JP3748084B2 - Method for producing NiO / YSZ composite powder - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、固体電解質型燃料電池(以下SOFCとも言う)の燃料電極材料等に用いられるNiO/YSZ複合粉末の製造方法に関する。特には、組成が均一で、耐久性に優れたSOFC燃料電極を形成しうるNiO/YSZ複合粉末の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
SOFCの燃料電極用材料を例にとって従来技術を説明する。SOFCの燃料電極用材料としては、NiOとY2O3安定化ZrO2(YSZ )とを混合複合化した複合粉末の焼結膜が主に用いられている。なお、燒結膜中のNiOは、SOFCの運転中に還元されてNiとなる。
【0003】
このようなNiO/YSZ複合粉末の製造方法は、一般的に、NiO粉とYSZ粉を両者とも固体の状態で混合し、その後昇温して若干焼結することにより複合化する方法が採られている。混合方法としては、一般的にボールミルを用いるものや、メカノケミカル的機械混合によるもの等が知られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来の製造方法にあっては、次のような問題があった。
▲1▼ ボールミル混合法:
混合粉のうち、比重の大きな成分(NiO)や粒径の大きな成分が沈降して、粉末の組成むらが起こりやすい。特に、液体を媒体として湿式混合を行う場合、混合処理後の乾燥工程で、上述の沈降現象が起こりやすい。
【0005】
▲2▼ メカノケミカル的機械混合:
この方法は、機械的な混合法の一つであるが、一例を挙げれば、高速回転する容器(あるいは刃自体が回転するものでも構わない)中に回転刃が設置され、その回転刃の表面が粉末が刃上を転がるような曲面を持つもので、容器または回転刃自体の回転による遠心力、攪拌によって粉末混合を促進するものである。このとき自然発生する熱、または強制的に温度を上げた状態で粉末同士の混合を行う、つまり熱によって粉末間の結合を促進させることがメカノケミカル手法の大きな特徴である(従来の機械的混合はアトライター等に見られるように発生する熱を冷却によって除去する手法がおもであった)。そして、この手法は主には粉末体と微粉体との混合において、粗粉体表面上に微粉体を吸着させて殻と核から構成される複合粉末を作成する表面改質手法として今日広く用いられるようになってきている。
【0006】
このように、このメカノケミカル的機械混合においては、表面改質手法が粗い粉末粒子の表面に、細い粒子を吸着させるという粉末粒径差を利用するメカニズムに基づくものであった。そのため、使用しうる原料が粗い粉末細い粉末との組み合わせに限られ、微粉同士を混合・複合化したいときには、このメカノケミカル的機械混合は大きな効果は発揮し得ない。
【0007】
また、粉体の表面改質の点においては次のような問題があった。すなわち、攪拌複合化時の昇温温度には加熱と高速回転という使用条件から材質に制限があり、その温度は高々400℃程度である。これより高い温度では容器の材料が限られ、また、粉末と容器との機械的反応による容器材料のコンタミ等が問題となってくる。従って、混合するどちらか一方の材料粉末が低融点物質であれば、メカノケミカル手法は有効であるが、全物質がSOFCの燃料電極材料Ni/YSZのように高融点物質である場合には、加熱の効果は小さく、最終的には焼成という手法によって粉体間の結合を強固にする必要があるが、この時には粒成長が起こることが一般的であり、希望粒度の粒体特に微粉体を得たい場合には再度粉砕処理を行わなければならず、メカノケミカル混合の意味が薄れてくる。
【0008】
さらに、粉体の複合化の点においても次のような問題があった。すなわち、一般的に粉体は微粒となるほど凝集を起こす。従って、この凝集を解いて粗粉体上に微粉体を均一に表面吸着させることは困難であり、粉体レベルみれば結果的には組成むらが生じて製品に不均一が生じる。
【0009】
本発明は、組成が均一であり、微粒を得ることも可能であり、使用原料粉末の粒径に特別の要求も不要なNiO/YSZ複合粉末の製造方法を提供することを目的とする。また、本発明はそのようなNiO/YSZ複合粉末を提供することにより、SOFCセルの耐久性を向上させることをも目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のNiO/YSZ複合粉末の製造方法は、酸化ニッケル粉末と硝酸ジルコニウム・イットリウム水溶液との混合物を作成する混合工程と、得られた混合物を熱処理して水分及びNOxを除去し、酸化ニッケル/イットリア安定化ジルコニア(NiO/YSZ)複合粉末を得る熱処理工程と、を含むことを特徴とする。
