロンチウムによって置換されているも
のであった。
However, the present inventor first discovered that the lanthanum manganite porous sintered body has the following problems. That is, the present inventor of the conventional lanthanum manganite porous sintered body has a power generation temperature of the solid oxide fuel cell of 900 to 1
A heating-cooling cycle was applied between a temperature of 100 ° C. and a temperature of room temperature to 600 ° C. to test its stability.
In this lanthanum manganite, the B site is not particularly replaced, and 10% to 20% of the A site is replaced by calcium, or 10% of the A site is replaced.
% To 15% were replaced by strontium.

【0004】この結果、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の寸法が、熱サイクル1回
当り0.01〜0.04%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。このように多孔質焼結
体からなる空気極が収縮すると、多孔質焼結体からなる
空気極と、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。
As a result, a temperature of 900 to 1100 ° C.
It was found that when a heating-cooling cycle was applied between room temperature and 600 ° C., the dimensions of the above porous sintered body shrank by 0.01 to 0.04% per thermal cycle. Moreover, it was found that the shrinkage due to this thermal cycle did not converge even after 100 thermal cycles, and reached several percent after 100 thermal cycles. When the air electrode made of a porous sintered body contracts in this way, cracks may occur between the air electrode made of a porous sintered body and other constituent materials of the unit cell, resulting in destruction of the unit cell. There was found. Moreover,
Even when this unit cell was operated at 1000 ° C. for a long time, such a crack did not occur at all. Therefore, this phenomenon was considered not to be due to the firing shrinkage of the porous sintered body, but to the dimensional change due to the thermal cycle.

【0005】本発明の課題は、上記の熱サイクルに対し
て安定な、耐熱性の多孔質焼結体を提供することであ
る。また、本発明の課題は、特に固体電解質型燃料電池
等で使用する耐熱性電極において、上記の熱サイクルに
起因する耐熱性電極の寸法収縮によって、耐熱性電極と
他の構成材料との間でクラックが発生するのを、防止で
きるようにすることである。
An object of the present invention is to provide a heat-resistant porous sintered body which is stable against the above heat cycle. Further, the object of the present invention, particularly in the heat-resistant electrode used in the solid oxide fuel cell, etc., due to the dimensional shrinkage of the heat-resistant electrode due to the thermal cycle, between the heat-resistant electrode and other constituent materials. The purpose is to prevent the occurrence of cracks.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明は、ペロブスカイ
ト構造の複合酸化物からなる多孔質焼結体であって、前
記複合酸化物の組成が、 R1−xMnO (ここで、Rは、セリウムを除く希土類及びイットリウ
ムからなる群から選ばれた一種又は二種以上の第一の金
属原子、Aは、カルシウム及びストロンチウムからなる
群から選ばれた一種以上の第二の金属原子、であり、x
=0.10〜0.70を満たす)であり、この多孔質焼
結体を大気中、1000℃で2時間熱処理した後、1秒
以内に20℃の外気中に曝露させ、外気温にまで急冷し
た後において、前記複合酸化物におけるマンガン原子の
平均価数が3.26以上であり、室温と1000℃との
間の熱サイクルによって生ずる前記多孔質焼結体の寸法
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。
The present invention is a porous sintered body composed of a complex oxide having a perovskite structure, wherein the composition of the complex oxide is R 1-x A x MnO 3 (wherein R is one or more first metal atoms selected from the group consisting of rare earths and yttrium excluding cerium, A is one or more second metal atoms selected from the group consisting of calcium and strontium, And x
= 0.10 to 0.70), and this porous sintered body is heat-treated in the air at 1000 ° C. for 2 hours, and then exposed to the outside air at 20 ° C. within 1 second to reach the outside temperature. After being rapidly cooled, the average valence of manganese atoms in the composite oxide is 3.26 or more, and the dimensional shrinkage of the porous sintered body caused by the thermal cycle between room temperature and 1000 ° C. is one thermal cycle. The present invention relates to a porous sintered body characterized by being 0.01% or less per unit.

【0007】また、本発明は、ペロブスカイト構造の複
合酸化物からなる多孔質焼結体であって、前記複合酸化
物の組成が、 R1−xMn1−z (ここで、Rは、セリウムを除く希土類及びイットリウ
ムからなる群から選ばれた一種又は二種以上の第一の金
属原子、Aは、カルシウム及びストロンチウムからなる
群から選ばれた一種以上の第二の金属原子、Eは、アル
ミニウム、コバルト、銅、マグネシウム、クロム、ニッ
ケル、鉄、チタン及び亜鉛からなる群から選ばれた一種
以上の第三の金属原子、であり、x=0.10〜0.7
0、及び、z=0.02〜0.35を満たす)であり、
この多孔質焼結体を大気中、1000℃で2時間熱処理
した後、1秒以内に20℃の外気中に曝露させ、外気温
にまで急冷した後において、前記複合酸化物におけるマ
ンガン原子の平均価数が3.26以上であり、室温と1
000℃との間の熱サイクルによって生ずる前記多孔質
焼結体の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。
Further, the present invention is a porous sintered body composed of a complex oxide having a perovskite structure, wherein the composition of the complex oxide is R 1-x A x Mn 1-z E z O 3 (here Where R is one or more first metal atoms selected from the group consisting of rare earths other than cerium and yttrium, and A is one or more second metal selected from the group consisting of calcium and strontium. The atom, E, is one or more third metal atoms selected from the group consisting of aluminum, cobalt, copper, magnesium, chromium, nickel, iron, titanium and zinc, and x = 0.10-0.7.
0 and z = 0.02 to 0.35 are satisfied),
This porous sintered body was heat-treated in the air at 1000 ° C. for 2 hours, then exposed to the outside air at 20 ° C. within 1 second, and rapidly cooled to the outside air temperature. Valence is 3.26 or more, and room temperature and 1
The present invention relates to a porous sintered body, characterized in that the dimensional shrinkage of the porous sintered body caused by a thermal cycle of up to 000 ° C. is 0.01% or less per thermal cycle.

【0008】また、本発明は、上記の多孔質焼結体から
なることを特徴とする耐熱性電極に係るものである。ま
た、本発明は、上記の多孔質焼結体からなる空気極を備
えていることを特徴とする、固体電解質型燃料電池に係
るものである。
The present invention also relates to a heat-resistant electrode comprising the above-mentioned porous sintered body. The present invention also relates to a solid oxide fuel cell, characterized by comprising an air electrode made of the above-mentioned porous sintered body.

【0009】[0009]

【作用】最初に、本発明者は、上記の熱サイクルに伴な
う多孔質焼結体の寸法収縮が生ずる機構などについて、
研究を進めた。この結果、室温から1000℃程度まで
温度を上昇させると、多孔質焼結体の重量が僅かに減少
し、再び室温に温度を降下させると、この重量が元に戻
ることが分かった。
First of all, the present inventor has studied the mechanism by which dimensional shrinkage of the porous sintered body occurs with the above thermal cycle.
I proceeded with my research. As a result, it was found that when the temperature was raised from room temperature to about 1000 ° C., the weight of the porous sintered body slightly decreased, and when the temperature was lowered to room temperature again, this weight was restored.

【0010】本発明者は、更にこの現象を検討した結
果、600℃以下の低温領域と、900℃以上の高温領
域との間で、結晶格子において酸素の出入りがあること
を確認した。この点を更に追求してみると、ペロブスカ
イト構造体の結晶格子のBサイトに存在するマンガン原
子の価数が、こうした結晶格子の安定性に関係している
ことがわかってきた。
As a result of further studying this phenomenon, the present inventor has confirmed that oxygen flows in and out of the crystal lattice between a low temperature region of 600 ° C. or lower and a high temperature region of 900 ° C. or higher. Further pursuit of this point has revealed that the valence of manganese atoms present at the B site of the crystal lattice of the perovskite structure is related to the stability of such a crystal lattice.