【0011】
【作用】
本発明のNiO/YSZ複合粉末の製造方法においては、出発原料を、粉体と液体としている。そして、液相から固相を析出させるので、均一な組成のNiO/YSZ複合粉末を製造することができる。
【0012】
本発明のNiO/YSZ複合粉末の製造方法においては、上記混合物中における酸化ニッケル重量(換算値)と、YSZ重量(換算値)との比が、30〜80対70〜20であることが好ましい。なお、ここで換算値とは、例えば、硝酸ジルコニウムZr(NO34 中に含まれるZrO2 の重量に換算して、という意味である。上述の数値範囲が好ましい理由について説明する。YSZの比が70を越えると粉末の焼成膜の導電率が低くなるので好ましくない。YSZの比が20未満では、粉末の焼成膜内におけるYSZ粒子同士の結合の頻度(個数)が減るので、液相合成のメリットが少ない。
【0013】
このような観点からは、上記混合物中における酸化ニッケル重量(換算値)と、YSZ重量(換算値)との比が、40〜70対60〜30であることがより好ましい。
【0014】
本発明の製造方法においては、さらに、得られたNiO/YSZ複合粉末を粉砕する粉砕工程を含み、この粉砕工程において、複合粉末の最終粒径を10μm 以下とすることが好ましい。
【0015】
熱分解後に得られた粉末の一次粒子は、原料としたNiO粉末、析出したYSZ粒子径に依存するが、大きくとも数μm以下であることが多い。しかしながら、最終的に製品となる粉体は二次粒子とよばれる粉体の凝集体であり、この二次粒子が粗粉である場合には、一次粒子が微粉であっても、電極として膜状に成形した場合の粉体間の結合は二次粒子径に依存して全体的な結合面積の低下を招き、これによって最終的にはSOFCセルとした場合には燃料極の導電率の低下を引き起こす原因となる。
【0016】
このような観点は、上記粉砕工程において粉末の最終粒径を5μm 以下とすることがより好ましい。
【0017】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
図1は、本発明の標準的な実施例に係るNiO/YSZ複合粉末の製造方法の工程を示すフローチャートである。まずこのフローチャートを参照しつつ説明する。
【0018】
(1) 酸化ニッケル原料:
酸化ニッケル粉末を用いることができる。
【0019】
(2) YSZ原料:
硝酸ジルコニウム・イットリウム水溶液を用いることができる。なお、両者の含有量は、酸化物となった段階で、ZrO292mol%、Y2O38mol%が代表例である。なお、本発明の場合と異なり、酸化ニッケル原料として硝酸ニッケル水溶液を用い、YSZ原料として固体粉末を用いると、NiOがYSZ粒子を取り込む形で析出し、その結果、電極として成形した際にNiO間の結合頻度が大きくなり、還元によって金属Niとなる際の体積収縮により大きなクラックが生じて、Ni間の結合が強固に形成されているにもかかわらず、結果的に導電率の低下を招くという結果が得られた。
【0020】
(3) 秤量:
得たい複合粉末のNiO/YSZの組成比に応じて、上記原料を秤量する。
【0021】
(4) 混合:
NiO 粉末を原料とする場合は、ボールミルを用いて混合・攪拌することが好ましい。その理由は、NiO粉体の凝集を解いて、NiOの一次粒子表面へのYSZ粒子析出を促進させるためである。
【0022】
(5) 蒸発乾固:
混合物の水分(主に)を蒸発させ固体物(主に化学式でNiO、Ni(NO3)2、ZrO2、Zr(NO3)4、Y23 、Y(N033 の混合物)を取り出す。このときの温度は180 〜 250℃が好ましい。また、混合物(溶液または泥しょう)をスターラー等によって攪拌しながら蒸発乾固することも好ましい。粉体の沈降とそれに伴う凝集を防ぐことにより、均一な複合粉末を作製する為である。蒸発乾固はホットスターラー上、蒸発皿を用いて行うため、スターラー自体の到達最高温度が400 ℃であっても、現実的には熱拡散によって試料温度は 200℃までしか試料温度は上がらない。この時、無理に試料温度を上げようとすると、蒸発皿自体の温度分布による熱膨張歪から容器が割れることがしばしばである。