【0011】更に具体的には、1000℃における複合
酸化物中のマンガン原子の価数が3.26以上である
と、複合酸化物の結晶格子が、前記熱サイクルに対して
安定になり、熱サイクルを加えたときに結晶格子からの
酸素の出入りが抑制され、多孔質焼結体の熱サイクルに
よる収縮を防止できることが判明した。
More specifically, when the valence of the manganese atom in the composite oxide at 1000 ° C. is 3.26 or more, the crystal lattice of the composite oxide becomes stable against the thermal cycle, and It has been found that oxygen is prevented from entering and leaving the crystal lattice when a cycle is applied, and the shrinkage of the porous sintered body due to the thermal cycle can be prevented.

【0012】これにより、特に固体電解質型燃料電池の
ように、多孔質焼結体からなる電極と他の構成材料とが
接合された発電用品において、900〜1100℃の温
度と、室温〜600℃の温度との間で加熱−冷却サイク
ルをかけても、多孔質焼結体からなる電極と他の構成材
料との間でクラックが発生しないことを確認した。
As a result, particularly in a solid oxide fuel cell, such as a solid oxide fuel cell, in a power generation article in which an electrode made of a porous sintered body and other constituent materials are joined, a temperature of 900 to 1100 ° C. and a room temperature to 600 ° C. It was confirmed that no cracks were generated between the electrode made of the porous sintered body and the other constituent materials even when the heating-cooling cycle was performed at the temperature of.

【0013】なお、複合酸化物中の1000℃における
マンガンの平均価数を直接測定することは困難なので、
多孔質焼結体を大気中、1000℃で2時間熱処理した
後、1秒以内に20℃の外気中に曝露させ、外気温にま
で急冷し、次いで多孔質焼結体を粉砕し、この粉末につ
いてマンガンの平均価数を測定する。
Since it is difficult to directly measure the average valence of manganese in the composite oxide at 1000 ° C.,
The porous sintered body was heat-treated in the air at 1000 ° C. for 2 hours, then exposed to the outside air of 20 ° C. within 1 second, rapidly cooled to the outside air temperature, and then the porous sintered body was pulverized to obtain this powder. The average valence of manganese is measured.

【0014】多孔質焼結体を、大気中、1000℃で2
時間熱処理するのは、マンガンの状態を安定させるため
であり、1000℃から20℃まで急冷するのは、多孔
質焼結体を徐冷すると、この間の雰囲気、降温速度、温
度分布等によってマンガンの平均価数が変動することが
あるからである。
The porous sintered body was heated in the atmosphere at 1000 ° C. for 2 hours.
The heat treatment for a period of time is for stabilizing the state of manganese, and the rapid cooling from 1000 ° C. to 20 ° C. is for gradually cooling the porous sintered body. This is because the average valence may change.

【0015】更に、マンガンの前記平均価数を3.27
以上にすることにより、前記寸法収縮率が熱サイクル1
回当たり0.005%以下にまで顕著に減少した。更
に、前記平均価数が3.30以上の範囲では、前記熱サ
イクルによる寸法収縮がほぼ見られなくなった。また、
前記平均価数は、実際上、3.75以下とすることが好
ましい。
Further, the average valence of manganese is 3.27.
As a result of the above, the dimensional shrinkage ratio is 1
Remarkably decreased to 0.005% or less per time. Further, in the range where the average valence is 3.30 or more, the dimensional shrinkage due to the heat cycle is almost not observed. Also,
In practice, the average valence is preferably 3.75 or less.

【0016】[0016]

【実施例】最初に、本発明に係る多孔質焼結体を構成す
る複合酸化物の組成について、例示する。まず、複合酸
化物のBサイトにマンガンが含有されているが、好まし
くは、複合酸化物のAサイトに、セリウムを除く希土
類、アルカリ土類及びイットリウムからなる群より選ば
れた1種以上の金属原子が含有されている。
EXAMPLES First, the composition of the composite oxide constituting the porous sintered body according to the present invention will be illustrated. First, manganese is contained in the B site of the composite oxide, but preferably, one or more metals selected from the group consisting of rare earths other than cerium, alkaline earths and yttrium are contained in the A site of the composite oxide. Contains atoms.

【0017】好ましい態様においては、複合酸化物のA
サイトに、セリウムを除く希土類及びイットリウムから
なる群より選ばれた1種の第一の金属原子と、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
の第二の金属原子とが含有されており、Aサイトにおけ
るこの第二の金属原子の含有割合が10%以上、70%
以下である。この複合酸化物は、次の一般式(I)の組
成を有するものが好ましい。
In a preferred embodiment, the composite oxide A
The site contains one kind of first metal atom selected from the group consisting of rare earths and yttrium other than cerium, and one or more second metal atom selected from the group consisting of calcium and strontium. , The content ratio of this second metal atom in the A site is 10% or more, 70%
It is the following. This composite oxide preferably has a composition represented by the following general formula (I).

【0018】[0018]

【化1】R1-X X MnO3 (I)Embedded image R 1-X A X MnO 3 (I)

【0019】ここで、R、Aが複合酸化物のAサイトを
占め、Mnが複合酸化物のBサイトを占める。Rは、1
種の第一の金属原子である。Aは、1種以上の第二の金
属原子である。xは、第二の金属原子Aの含有割合であ
り、10%以上、70%以下である(x=0.10〜
0.70)。
Here, R and A occupy the A site of the composite oxide, and Mn occupies the B site of the composite oxide. R is 1
It is the first metal atom of the seed. A is one or more second metal atoms. x is the content ratio of the second metal atom A and is 10% or more and 70% or less (x = 0.10 to
0.70).

【0020】「セリウムを除く希土類及びイットリウム
からなる群」とは、イットリウム、ランタン、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、イッテルビウム及び
ルテチウムからなる群である。Rは、更に、ランタン、
プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ジスプロシウ
ム、ガドリニウム及びイットリウムからなる群より選ば
れたものが好ましい。
The term "group consisting of rare earths other than cerium and yttrium" means a group consisting of yttrium, lanthanum, praseodymium, neodymium, promethium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium and lutetium. is there. R is a lantern,
Those selected from the group consisting of praseodymium, neodymium, samarium, dysprosium, gadolinium and yttrium are preferred.

【0021】xが増加すると、電気伝導度は向上する。
しかし、xが0.70を越えると、電気伝導度の急激な
低下が観測された。従って、xは0.70以下とするこ
とが好ましい。
As x increases, the electrical conductivity improves.
However, when x exceeds 0.70, a sharp decrease in electrical conductivity was observed. Therefore, x is preferably 0.70 or less.

【0022】また、本発明の多孔質焼結体を発電用品の
耐熱性電極として使用する場合には、他の構成材料との
間での熱膨張差を小さくするため、耐熱性電極の平均線
熱膨張率を可能な限り小さく抑えることが必要である。
この観点から、耐熱性電極の平均線熱膨張率を測定して
みると、xが増大すると、それにつれて、多孔質焼結体
の平均線熱膨張率は増加していた。特に、第一の金属原
子Rがランタンである場合には、xが0.50を越える
と、顕著な増大が観測された。従って、xは0.5以下
とすることが好ましい。
When the porous sintered body of the present invention is used as a heat-resistant electrode of a power-generating article, the average line of the heat-resistant electrode is set in order to reduce the difference in thermal expansion with other constituent materials. It is necessary to keep the coefficient of thermal expansion as low as possible.
From this viewpoint, when the average linear thermal expansion coefficient of the heat-resistant electrode was measured, as x increased, the average linear thermal expansion coefficient of the porous sintered body also increased. Especially when the first metal atom R is lanthanum, a remarkable increase was observed when x exceeded 0.50. Therefore, x is preferably 0.5 or less.

【0023】特に、本発明の多孔質焼結体を、固体電解
質型燃料電池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。
In particular, when the porous sintered body of the present invention is used as an air electrode material for a solid oxide fuel cell,
The coefficient of thermal expansion of the porous sintered body must be close to that of the solid electrolyte membrane, the fuel electrode membrane and the like.

【0024】この固体電解質膜がイットリア安定化ジル
コニアである場合には、25°C〜1000°Cの間の
平均線熱膨張率は10.5×10-6-1であることが知
られている。この場合には、多孔質焼結体の平均線熱膨
張率を11.8×10-6-1以下に抑えれば、多孔質焼
結体と固体電解質膜との間の熱膨張差に起因するクラッ
クの発生は、防止することができた。
When the solid electrolyte membrane is yttria-stabilized zirconia, it is known that the average linear thermal expansion coefficient between 25 ° C. and 1000 ° C. is 10.5 × 10 -6 K -1. ing. In this case, if the average coefficient of linear thermal expansion of the porous sintered body is suppressed to 11.8 × 10 -6 K -1 or less, the difference in thermal expansion between the porous sintered body and the solid electrolyte membrane will occur. The generation of cracks due to this could be prevented.

【0025】そして、第一の金属原子Rがランタンであ
る場合には、xを0.40以下に抑えると、多孔質焼結
体の平均線熱膨張率が11.8×10-6-1以下に抑え
ることができたので、この観点からは、xを0.40以
下に抑えることが好ましい。
When the first metal atom R is lanthanum, the average linear thermal expansion coefficient of the porous sintered body is 11.8 × 10 −6 K if x is suppressed to 0.40 or less. Since it can be suppressed to 1 or less, x is preferably suppressed to 0.40 or less from this viewpoint.

【0026】また、次の一般式(II)の組成を有する
複合酸化物も好ましい。
Further, a complex oxide having a composition represented by the following general formula (II) is also preferable.

【化2】R1-X X Mn1-Z z 3 (II)Embedded image R 1-X A X Mn 1-Z E z O 3 (II)

【0027】ここで、R、Aが複合酸化物のAサイトを
占め、Mn、Eが複合酸化物のBサイトを占める。R
は、1種の第一の金属原子である。Aは、1種以上の第
二の金属原子である。Eは、アルミニウム、コバルト、
銅、マグネシウム、クロム、ニッケル、鉄、チタン及び
亜鉛からなる群より選ばれた一種以上の第三の金属原子
である。
Here, R and A occupy the A site of the composite oxide, and Mn and E occupy the B site of the composite oxide. R
Is one first metal atom. A is one or more second metal atoms. E is aluminum, cobalt,
It is one or more third metal atoms selected from the group consisting of copper, magnesium, chromium, nickel, iron, titanium and zinc.

【0028】xは、第二の金属原子Aの含有割合であ
り、10%以上、70%以下である(x=0.10〜
0.70)。xが増加すると、電気伝導度は向上する。
しかし、xが0.70を越えると、電気伝導度の急激な
低下が観測された。従って、xは0.70以下とする必
要がある。
X is the content ratio of the second metal atom A, and is 10% or more and 70% or less (x = 0.10 to 10).
0.70). As x increases, electrical conductivity improves.
However, when x exceeds 0.70, a sharp decrease in electrical conductivity was observed. Therefore, x needs to be 0.70 or less.

【0029】第一の金属原子Rがランタンである場合に
は、xが0.50を越えると、平均線熱膨張率に顕著な
増大が観測された。従って、xは0.50以下とする必
要がある。xを0.40以下に抑えると、多孔質焼結体
の平均線熱膨張率が11.8×10-6-1以下に抑える
ことができたので、この観点からは、xを0.40以下
に抑えることが好ましい。
When the first metal atom R is lanthanum, when x exceeds 0.50, a remarkable increase in average linear thermal expansion coefficient was observed. Therefore, x needs to be 0.50 or less. When x was suppressed to 0.40 or less, the average coefficient of linear thermal expansion of the porous sintered body could be suppressed to 11.8 × 10 −6 K −1 or less. It is preferably suppressed to 40 or less.

【0030】zが0.35を越えると、多孔質焼結体の
電気伝導度が低下し、電極素子として使用できる電気伝
導度の限界値を下回るので、zは0.35以下とする必
要がある。更に、zが0.20以下であると、多孔質焼
結体の電気伝導度は顕著に向上する。また、zは0.0
2以上とするのが、多孔質焼結体の前記熱サイクルによ
る寸法収縮率を小さくするという観点から、更に好まし
い。
When z exceeds 0.35, the electric conductivity of the porous sintered body lowers and falls below the electric conductivity limit value that can be used as an electrode element. Therefore, z must be 0.35 or less. is there. Furthermore, when z is 0.20 or less, the electric conductivity of the porous sintered body is significantly improved. Also, z is 0.0
It is more preferable to set it to 2 or more from the viewpoint of reducing the dimensional shrinkage rate of the porous sintered body due to the heat cycle.

【0031】また、他の好ましい組成においては、複合
酸化物のAサイトに、セリウムを除く希土類及びイット
リウムからなる群より選ばれた2種以上の第一の金属原
子と、カルシウム及びストロンチウムからなる群より選
ばれた一種以上の第二の金属原子とが含有されており、
Aサイトにおける第二の金属原子の含有割合が10%以
上、70%以下であり、Aサイトにおける第一の金属原
子の含有割合が30%以上、90%以下である。
In another preferred composition, at the A site of the composite oxide, two or more kinds of first metal atoms selected from the group consisting of rare earths other than cerium and yttrium, and the group consisting of calcium and strontium. Contains one or more second metal atoms selected from
The content ratio of the second metal atom in the A site is 10% or more and 70% or less, and the content ratio of the first metal atom in the A site is 30% or more and 90% or less.

【0032】この複合酸化物の組成は、好ましくは下記
一般式(III)式によって表されるものである。
The composition of this composite oxide is preferably represented by the following general formula (III).

【0033】[0033]

【化3】R1-X X MnO3 (III)Embedded image R 1-X A X MnO 3 (III)

【0034】Rは、2種以上の第一の金属原子である。
Aは、一種以上の第二の金属原子である。
R is two or more kinds of first metal atoms.
A is one or more second metal atoms.

【0035】第二の金属原子Aによる置換割合xは、A
サイトのうち10〜70%(x=0.10〜0.70)
とする。xが増加すると、電気伝導度は向上する。しか
し、xが0.70を越えると、電気伝導度の急激な低下
が観測された。従って、xは0.70以下とする必要が
ある。
The substitution ratio x by the second metal atom A is A
10 to 70% of the sites (x = 0.10 to 0.70)
And As x increases, electrical conductivity improves. However, when x exceeds 0.70, a sharp decrease in electrical conductivity was observed. Therefore, x needs to be 0.70 or less.

【0036】第一の金属原子Rがランタンである場合に
は、xが0.50を越えると、平均線熱膨張率に顕著な
増大が観測された。従って、xは0.50以下とする必
要がある。xを0.40以下に抑えると、多孔質焼結体
の平均線熱膨張率が11.8×10-6-1以下に抑える
ことができたので、この観点からは、xを0.40以下
に抑えることが好ましい。
When the first metal atom R is lanthanum, a remarkable increase in the average linear thermal expansion coefficient was observed when x exceeded 0.50. Therefore, x needs to be 0.50 or less. When x was suppressed to 0.40 or less, the average coefficient of linear thermal expansion of the porous sintered body could be suppressed to 11.8 × 10 −6 K −1 or less. It is preferably suppressed to 40 or less.

【0037】Aサイトにおける第一の金属原子Rの含有
割合(1−x)は、30%以上、90%以下である。第
一の金属原子Rのうち1種類をランタンとした場合に
は、Aサイトにおけるランタンの含有割合は1〜76%
とすることが好ましい。他の第一の金属原子の含有割合
は、Aサイトのうち1〜76%とすることが好ましく、
20〜50%とするのが更に好ましい。
The content ratio (1-x) of the first metal atom R in the A site is 30% or more and 90% or less. When one kind of the first metal atom R is lanthanum, the content ratio of lanthanum in the A site is 1 to 76%.
It is preferable that The content ratio of the other first metal atom is preferably 1 to 76% of the A site,
It is more preferably 20 to 50%.

【0038】また、複合酸化物の組成は、好ましくは下
記一般式(IV)式によって表されるものである。
The composition of the composite oxide is preferably represented by the following general formula (IV).