【0023】
(6) 熱分解:
上記固体物から硝酸成分を除去する(飛ばす)ため、約400 〜600 ℃で熱処理する。熱分解が終わった段階で、固体物は NiOとZrO2、Y2O3 の混合物である。つまり、主たる反応式は次のとおりである。
Ni(NO32 →NiO+NO2 +NO3
Zr(NO34 →ZrO2 +2NO2 +2NO3
2Y(NO33 →Y23 +3NO2 +3NO3
【0024】
(7) 粗粉砕:
得られた固体物を約1mm角程度の大きさに粗粉砕する。次工程で行う微粉砕においては、微粉砕機への試料投入可能径には制限があり、その多くが試料塊の大きさを前もってある程度(例えば500μm以下)の粒径にまで落としておくことが必要である。本実施例では使用した機種(日清製粉のCJ−10)の能力上、粗粉砕粒子径を1mmとした。
【0025】
(8) 噴霧熱分解処理:
上記(5) 蒸発乾固〜(7) 粗粉砕の間の工程は、噴霧熱分解処理によって一工程で行うこともできる。この噴霧熱分解処理の処理条件例は以下のとおりである。噴霧熱分解の場合にも溶液状、スラリー状の両方の原料が使用可能である。原料溶液を攪拌しながら、溶液の一部をパイプを通して少しづつ取り出すとともに、圧縮空気によってノズルから霧状として反応容器中(主には反応容器上部)へ噴出させる。この時、反応容器の温度は800℃から1000℃とした。原料のミストは反応容器内を落下する途中で熱分解され、補集されることで微粉末を得ることができる。得られる粒子の大きさは、原料容器における金属酸化物濃度、噴霧速度および熱分解温度に依存する。
【0026】
(9) 仮焼:
次に、温度900〜1200℃で、2hr〜10hr仮焼する。この仮焼温度と時間をコントロールすることにより成分の一次粒子の粒径制御を行うことができる。900℃で10hrの仮焼をすると、NiO の一次粒子径は約1μm くらいになる。1100℃で2hrの仮焼をすると、NiO の一次粒子径は2μm くらいになる。YSZ 粒子の場合にはこの温度範囲での仮焼条件では粒径差は殆どなく、0.5μm 程度の粉末が得られた。
【0027】
(10)微粉砕:
最終的に必要な粒径となるように微粉砕する。その方法は、セラミックボールを用いたボールミル粉砕によるもの、気流粉砕(気流中で原料粒子同士を衝突させて粉砕する)方法などがある。ボールミルの場合には、要求される粒径分布の試料を得る為には、使用するボールの種類とボール径と量、処理時間等から最適条件を求める必要がある。また、気流粉砕の場合には、粉砕途中に微粉をカットできるので原料粉体の供給速度、気流速度、粗粉砕粒径等から最適条件を見いだすことが必要である。
【0028】
以下、具体的な実施例を説明する。
例では固相にNiO、液相に8モルイットリア含有硝酸ジルコニウム水溶液を使用した。この水溶液はイットリア、ジルコニア各成分の硝酸系原料から作製しても問題はない。NiO 粉末は平均粒径1.5 μm 、水溶液は8-YSZ酸化物換算で約20重量%を含有する。重量目的組成となる様に各成分を秤量し、ボールミルにて24時間混合攪拌処理を行う。このとき、NiO の粉砕が起こらないように攪拌用のボールとしてはナイロン球を使用することが好ましい。また、場合によっては泥しょう粘土が上がらない様に解膠剤を添加することもある。
【0029】
泥しょうを容器に移し、攪拌しながら蒸発ざらに取り分け蒸発乾固処理を行う。この時にも粉体の沈降を防ぐ目的からスターラーによる攪拌を行う。液体の蒸発、固化が始まりスターラーが回らなくなった時点で攪拌子を取り出す。処理の終わった蒸発皿はオーブンにて約400〜600℃で熱処理し、硝酸成分(NOx )を除去する。
【0030】
得られた固体を約1mm角程度の大きさに粗粉砕し、900〜1200℃で仮焼処理した。この仮焼温度と処理時間の設定により成分の一次粒子の粒径制御を行うことができる。次に、複合粉の最大粒径が5μm 以下となるように微粉砕処理して目的の粉末が得られる。
【0031】
以上には液相水分の蒸発乾固法により行った例を示したが、固液/液体両原料の場合にも噴霧熱分解法によって固体析出処理を行うことも可能である。この場合、蒸発乾固法と異なり得られる粉末は二次粒子径で約100μm 以下の微粉であったことから、直接仮焼処理を行い、最終粉砕処理することで目的の粉末が得られる。
【0032】
このようにして得られた粉末でスラリーを作製し、ディップコート法によりSOFCセルの燃料極として成膜した。材料特性、耐久性を調べるためにCSZ管外表面にYSZ緻密膜を形成したパイプ上に膜成形を行った。
【0033】
成形した燃料極を、H2 雰囲気、1000℃にて還元処理した。その燃料極の導電率を、四端子法にて測定した。また、1050℃/300hr の熱処理を行い、導電率の特性変化を調べた。
【0034】
さらに、比較の為に粉体原料のボールミル混合によって作製した粉末を使用しての成膜試料、プレス成形体も作製した。成分組成としてはNiO/YSZ=70/30(重量比)とした。固体/液体原料から合成された粉末1、粉体混合によって作製した粉末を粉末2とした。
【0035】
水素還元後の成膜試料では粉末2を使用したもので表面に網目状のクラックが発生しており、この結果導電率が約100S/cmと小さくなっていた。粉末1を使用したものでは、クラックは殆ど発生しておらず、導電率は450S/cmと大きい。なお、粉末1の場合でも、粒径0.5〜5μm のものの導電率と、粒径1〜10μm のものの導電率とを比較すると、前者の方が高かった。
【0036】
1050℃の処理後には粉末1のもので導電率700〜750S/cmと、初期値よりも大きくなった一方、粉末2では約30%の特性劣化が見られた。
【0037】
電子顕微鏡による観察では、粉末1のものではNiの回りを囲むようなYSZの結合頻度が大きく、これがNiの高温処理による焼結収縮を防止する働きをしているものと考えられる。一方、粉末2のものでは部分的な成分の凝集に加えて、このようなYSZの結合が粉末1のものより小さく、Niの焼結防止力が小さいことが推測され、その結果、高温処理による特性低下が現れたものと考えられる。
【0038】
本発明の場合と異なり、固体/液合成においても原料種を交換すると異なる結果が得られる。平均粒径0.7 μm のYSZ粉末と硝酸ニッケル水溶液から合成した粉末から作製した成膜試料では水素還元後のクラックが大きく、導電率は約200S/cmと小さくなり、高温処理によって約15%の特性劣化が見られた。このような結果は液体からの固体の析出形態や固体原料粒度による複合化の違いによるものと考えられる。
【0039】
このことはNiO 粉末/硝酸ジルコニウム水溶液を使用した場合の粉末粒度によって特性の異なる複合粉末が得られることを示唆している。実際NiO 粉末として粒径0.6 μm 程度の微粉から合成した粉末は、成膜に当たっては、成膜体の下層(電解質膜直上)用、粒径2μm のNiO 粉末から合成した粉末は先の下部成形後の上層用として用いることで総合的な電気伝導特性、発電特性を向上させることができた。下層においては、YSZ−Ni−燃料ガスの三相界面を増加させるために、Niの微粒が好ましく、上層においては、通気性を増すために、NiOの粗粒が好ましい。先に述べた750S/cmという値は、この組み合わせのものであり、全成分固体から合成した粉末で同様の構成を作製しても効果は殆ど現れず、クラックの発生を抑止することはできなかった。
【0040】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明は、以下の効果を発揮する。
▲1▼ 組成が均一で、微粒を得ることも可能であり、使用原料粉末の粒径に特別の要求も不要なNiO/YSZ複合粉末を提供できる。
▲2▼ 本発明のNiO/YSZ複合粉末を用いてSOFCの燃料電極を作成した場合、SOFCセルの耐久性を向上させることをも目的とする。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の標準的な実施例に係るNiO/YSZ複合粉末の製造方法の工程を示すフローチャートである。
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a method for producing a NiO / YSZ composite powder used for a fuel electrode material of a solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as SOFC). In particular, the present invention relates to a method for producing a NiO / YSZ composite powder capable of forming a SOFC fuel electrode having a uniform composition and excellent durability.