【0039】[0039]

【化4】R1-X X Mn1-z z 3 (IV)Embedded image R 1-X A X Mn 1-z E z O 3 (IV)

【0040】Rは、2種以上の第一の金属原子である。
A、Eは、上記した各金属原子である。第一の金属原子
Aによる置換割合xは、Aサイトのうち10〜70%
(x=0.10〜0.70)とする。xが増加すると、
電気伝導度は向上する。しかし、xが0.70を越える
と、電気伝導度の急激な低下が観測された。従って、x
は0.70以下とする必要がある。
R is two or more kinds of first metal atoms.
A and E are the metal atoms described above. The substitution rate x by the first metal atom A is 10 to 70% of the A site.
(X = 0.10 to 0.70). As x increases,
The electric conductivity is improved. However, when x exceeds 0.70, a sharp decrease in electrical conductivity was observed. Therefore, x
Must be 0.70 or less.

【0041】第一の金属原子Rがランタンである場合に
は、xが0.50を越えると、平均線熱膨張率に顕著な
増大が観測された。従って、この場合には、xは0.5
0以下とする必要がある。xを0.40以下に抑える
と、多孔質焼結体の平均線熱膨張率が11.8×10-6
-1以下に抑えることができたので、この観点からは、
xを0.40以下に抑えることが好ましい。
When the first metal atom R is lanthanum, a remarkable increase in the average linear thermal expansion coefficient was observed when x exceeded 0.50. Therefore, in this case, x is 0.5
It must be 0 or less. When x is suppressed to 0.40 or less, the average coefficient of linear thermal expansion of the porous sintered body is 11.8 × 10 −6.
Since it could be suppressed to K -1 or less, from this viewpoint,
It is preferable to suppress x to 0.40 or less.

【0042】zが0.35を越えると、多孔質焼結体の
電気伝導度が低下し、電極素子として使用できる電気伝
導度の限界値を下回るので、zは0.35以下とする必
要がある。更に、zが0.20以下であると、多孔質焼
結体の電気伝導度は顕著に向上する。また、zは0.0
2以上とするのが、多孔質焼結体の前記熱サイクルによ
る寸法収縮率を小さくするという観点から、更に好まし
い。
When z exceeds 0.35, the electric conductivity of the porous sintered body lowers and falls below the electric conductivity limit value that can be used as an electrode element. Therefore, z must be 0.35 or less. is there. Furthermore, when z is 0.20 or less, the electric conductivity of the porous sintered body is significantly improved. Also, z is 0.0
It is more preferable to set it to 2 or more from the viewpoint of reducing the dimensional shrinkage rate of the porous sintered body due to the heat cycle.

【0043】Aサイトにおける第一の金属原子Rによる
含有割合は、30%以上、90%以下である。第一の金
属原子Rのうち1種類をランタンとした場合には、Aサ
イトにおけるランタンの含有割合は1〜76%とするこ
とが好ましい。他の第一の金属原子の含有割合は、Aサ
イトのうち1〜76%とすることが好ましく、20〜5
0%とするのが更に好ましい。
The content ratio of the first metal atom R in the A site is 30% or more and 90% or less. When one kind of the first metal atom R is lanthanum, the content ratio of lanthanum in the A site is preferably 1 to 76%. The content ratio of the other first metal atom is preferably 1 to 76% of the A site, and 20 to 5%.
It is more preferably 0%.

【0044】前記した各組成において、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
来する複合酸化物の組成変動は、許容される。また、ペ
ロブスカイト構造の複合酸化物は非化学量論的組成をと
りうるので、前記した各組成を示す一般式においては、
AサイトとBサイトとの比率は便宜上1:1として表現
したが、この組成比率は変動しうる。
In each of the above-mentioned compositions, the composition variation of the composite oxide derived from some impurities inevitably mixed in the manufacturing process of the porous sintered body is allowed. Further, since the complex oxide having a perovskite structure can have a non-stoichiometric composition, in the general formulas showing the respective compositions described above,
Although the ratio of A site to B site is expressed as 1: 1 for convenience, this composition ratio may vary.

【0045】本発明に係る多孔質焼結体を製造するに
は、複合酸化物の原料粉末を混合して混合粉末を製造
し、この混合粉末を成形し、この成形体を焼成して合成
物を製造し、この合成物を粉砕することが好ましい。こ
の際には、複合酸化物の原料粉末の混合比率を変更する
ことにより、複合酸化物における各金属原子の比率を制
御する。
In order to manufacture the porous sintered body according to the present invention, the raw material powders of the composite oxide are mixed to prepare a mixed powder, the mixed powder is molded, and the molded body is fired to obtain a synthetic product. Is preferably prepared and the compound is crushed. At this time, the ratio of each metal atom in the composite oxide is controlled by changing the mixing ratio of the raw material powder of the composite oxide.

【0046】成形体の焼成温度は、1300℃〜160
0℃とすることが好ましい。焼成温度を1300℃未満
とすると、焼結が完全に完了しない。1600℃よりも
高くすると、焼結体の組織が緻密になりすぎる。
The firing temperature of the molded body is 1300 ° C to 160 ° C.
The temperature is preferably 0 ° C. If the firing temperature is less than 1300 ° C, the sintering will not be completed completely. If the temperature is higher than 1600 ° C, the structure of the sintered body will be too dense.

【0047】本発明におけるように、1000℃におけ
るマンガン原子の平均価数が3.26以上である複合酸
化物からなる多孔質焼結体を製造するためには、次の方
法による。即ち、多孔質焼結体を構成する複合酸化物の
結晶格子1つ当たりの酸素量は、約3.0である。前記
した焼成工程において、焼成雰囲気中に含有される酸素
の分圧は、焼成雰囲気が大気である場合には、約20%
であった。従来のランタンマンガナイト多孔質焼結体
は、通常大気中で焼成されていた。
As in the present invention, the following method is used to manufacture a porous sintered body made of a composite oxide having an average valence of manganese atoms at 1000 ° C. of 3.26 or more. That is, the amount of oxygen per crystal lattice of the composite oxide forming the porous sintered body is about 3.0. In the above firing step, the partial pressure of oxygen contained in the firing atmosphere is about 20% when the firing atmosphere is the atmosphere.
Met. A conventional lanthanum manganite porous sintered body is usually fired in the air.

【0048】しかし、本発明者の検討によれば、この焼
成雰囲気中の酸素量を増大させると、焼成後の多孔質焼
結体の酸素量が若干増加し、マンガン原子の平均価数が
増大してくる。従って、1000℃におけるマンガン原
子の平均価数が3.26以上である複合酸化物からなる
多孔質焼結体を製造するためには、前記した各組成を選
択すると共に、この焼成時の焼成雰囲気中に含まれる酸
素分圧を多くすればよい。
However, according to the study by the present inventor, when the amount of oxygen in the firing atmosphere was increased, the amount of oxygen in the porous sintered body after firing was slightly increased, and the average valence of manganese atoms was increased. Come on. Therefore, in order to produce a porous sintered body made of a composite oxide in which the average valence of manganese atoms at 1000 ° C. is 3.26 or more, each composition described above is selected and the firing atmosphere at the time of this firing is selected. The oxygen partial pressure contained therein may be increased.

【0049】ただし、マンガンの平均価数は、前記した
組成によっても変動するので、焼成雰囲気中の酸素分圧
をどの程度大きくする必要があるのかは、複合酸化物の
組成によって異なるため、一義的に特定することはでき
ない。
However, since the average valence of manganese varies depending on the composition described above, how much the oxygen partial pressure in the firing atmosphere needs to be increased depends on the composition of the composite oxide, and therefore is unique. Cannot be specified.

【0050】本発明によって製造した多孔質焼結体は、
特に、熱サイクルに対して安定な耐熱性電極の材料とし
て好ましく使用できる。こうした耐熱性電極の材料とし
ては、核融合炉、MHD発電等の発電用品における電極
材料がある。
The porous sintered body produced according to the present invention is
In particular, it can be preferably used as a material for a heat resistant electrode which is stable against heat cycles. Materials for such heat-resistant electrodes include electrode materials for power generation products such as fusion reactors and MHD power generation.

【0051】また、本発明の多孔質焼結体は、固体電解
質型燃料電池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。
The porous sintered body of the present invention can be particularly preferably used as an air electrode material for a solid oxide fuel cell. Further, it is preferably used as a material for a self-supporting air electrode substrate. Such an air electrode base is used as a base material of a single cell, and each component such as a solid electrolyte membrane, a fuel electrode membrane, an interconnector and a separator is laminated on the air electrode base. At this time, the shape of the air electrode substrate may be a cylindrical shape with both ends open, a bottomed cylindrical shape with one end open and the other end closed, or a flat plate shape. Of these, one of the above cylindrical shapes
It is particularly preferable because it is less likely to be subjected to thermal stress and gas sealing is easy.