[0002]
[Prior art]
The prior art will be described taking SOFC fuel electrode material as an example. The fuel electrode material of the SOFC, sintered film of NiO and Y2O3 stabilized ZrO2 (YSZ) and the mixture complexed composite powder that has been mainly used. Note that NiO in the sintered membrane is reduced to Ni during the operation of the SOFC.
[0003]
In general, such a NiO / YSZ composite powder is produced by mixing NiO powder and YSZ powder in a solid state, then raising the temperature and sintering slightly to form a composite. ing. As a mixing method, a method using a ball mill, a mechanochemical mechanical mixing method, or the like is generally known.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional manufacturing method described above has the following problems.
(1) Ball mill mixing method:
Among the mixed powder, a component having a large specific gravity (NiO) or a component having a large particle size settles, and the composition of the powder tends to be uneven. In particular, when wet mixing is performed using a liquid as a medium, the above-described sedimentation phenomenon tends to occur in the drying step after the mixing process.
[0005]
(2) Mechanochemical mechanical mixing:
This method is one of mechanical mixing methods. For example, a rotary blade is installed in a container that rotates at a high speed (or the blade itself may rotate), and the surface of the rotary blade. Has a curved surface such that the powder rolls on the blade, and promotes mixing of the powder by centrifugal force and stirring by the rotation of the container or the rotary blade itself. A major feature of the mechanochemical method is that the powders are mixed with each other in a state where the heat is naturally generated or the temperature is forcibly increased, that is, the bonding between the powders is promoted by heat (conventional mechanical mixing). The main method was to remove the generated heat by cooling as seen in attritors). And this method is widely used today as a surface modification method to create a composite powder composed of shells and nuclei by adsorbing fine powder on the surface of coarse powder mainly in mixing powder body and fine powder. It is getting to be.
[0006]
As described above, in this mechanochemical mechanical mixing, the surface modification method is based on a mechanism using a powder particle size difference in which fine particles are adsorbed on the surface of coarse powder particles. For this reason, the mechanochemical mechanical mixing cannot exert a great effect when the raw materials that can be used are limited to a combination of a coarse powder and a fine powder, and it is desired to mix and combine fine powders.
[0007]
Moreover, there existed the following problems in terms of surface modification of the powder. That is, the temperature rise temperature at the time of mixing with stirring is limited in the material due to the use conditions of heating and high speed rotation, and the temperature is about 400 ° C. at most. At higher temperatures, the material of the container is limited, and contamination of the container material due to mechanical reaction between the powder and the container becomes a problem. Therefore, if etc. you mix one material powder Chiraka is a low melting point substance, but mechanochemical approach is effective, if the total material is a high melting point material as the fuel electrode material Ni O / YSZ of SOFC However, the effect of heating is small, and finally it is necessary to strengthen the bonding between the powders by a method of firing, but at this time, grain growth generally occurs, When it is desired to obtain a fine powder, the pulverization process must be performed again, and the meaning of mechanochemical mixing is reduced.
[0008]
In addition, there are the following problems in terms of composite powder. That is, in general, the powder is more agglomerated as it becomes finer. Therefore, it is difficult to dissolve the agglomeration and to uniformly adsorb the fine powder onto the coarse powder. When viewed at the powder level , as a result, uneven composition occurs and the product becomes non-uniform.
[0009]
An object of the present invention is to provide a method for producing a NiO / YSZ composite powder that has a uniform composition, is capable of obtaining fine particles, and does not require any special requirements for the particle size of the raw material powder used. Further, the present invention are shorted with to provide such a NiO / YSZ composite powder, and also aims to improve the durability of the SOFC cell.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, a method for producing a NiO / YSZ composite powder according to the present invention comprises a mixing step of preparing a mixture of nickel oxide powder and zirconium nitrate / yttrium aqueous solution, and heat-treating the resulting mixture to treat moisture and NOx. And a heat treatment step of obtaining a nickel oxide / yttria stabilized zirconia (NiO / YSZ) composite powder.
[0011]
[Action]
In the method for producing the NiO / YSZ composite powder of the present invention, the starting materials are powder and liquid. And since a solid phase is deposited from a liquid phase, a NiO / YSZ composite powder having a uniform composition can be produced.
[0012]
In the method for producing the NiO / YSZ composite powder of the present invention, the ratio of the nickel oxide weight (converted value) to the YSZ weight (converted value) in the mixture is preferably 30 to 80 to 70 to 20. . Here, the converted value means, for example, converted to the weight of ZrO 2 contained in zirconium nitrate Zr (NO 3 ) 4 . The reason why the above numerical range is preferable will be described. When the ratio of YSZ exceeds 70, the conductivity of the powder fired film is lowered, which is not preferable. When the ratio of YSZ is less than 20, the frequency (number) of bonds between YSZ particles in the fired film of the powder is reduced, so that the merit of liquid phase synthesis is small.
[0013]
From such a viewpoint, the ratio of the nickel oxide weight (converted value) and the YSZ weight (converted value) in the mixture is more preferably 40 to 70 to 60 to 30.
[0014]
The production method of the present invention further includes a pulverization step of pulverizing the obtained NiO / YSZ composite powder, and in this pulverization step, the final particle size of the composite powder is preferably 10 μm or less.
[0015]
The primary particles of the powder obtained after pyrolysis depend on the NiO powder used as a raw material and the deposited YSZ particle diameter, but are often several μm or less at most. However, the final product powder is an aggregate of powder called secondary particles. When the secondary particles are coarse powder, even if the primary particles are fine powder, a film as an electrode is used. The bonding between the powders when formed into a shape causes a decrease in the overall bonding area depending on the secondary particle size, and this ultimately reduces the conductivity of the fuel electrode in the case of an SOFC cell. Cause.
[0016]
From such a viewpoint, it is more preferable that the final particle size of the powder is 5 μm or less in the pulverization step.
[0017]
【Example】
Examples of the present invention will be described below.
FIG. 1 is a flowchart showing steps of a method for producing a NiO / YSZ composite powder according to a standard embodiment of the present invention. First, description will be given with reference to this flowchart.
[0018]
(1) Nickel oxide raw material:
It can be used powder of nickel oxide powder.
[0019]
(2) YSZ raw material:
A zirconium nitrate / yttrium aqueous solution can be used. The contents of both are representative examples of ZrO 2 92 mol% and Y 2 O 3 8 mol% at the stage of becoming an oxide. Unlike the case of the present invention, have use of nickel nitrate aqueous solution as nickel oxide raw material, the use of solid powder as a YSZ material, deposited in the form of NiO takes in YSZ particles, resulting, NiO when molded as an electrode The frequency of bonding between them increases, and large cracks occur due to volume shrinkage when it becomes metallic Ni by reduction, resulting in a decrease in conductivity even though the bonding between Ni is firmly formed. The result was obtained.
[0020]
(3) Weighing:
The raw materials are weighed according to the NiO / YSZ composition ratio of the composite powder to be obtained.
[0021]
(4) Mixing:
When Ni 2 O powder is used as a raw material, it is preferable to mix and stir using a ball mill. The reason for this is to solve the aggregation of the NiO powder and promote the precipitation of YSZ particles on the primary particle surface of NiO.