【0052】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、これを固体電解質型燃料電池
用の空気極材料として用いる場合には、更に気孔率を1
5〜40%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 5-40%. When it is used as an air electrode material for a solid oxide fuel cell, the porosity is further increased to 1
It is preferably 5 to 40%, and more preferably 25 to 35%. In this case, the porosity of the air electrode should be 15%.
With the above, the gas diffusion resistance is reduced, and the porosity is set to 40% or less, so that a certain level of strength can be secured.

【0053】以下、更に具体的な実験結果について説明
する。 〔実験A:La0.80Ca0.20MnOx系の組成を有する
複合酸化物からなる多孔質焼結体についての実験〕 (多孔質焼結体の製造方法)出発原料として、La2
3 、CaCO3 、Mn3 4 の各粉末を使用した。La
0.80Ca0.20MnOxの組成比率となるように、各試料
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、1500℃で15時間熱処
理し、La0.80Ca0.20MnOxの組成を有する複合酸
化物を合成した。
Hereinafter, more specific experimental results will be described. [Experiment A: Experiment on Porous Sintered Body Composed of Complex Oxide Having La 0.80 Ca 0.20 MnOx System Composition] (Method for Manufacturing Porous Sintered Body) As a starting material, La 2 O was used.
Powders of 3 , CaCO 3 , and Mn 3 O 4 were used. La
For each sample, a predetermined amount of starting materials were weighed and mixed so that the composition ratio was 0.80 Ca 0.20 MnOx. This mixed powder was molded by a cold isostatic press method at a pressure of 1 tf / cm 2 to prepare a molded body. This compact was heat-treated in the air at 1500 ° C. for 15 hours to synthesize a composite oxide having a composition of La 0.80 Ca 0.20 MnOx.

【0054】この合成体をトロンメルで8〜12時間粉
砕し、平均粒径2〜6μmの合成粉末を作製した。次
に、この合成粉末に、水と、有機バインダーとしてのア
クリル系バインダーを加え、混合し、水分40%のスラ
リーを調製し、スプレードライヤーで造粒した。その
後、この造粒粉末と、増孔剤としてのアクリルパウダー
とを乾式混合し、コールドアイソスタティックプレス法
により、1tf/cm2 の圧力で成形して、外径20m
m、内径15mmの円環形状の成形体を製造した。この
円環形状の成形体を、1300℃〜1500℃で5時間
焼成し、多孔質焼結体を得た。
This synthetic material was ground with a trommel for 8 to 12 hours to prepare a synthetic powder having an average particle diameter of 2 to 6 μm. Next, water and an acrylic binder as an organic binder were added to and mixed with this synthetic powder to prepare a slurry having a water content of 40%, and granulated with a spray dryer. Then, this granulated powder and an acrylic powder as a pore-forming agent are dry-mixed and molded by a cold isostatic press method at a pressure of 1 tf / cm 2 to give an outer diameter of 20 m.
A ring-shaped molded body having a diameter of m and an inner diameter of 15 mm was manufactured. The annular shaped body was fired at 1300 ° C to 1500 ° C for 5 hours to obtain a porous sintered body.

【0055】焼成時の雰囲気は、純酸素と純窒素との混
合により雰囲気を調整した。ただし、この混合雰囲気中
における酸素の濃度は、表1に示すように変更した。表
1において、焼成時の酸素濃度が20.6%であるの
が、ほぼ大気に相当する。これらの円環形状の各多孔質
焼結体の気孔率を、水置換法によって測定したところ、
いずれも30%±1%であった。
The atmosphere during firing was adjusted by mixing pure oxygen and pure nitrogen. However, the oxygen concentration in this mixed atmosphere was changed as shown in Table 1. In Table 1, the oxygen concentration during firing is 20.6%, which almost corresponds to the atmosphere. The porosity of each of these annular porous sintered bodies was measured by the water replacement method,
All were 30% ± 1%.

【0056】(熱サイクルによる寸法収縮率の測定)こ
れらの各多孔質焼結体から、幅5mm、厚さ1mm、長
さ50mmの平板形状の試料を切り出し、熱サイクルに
よる寸法収縮率の測定用試料とした。まず、40℃にお
ける測定用試料の長さを正確に測定した。また、熱膨張
計によって、40℃における測定用試料の先端の変位を
精密に測定した。次いで、この測定用試料を、大気中に
て200℃/時間で1000℃まで昇温し、その後10
00℃で30分間保持し、次いで200℃/時間の降温
速度で600℃まで降温し、600℃から40℃まで放
冷した。この熱サイクル後にも、40℃における測定用
試料の先端の変位を、熱膨張計によって精密に測定し
た。
(Measurement of Dimensional Shrinkage Rate by Thermal Cycle) From each of these porous sintered bodies, a flat sample having a width of 5 mm, a thickness of 1 mm and a length of 50 mm was cut out and used for measuring the dimensional shrinkage rate by a thermal cycle. It was used as a sample. First, the length of the measurement sample at 40 ° C. was accurately measured. Further, the displacement of the tip of the measurement sample at 40 ° C. was precisely measured by a thermal expansion meter. Next, this measurement sample is heated to 1000 ° C. at a rate of 200 ° C./hour in the atmosphere, and then 10
The temperature was maintained at 00 ° C for 30 minutes, then the temperature was lowered to 600 ° C at a temperature lowering rate of 200 ° C / hour, and the temperature was allowed to cool from 600 ° C to 40 ° C. Even after this thermal cycle, the displacement of the tip of the measurement sample at 40 ° C. was accurately measured by a thermal expansion meter.

【0057】熱膨張計としては、理学電気製高精度熱膨
張計「TMA」を使用した。次の数式によって、熱サイ
クルによる寸法収縮率(%)を算出した。各測定用試料
について、熱サイクルによる寸法収縮率を測定した結果
を、表1に示す。
As the thermal dilatometer, a high precision thermal dilatometer “TMA” manufactured by Rigaku Denki was used. The dimensional shrinkage rate (%) due to the heat cycle was calculated by the following formula. Table 1 shows the result of measuring the dimensional shrinkage ratio by the thermal cycle for each measurement sample.

【数1】熱サイクルによる寸法収縮率(%)=(熱サイ
クル前における40℃での測定用試料の変位−熱サイク
ル後における40℃での測定用試料の変位)/熱サイク
ル前における測定用試料の長さ)
[Equation 1] Dimensional shrinkage rate (%) due to thermal cycle = (displacement of measuring sample at 40 ° C before thermal cycle-displacement of measuring sample at 40 ° C after thermal cycle) / for measuring before thermal cycle Sample length)

【0058】(結晶格子1個当たりの酸素量(x)及び
マンガンの価数の測定)前記した円環形状の多孔質焼結
体から、熱サイクルによる寸法収縮率の測定用試料を切
り出した後、残りの部分を試料として使用した。まず、
この試料を、図3に模式的に示す装置を用いて処理し
た。即ち、試料3を、炉天井1に白金線2によって吊る
した。電気炉4内の熱処理用空間5にガイド6を設置
し、ガイド6内の空間6aに試料3が位置するようにし
た。ガイド6の下端部は、電気炉4の炉底4aを通って
電気炉4の下側に延びており、ガイド6の下側開口6b
の下に受け皿7が設置されている。受け皿7の周辺は、
20℃の外気である。
(Measurement of Oxygen Content (x) per Crystal Lattice and Valence of Manganese) After cutting out a sample for measuring the dimensional shrinkage ratio by heat cycle from the above-mentioned annular porous sintered body. , The remaining part was used as a sample. First,
This sample was processed using the apparatus schematically shown in FIG. That is, the sample 3 was hung on the furnace ceiling 1 by the platinum wire 2. The guide 6 was installed in the heat treatment space 5 in the electric furnace 4 so that the sample 3 was positioned in the space 6 a in the guide 6. The lower end of the guide 6 extends to the lower side of the electric furnace 4 through the furnace bottom 4a of the electric furnace 4, and the lower opening 6b of the guide 6 is formed.
The saucer 7 is installed under. The area around the saucer 7
It is outside air at 20 ° C.