[0022]
(5) Evaporation to dryness:
Moisture (mainly) of the mixture is evaporated to form a solid (mainly a mixture of NiO, Ni (NO 3 ) 2 , ZrO 2 , Zr (NO 3 ) 4 , Y 2 O 3 , Y (N 0 3 ) 3 in the chemical formula) Take out. The temperature at this time is preferably 180 to 250 ° C. It is also preferable to evaporate and dry the mixture (solution or slurry) while stirring with a stirrer or the like. This is because a uniform composite powder is produced by preventing the sedimentation of the powder and the accompanying aggregation. Evaporation to dryness is carried out on a hot stirrer and using an evaporating dish. Therefore, even if the maximum temperature reached by the stirrer itself is 400 ° C, the sample temperature actually rises only up to 200 ° C due to thermal diffusion. At this time, if the sample temperature is forcibly increased, the container often breaks due to thermal expansion strain due to the temperature distribution of the evaporating dish itself.
[0023]
(6) Thermal decomposition:
In order to remove (fly away) the nitric acid component from the solid material, heat treatment is performed at about 400 to 600 ° C. At the stage of thermal decomposition, the solid material is a mixture of NiO, ZrO 2 and Y 2 O 3 . In other words, the main reaction formula is as follows.
Ni (NO 3 ) 2 → NiO + NO 2 + NO 3
Zr (NO 3 ) 4 → ZrO 2 + 2NO 2 + 2NO 3
2Y (NO 3 ) 3 → Y 2 O 3 + 3NO 2 + 3NO 3
[0024]
(7) Coarse grinding:
The obtained solid is roughly pulverized to a size of about 1 mm square. In the fine pulverization performed in the next step, there is a limit to the diameter of the sample that can be charged into the fine pulverizer, and many of them can reduce the size of the sample mass to a certain size (for example, 500 μm or less) in advance. is necessary. In this example, the coarsely pulverized particle diameter was set to 1 mm because of the ability of the model used (CJ-10 of Nisshin Flour Milling).
[0025]
(8) Spray pyrolysis treatment:
The steps between the above (5) evaporation to dryness to (7) coarse pulverization can also be performed in one step by spray pyrolysis treatment. Examples of processing conditions for this spray pyrolysis treatment are as follows. In the case of spray pyrolysis, both solution and slurry materials can be used. While stirring the raw material solution, a part of the solution is taken out little by little through the pipe, and is sprayed from the nozzle into the reaction vessel (mainly the upper portion of the reaction vessel) with compressed air. At this time, the temperature of the reaction vessel was set to 800 ° C. to 1000 ° C. The raw material mist is pyrolyzed and collected in the middle of dropping in the reaction vessel, whereby fine powder can be obtained. The size of the particles obtained depends on the metal oxide concentration in the raw material container, the spray rate and the pyrolysis temperature.
[0026]
(9) Calcination:
Next, calcination is performed at a temperature of 900 to 1200 ° C. for 2 hours to 10 hours. By controlling the calcining temperature and time, the particle size of the primary particles of the component can be controlled. When calcined at 900 ° C. for 10 hours, the primary particle diameter of NiO becomes about 1 μm. When calcined at 1100 ° C. for 2 hours, the primary particle diameter of NiO becomes about 2 μm. In the case of YSZ particles, there was almost no difference in particle size under the calcining conditions in this temperature range, and a powder of about 0.5 μm was obtained.
[0027]
(10) Fine grinding:
Finely pulverize to the final required particle size. As the method, there are a method by ball milling using ceramic balls, a method of airflow crushing (crushing by colliding raw material particles in an airflow), and the like. In the case of a ball mill, in order to obtain a sample having a required particle size distribution, it is necessary to obtain optimum conditions from the type of ball used, the ball diameter and amount, the processing time, and the like. In the case of airflow pulverization, fine powder can be cut during the pulverization, so it is necessary to find the optimum conditions from the feed rate of the raw material powder, the airflow speed, the coarsely pulverized particle size, and the like.
[0028]
Hereinafter, specific examples will be described.