【0059】この状態で電気炉を稼働させ、1000℃
で2時間、試料3を熱処理した。次いで、白金線2を切
断し、ガイド6内で試料3を落下させ、受け皿7内に落
とし、20℃に急冷した。この熱処理及び急冷後の試料
を、アルミナ乳鉢で、45μm目開きふるいを通るよう
になるまで、粉砕し、マンガン価数測定用試料を得た。
In this state, the electric furnace is operated to 1000 ° C.
Sample 3 was heat treated for 2 hours. Next, the platinum wire 2 was cut, the sample 3 was dropped in the guide 6, dropped in the pan 7, and rapidly cooled to 20 ° C. The sample after the heat treatment and the rapid cooling was pulverized in an alumina mortar until it passed through a 45 μm opening sieve to obtain a sample for manganese valence measurement.

【0060】マンガンの価数の分析は、「固体電解質型
燃料電池の基礎研究」(電力中央研究所報告:研究報
告:W90002)を基にして行った。分析の手順は、
以下の通りである。
The valence of manganese was analyzed based on "Basic research on solid oxide fuel cell" (Report of Central Research Institute of Electric Power: Research report: W90002). The analysis procedure is
It is as follows.

【0061】(1)Na2 2 4 とマンガン価数測定
用試料との反応 110℃で乾燥しておいたNa2 2 4 30.00m
gと、上記したマンガン価数測定用試料(ペロブスカイ
ト複合酸化物の粉末)約40.00mgとを、200m
lの三角フラスコの中に入れる。10容量%に希釈した
硫酸100mlを三角フラスコに入れ、サーモマグネテ
ィックスターラー上で約30分間加熱し、前記粉末を硫
酸に溶解させる。この時の反応は、以下の(V)式の通
りである。
(1) Reaction of Na 2 C 2 O 4 with a manganese valence measurement sample Na 2 C 2 O 4 30.00 m dried at 110 ° C.
g, and about 40.00 mg of the above-mentioned sample for manganese valence measurement (perovskite complex oxide powder), 200 m
Place in a 1 L Erlenmeyer flask. 100 ml of sulfuric acid diluted to 10% by volume is placed in an Erlenmeyer flask and heated on a thermomagnetic stirrer for about 30 minutes to dissolve the powder in sulfuric acid. The reaction at this time is as shown in the following formula (V).

【0062】[0062]

【化5】(V)式 Mn4 + +Na2 2 4 →Mn2 + +2CO+2Na
+O2 Mn3 + +1/2Na2 2 4 →Mn2 + +CO+N
a+1/2O2
(V) Formula Mn 4 + + Na 2 C 2 O 4 → Mn 2 + + 2CO + 2Na
+ O 2 Mn 3 + + 1 / 2Na 2 C 2 O 4 → Mn 2 + + CO + N
a + 1 / 2O 2

【0063】(2)KMnO4 滴定溶液の調製 KMnO4 粉末(nakarai tesque , guaranteed reagen
t )を蒸留水に溶解し、約0.01mol/lの溶液を
調製する。この溶液を十分に煮沸し、二酸化炭素等のガ
スを脱気する。KMnO4 は、蒸留水中の二酸化炭素と
反応して、還元されやすいからである。次いで、この溶
液を冷暗所で室温まで放冷し、MnO2等の不純物を濾
過して除去した。KMnO4 滴定後の濃度は、既知量の
Na2 2 4 の酸化に要した滴定量より、求めた。
(2) KMnOFourPreparation of titration solution KMnOFourPowder (nakarai tesque, guaranteed reagen
t) is dissolved in distilled water to obtain a solution of about 0.01 mol / l.
Prepare. This solution should be boiled sufficiently to remove gas such as carbon dioxide.
Degas the air. KMnOFourAnd carbon dioxide in distilled water
This is because they are easily reacted and reduced. Then this melt
The liquid is allowed to cool to room temperature in a cool dark place, and MnO2Impurities such as
Removed over time. KMnOFourThe concentration after titration is
Na2C 2OFourIt was determined from the titration amount required for the oxidation of.

【0064】(3)滴定 前記したように、Na2 2 4 とマンガン価数測定用
試料中のマンガンとを反応させ、この反応の後に残留し
たNa2 2 4 を、KMnO4 溶液によって滴定し
た。KMnO4 溶液による滴定の終点は、滴定溶液であ
るKMnO4 溶液のピンク色が現れはじめた点とした。
滴定中に起こる酸化還元反応は、以下の(VI)式の通
りである。
(3) Titration As described above, Na 2 C 2 O 4 was reacted with manganese in the manganese valence measurement sample, and Na 2 C 2 O 4 remaining after this reaction was dissolved in a KMnO 4 solution. Titrated by The end point of titration with KMnO 4 solution was the point where the pink KMnO 4 solution is titrated solution began to appear.
The redox reaction that occurs during titration is as shown in the following formula (VI).

【0065】[0065]

【化6】(VI)式 5Na2 2 4 +2KMnO4 +16H+ →2Mn
2 + +10CO2 +8H2 O+10Na+ +2K+
(VI) Formula 5 Na 2 C 2 O 4 + 2KMnO 4 + 16H + → 2Mn
2 + + 10CO 2 + 8H 2 O + 10Na + + 2K +

【0066】(4)計算 既知のKMnO4 溶液の濃度をC(mol/l)とし、
Mnの価数を全て3価としたときのマンガン価数測定用
試料の分子量をd1 とし、マンガン価数測定用試料の重
量をl(g)とし、Na2 2 4 の重量をf(g)と
し、KMnO4溶液の滴定量をg(ml)とする。(V
I)式の滴定反応に要したNa2 2 4 のmol数
を、h(mol)とする。h(mol)は、Na2 2
4 の全体のmol数と、KMnO4 と反応したNa2
2 4 のmol数との差である。
(4) Calculation Known KMnOFourThe concentration of the solution is C (mol / l),
For manganese valence measurement when all valences of Mn are trivalent
The molecular weight of the sample is d1And the weight of the manganese valence measurement sample
The amount is 1 (g), and Na2C2OFourThe weight of f (g)
And KMnOFourThe titer of the solution is g (ml). (V
Na required for the titration reaction of the formula I)2C2O FourMol number of
Is h (mol). h (mol) is Na2C2
OFourAnd the total mol number of KMnOFourReacted with Na2
C2OFourIs the difference with the mol number.

【0067】Na2 2 4 の分子量は134であり、
純度は0.995である。従って、Na2 2 4 の全
体のmol数は、f×0.995/134である。ま
た、KMnO4 と反応したNa2 2 4 のmol数
は、(C×g×5/2)/1000である。従って、次
式が成立する。
The molecular weight of Na 2 C 2 O 4 is 134,
The purity is 0.995. Therefore, the total number of moles of Na 2 C 2 O 4 is f × 0.995 / 134. The number of moles of Na 2 C 2 O 4 reacted with KMnO 4 is (C × g × 5/2) / 1000. Therefore, the following equation is established.

【0068】[0068]

【数2】h=f×0.995/134−(C×g×5/
2)/1000
(2) h = f × 0.995 / 134− (C × g × 5 /
2) / 1000

【0069】(V)式の下段より、ペロブスカイト型複
合酸化物からなるマンガン価数測定用試料1mol中で
Mn3 + が還元されたときの電子数iは、Na22
4 1mol当たり、2molであるから、次式が成立す
る。
From the lower part of the equation (V), the electron number i when Mn 3 + is reduced in 1 mol of the manganese valence measurement sample consisting of a perovskite type complex oxide is Na 2 C 2 O.
4 Since it is 2 mol per 1 mol, the following formula is established.

【0070】[0070]

【数3】i=2×h/(e/d1 [Equation 3] i = 2 × h / (e / d 1 )

【0071】Mn以外の原子は、価数の変動がないもの
と仮定すると、ペロブスカイト型複合酸化物中のMnの
平均価数は、(i+2)となる。こうして、Mnの価数
をすべて3であると仮定した場合について、マンガンの
平均価数(i+2)を算出することができる。むろん
(i+2)は3よりも大きいので、マンガンの平均価数
が3であるという初期仮定は不正確である。マンガンの
平均価数が大きくなると、結晶格子1個当たりの酸素量
xも大きくなるので、前記したペロブスカイト複合酸化
物の分子量(d1 )も不正確である。
The average valence of Mn in the perovskite type complex oxide is (i + 2), assuming that the atoms other than Mn do not change in valence. In this way, the average valence (i + 2) of manganese can be calculated when all the valences of Mn are assumed to be 3. Of course, since (i + 2) is larger than 3, the initial assumption that the average valence of manganese is 3 is incorrect. When the average valence of manganese increases, the oxygen amount x per crystal lattice also increases, so the molecular weight (d 1 ) of the above-mentioned perovskite complex oxide is also incorrect.

【0072】そこで、マンガンの平均価数(i+2)の
算出値から、酸素を含んだペロブスカイト型複合酸化物
全体の分子量(d2 )を計算する。この計算値(i+
2)は、3よりも実際の値に近く、d2 はd1 よりも実
際の値に近い。再び、この分子量(d2 )を使用して、
上記の計算をやり直す。この操作を5回繰り返して行
い、最終的なMnの平均価数とした。
Therefore, the molecular weight (d 2 ) of the whole perovskite type complex oxide containing oxygen is calculated from the calculated value of the average valence (i + 2) of manganese. This calculated value (i +
2) is closer to the actual value than 3 and d 2 is closer to the actual value than d 1 . Again using this molecular weight (d 2 ),
Repeat the above calculation. This operation was repeated 5 times to obtain the final average valence of Mn.

【0073】このようにして、各例の多孔質焼結体につ
いて、マンガンの平均価数と、結晶格子1個当たりの酸
素量(x)を算出し、表1に示した。また、マンガンの
平均価数と前記熱サイクルによる寸法収縮率との関係
を、図1のグラフに示した。
In this way, the average valence of manganese and the amount of oxygen (x) per one crystal lattice of the porous sintered body of each example were calculated and shown in Table 1. Further, the relationship between the average valence of manganese and the dimensional shrinkage rate due to the heat cycle is shown in the graph of FIG.

【0074】[0074]

【表1】 [Table 1]

【0075】表1に示すように、焼成雰囲気の酸素濃度
を大きくすることによって、マンガンの平均価数が増大
する傾向があった。また、表1及び図1からわかるよう
に、マンガンの平均価数を3.26以上にすることによ
り、前記寸法収縮率が熱サイクル1回当たり0.01%
以下に抑制されることがわかった。更には、前記平均価
数を3.27以上にすることにより、前記寸法収縮率が
熱サイクル1回当たり0.005%以下にまで顕著に減
少した。更に、前記平均価数が3.30以上の範囲で
は、前記熱サイクルによる寸法収縮がほぼ見られなくな
った。
As shown in Table 1, increasing the oxygen concentration in the firing atmosphere tended to increase the average valence of manganese. Further, as can be seen from Table 1 and FIG. 1, by setting the average valence of manganese to 3.26 or more, the dimensional shrinkage rate is 0.01% per thermal cycle.
It turned out that it is suppressed below. Furthermore, by setting the average valence to 3.27 or more, the dimensional shrinkage rate was significantly reduced to 0.005% or less per thermal cycle. Further, in the range where the average valence is 3.30 or more, the dimensional shrinkage due to the heat cycle is almost not observed.

【0076】また、表1において、マンガンの平均価数
が3.2464である多孔質焼結体について、室温から
1000℃まで温度を上昇及び下降させ、熱膨張計によ
って多孔質焼結体の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、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。
Further, in Table 1, for the porous sintered body having an average valence of manganese of 3.2464, the temperature was raised and lowered from room temperature to 1000 ° C., and the size of the porous sintered body was measured by a thermal expansion meter. The change was measured. As a result, it was found that the dimensional shrinkage phenomenon occurred in the temperature range of 900 ° C. to 800 ° C. when the temperature decreased. Therefore, it is assumed that oxygen atoms are absorbed and metal atoms are moved in this temperature range. Moreover, the result of the thermal cycle between 600 ° C. and 1000 ° C. is the same as the result of the thermal cycle between room temperature and 1000 ° C.

【0077】また、表1において、マンガンの平均価数
が3.2464である多孔質焼結体について、前記の熱
サイクルを10回かけたところ、10回の熱サイクル
で、多孔質焼結体の寸法収縮率は0.34%に達した。
また、この熱サイクルによる寸法収縮は、熱サイクル数
を多くしても、収束しなかった。
Further, in Table 1, with respect to the porous sintered body having an average valence of manganese of 3.2464, when the above-mentioned thermal cycle was applied 10 times, the porous sintered body was subjected to 10 thermal cycles. The dimensional shrinkage rate of 0.34% was reached.
Further, the dimensional shrinkage due to this heat cycle did not converge even if the number of heat cycles was increased.

【0078】一方、この多孔質焼結体を、大気中100
0℃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、0.031%
の収縮を示した。1000℃で10時間保持したことに
よる0.031%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。熱サイクル1回当たりに1000
℃で保持する時間は30分間に過ぎない。
On the other hand, this porous sintered body was treated in air at 100
After maintaining at 0 ° C for 10 hours and cooling to room temperature, the dimensional change rate before and after heating was measured and found to be 0.031%.
Showed shrinkage of. Shrinkage of 0.031% by holding at 1000 ° C. for 10 hours is almost equivalent to the amount of dimensional shrinkage for one heat cycle. 1000 per thermal cycle
The holding time at 0 ° C is only 30 minutes.

【0079】この結果から、上記した0.34%の寸法
収縮は、1000℃で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。
From this result, the above-mentioned 0.34% dimensional shrinkage did not occur during the holding at 1000 ° C., but during the temperature decreasing process from 1000 ° C. to room temperature. is there. In other words, the shrinkage phenomenon of the porous sintered body due to the above-mentioned thermal cycle is caused by a mechanism completely different from the progress of sintering due to the holding of the porous sintered body at a high temperature.

【0080】〔実験B:La0.80Ca0.20Mn0.98Ni
0.02Ox系の組成を有する複合酸化物からなる多孔質焼
結体についての実験〕出発原料として、La2 3 、C
aCO3 、Mn3 4 及びNiOの各粉末を使用した。
他は実験Aと同様にして、各例の多孔質焼結体を製造し
た。ただし、焼成時の酸素濃度は、表2に示すように変
更した。
[Experiment B: La 0.80 Ca 0.20 Mn 0.98 Ni
Experiment on Porous Sintered Body Composed of Complex Oxide with 0.02 Ox Composition] As starting materials, La 2 O 3 , C
Powders of aCO 3 , Mn 3 O 4 and NiO were used.
Others were the same as that of experiment A, and the porous sintered body of each example was manufactured. However, the oxygen concentration during firing was changed as shown in Table 2.

【0081】これらの各多孔質焼結体について、前記寸
法収縮率した実験Aと同様にして、気孔率、熱サイクル
による寸法収縮率、マンガンの価数、結晶格子1個当た
りの酸素量xを測定した。この測定結果を表2に示す。
また、マンガンの平均価数と前記熱サイクルによる寸法
収縮率との関係を、図2のグラフに示した。
For each of these porous sintered bodies, the porosity, the dimensional shrinkage due to the heat cycle, the valence of manganese, and the oxygen amount x per crystal lattice were determined in the same manner as in Experiment A in which the dimensional shrinkage was performed. It was measured. The measurement results are shown in Table 2.
Further, the relationship between the average valence of manganese and the dimensional shrinkage rate due to the heat cycle is shown in the graph of FIG.

【0082】[0082]

【表2】 [Table 2]

【0083】各多孔質焼結体の気孔率は30%±1%で
あった。表2に示すように、焼成雰囲気の酸素濃度を大
きくすることによって、マンガンの平均価数が増大する
傾向があった。また、表2及び図2からわかるように、
マンガンの平均価数を3.26以上にすることにより、
前記寸法収縮率が熱サイクル1回当たり0.01%以下
に抑制されることがわかった。更には、前記平均価数を
3.27以上にすることにより、前記寸法収縮率が熱サ
イクル1回当たり0.005%以下にまで顕著に減少し
た。更に、前記平均価数が3.30以上の範囲では、前
記熱サイクルによる寸法収縮がほぼ見られなくなった。
The porosity of each porous sintered body was 30% ± 1%. As shown in Table 2, increasing the oxygen concentration in the firing atmosphere tended to increase the average valence of manganese. Also, as can be seen from Table 2 and FIG.
By setting the average valence of manganese to 3.26 or more,
It was found that the dimensional shrinkage ratio was suppressed to 0.01% or less per thermal cycle. Furthermore, by setting the average valence to 3.27 or more, the dimensional shrinkage rate was significantly reduced to 0.005% or less per thermal cycle. Further, in the range where the average valence is 3.30 or more, the dimensional shrinkage due to the heat cycle is almost not observed.

【0084】[0084]

【発明の効果】前記したように、本発明の多孔質焼結体
は、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た場合に、この
熱サイクルに対して安定である。従って、この多孔質焼
結体によって形成された耐熱性電極は、上記の熱サイク
ルに起因する寸法収縮がきわめて少ないので、耐熱性電
極と他の構成材料との間でクラックが発生するのを、防
止できる。
As described above, the porous sintered body of the present invention has the following characteristics when subjected to a heating-cooling cycle between a temperature of 900 to 1100 ° C and a temperature of room temperature to 600 ° C. It is stable against heat cycles. Therefore, the heat-resistant electrode formed by this porous sintered body, because the dimensional shrinkage due to the above-mentioned thermal cycle is extremely small, cracks occur between the heat-resistant electrode and other constituent materials, It can be prevented.

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

【図1】La0.80Ca0.20MnOx系の組成を有する複
合酸化物からなる多孔質焼結体について、マンガンの平
均価数と前記熱サイクルによる寸法収縮率との関係を示
すグラフである。
FIG. 1 is a graph showing the relationship between the average valence of manganese and the dimensional shrinkage rate due to the heat cycle in a porous sintered body made of a composite oxide having a La 0.80 Ca 0.20 MnOx system composition.

【図2】La0.80Ca0.20Mn0.98Ni0.02Ox系の組
成を有する複合酸化物からなる多孔質焼結体について、
マンガンの平均価数と前記熱サイクルによる寸法収縮率
との関係を示すグラフである。
FIG. 2 shows a porous sintered body composed of a composite oxide having a La 0.80 Ca 0.20 Mn 0.98 Ni 0.02 Ox composition.
It is a graph which shows the relationship between the average valence of manganese and the dimensional shrinkage rate by the said thermal cycle.

【図3】マンガンの平均価数を測定するための試料を得
るために、多孔質焼結体に対して熱処理及び急冷処理を
加えるための装置を模式的に示す断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing an apparatus for applying heat treatment and quenching treatment to a porous sintered body to obtain a sample for measuring the average valence of manganese.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2 白金線、 3 試料、 4 電気炉、 5 熱処理
用空間、6 ガイド、 7 受け皿
2 platinum wire, 3 sample, 4 electric furnace, 5 heat treatment space, 6 guide, 7 saucer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平7−118076(JP,A) 特開 平7−138082(JP,A) 特開 平7−196367(JP,A) 特開 平6−16471(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 38/00 - 38/91,35/50 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) Reference JP-A-7-118076 (JP, A) JP-A-7-138082 (JP, A) JP-A-7-196367 (JP, A) JP-A-6- 16471 (JP, A) (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) C04B 38/00-38 / 91,35 / 50

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 ペロブスカイト構造の複合酸化物からな
る多孔質焼結体であって、前記複合酸化物の組成が、 R1−xMnO (ここで、Rは、セリウムを除く希土類及びイットリウ
ムからなる群から選ばれた一種又は二種以上の第一の金
属原子、 Aは、カルシウム及びストロンチウムからなる群から選
ばれた一種以上の第二の金属原子、であり、 x=0.10〜0.70を満たす) であり、この多孔質焼結体を大気中、1000℃で2時
間熱処理した後、1秒以内に20℃の外気中に曝露さ
せ、外気温にまで急冷した後において、前記複合酸化物
におけるマンガン原子の平均価数が3.26以上であ
り、室温と1000℃との間の熱サイクルによって生ず
る前記多孔質焼結体の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 comprising a complex oxide having a perovskite structure, wherein the composition of the complex oxide is R 1-x A x MnO 3 (wherein R is a rare earth element other than cerium and One or more first metal atoms selected from the group consisting of yttrium, A is one or more second metal atoms selected from the group consisting of calcium and strontium, and x = 0.10 .About.0.70), and after heat-treating this porous sintered body in the air at 1000.degree. C. for 2 hours, exposing it to the outside air at 20.degree. C. within 1 second, and rapidly cooling it to the outside air temperature. The average valence of manganese atoms in the composite oxide is 3.26 or more, and the dimensional shrinkage of the porous sintered body caused by the thermal cycle between room temperature and 1000 ° C. is 0.01 per thermal cycle. % Or less And wherein the Rukoto, porous sintered body.
【請求項2】 ペロブスカイト構造の複合酸化物からな
る多孔質焼結体であって、前記複合酸化物の組成が、 R1−xMn1−z (ここで、Rは、セリウムを除く希土類及びイットリウ
ムからなる群から選ばれた一種又は二種以上の第一の金
属原子、 Aは、カルシウム及びストロンチウムからなる群から選
ばれた一種以上の第二の金属原子、 Eは、アルミニウム、コバルト、銅、マグネシウム、ク
ロム、ニッケル、鉄、チタン及び亜鉛からなる群から選
ばれた一種以上の第三の金属原子、であり、 x=0.10〜0.70、及び、 z=0.02〜0.35を満たす) であり、この多孔質焼結体を大気中、1000℃で2時
間熱処理した後、1秒以内に20℃の外気中に曝露さ
せ、外気温にまで急冷した後において、前記複合酸化物
におけるマンガン原子の平均価数が3.26以上であ
り、室温と1000℃との間の熱サイクルによって生ず
る前記多孔質焼結体の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。
2. A porous sintered body composed of a complex oxide having a perovskite structure, wherein the composition of the complex oxide is R 1-x A x Mn 1-z E z O 3 (where R is , One or more first metal atoms selected from the group consisting of rare earths and yttrium excluding cerium, A is one or more second metal atoms selected from the group consisting of calcium and strontium, and E is At least one third metal atom selected from the group consisting of aluminum, cobalt, copper, magnesium, chromium, nickel, iron, titanium and zinc, x = 0.10-0.70, and z = 0.02 to 0.35), the porous sintered body is heat-treated in the air at 1000 ° C for 2 hours, and then exposed to the outside air of 20 ° C within 1 second to reach the outside temperature. After quenching, before The average valence of manganese atoms in the composite oxide is 3.26 or more, and the dimensional shrinkage of the porous sintered body caused by the thermal cycle between room temperature and 1000 ° C. is 0.01% or less per thermal cycle. A porous sintered body, characterized in that
【請求項3】 前記複合酸化物のAサイトにランタン原
子が含有されていることを特徴とする、請求項又は
に記載の多孔質焼結体。
3., characterized in that lanthanum atom in the A site of the complex oxide is contained, according to claim 1 or 2
The porous sintered body according to 1.
【請求項4】 請求項のいずれか1項に記載の多
孔質焼結体からなることを特徴とする耐熱性電極。
4. A heat resistant electrode comprising the porous sintered body according to any one of claims 1 to 3 .
【請求項5】 請求項のいずれか1項に記載の多
孔質焼結体からなる空気極を備え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, comprising an air electrode made of the porous sintered body according to any one of claims 1 to 3 .
【請求項6】 前記空気極が自己支持型の空気極である
ことを特徴とする、請求項記載の固体電解質型燃料電
池。
6. The solid oxide fuel cell according to claim 5 , wherein the air electrode is a self-supporting air electrode.
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