In this example, NiO was used for the solid phase and an aqueous 8 mol yttria-containing zirconium nitrate solution was used for the liquid phase. There is no problem even if this aqueous solution is prepared from nitric acid-based raw materials of yttria and zirconia components. The NiO powder has an average particle size of 1.5 μm and the aqueous solution contains about 20% by weight in terms of 8-YSZ oxide. Each component is weighed so as to achieve a weight-target composition, and mixed and stirred in a ball mill for 24 hours. At this time, it is preferable to use nylon spheres as the stirring balls so as not to pulverize NiO. In some cases, a peptizer may be added to prevent the clay clay from rising.
[0029]
The mud is transferred to a container, and it is divided into evaporating scrapes with stirring, and then evaporated to dryness. At this time, stirring with a stirrer is performed for the purpose of preventing sedimentation of the powder. Remove the stir bar when the liquid starts to evaporate and solidify and the stirrer stops rotating. The treated evaporating dish is heat-treated in an oven at about 400 to 600 ° C. to remove the nitric acid component (NOx).
[0030]
The obtained solid was roughly pulverized to a size of about 1 mm square and calcined at 900 to 1200 ° C. The particle size of the primary particles of the component can be controlled by setting the calcining temperature and the processing time. Next, the target powder is obtained by pulverizing so that the maximum particle size of the composite powder is 5 μm or less.
[0031]
In the above, an example is shown in which liquid phase moisture is evaporated and dried, but solid precipitation can also be performed by spray pyrolysis even in the case of both solid-liquid and liquid raw materials. In this case, unlike the evaporation to dryness method, the obtained powder was a fine powder having a secondary particle size of about 100 μm or less, and thus the target powder can be obtained by performing direct calcination and final pulverization.
[0032]
A slurry was prepared from the powder thus obtained, and a film was formed as a fuel electrode of a SOFC cell by a dip coating method. In order to examine the material properties and durability, film forming was performed on a pipe having a YSZ dense film formed on the outer surface of the CSZ tube.
[0033]
The formed fuel electrode was subjected to reduction treatment at 1000 ° C. in an H 2 atmosphere. The conductivity of the fuel electrode was measured by the four probe method. Further, a heat treatment at 1050 ° C./300 hr was performed, and the change in conductivity characteristics was examined.
[0034]
For comparison, a film-forming sample and a press-molded body using a powder prepared by ball mill mixing of powder raw materials were also prepared. The component composition was NiO / YSZ = 70/30 (weight ratio). Powder 1 synthesized from a solid / liquid raw material and powder prepared by powder mixing were designated as Powder 2.
[0035]
In the film-forming sample after hydrogen reduction, powder 2 was used, and a network-like crack was generated on the surface. As a result, the conductivity was reduced to about 100 S / cm. In the case of using the powder 1, almost no cracks are generated, and the electrical conductivity is as large as 450 S / cm. Even in the case of powder 1, when comparing the conductivity of particles having a particle size of 0.5 to 5 μm with the conductivity of particles having a particle size of 1 to 10 μm, the former was higher.
[0036]
After the treatment at 1050 ° C., the powder 1 had a conductivity of 700 to 750 S / cm, which was larger than the initial value, while the powder 2 had a characteristic deterioration of about 30%.
[0037]
When observed with an electron microscope, the powder 1 has a high YSZ bonding frequency surrounding Ni, and this is considered to function to prevent sintering shrinkage due to high temperature treatment of Ni. On the other hand, in the case of the powder 2, in addition to the partial aggregation of the components, it is presumed that such a bond of YSZ is smaller than that of the powder 1 and that the sintering preventing power of Ni is small. It is thought that characteristic deterioration appeared.
[0038]
Unlike the case of the present invention, different results can be obtained by exchanging the raw material species in the solid / liquid synthesis. A film sample prepared from a YSZ powder with an average particle size of 0.7 μm and a powder synthesized from nickel nitrate aqueous solution has large cracks after hydrogen reduction, and the conductivity is reduced to about 200 S / cm. Deterioration was seen. Such a result is considered to be due to the difference in compositing depending on the solid precipitation form from the liquid and the solid raw material particle size.
[0039]
This suggests that composite powders with different characteristics can be obtained depending on the powder particle size when NiO powder / zirconium nitrate aqueous solution is used. Actually, the powder synthesized from fine powder with a particle size of about 0.6 μm as NiO powder is used for the lower layer (immediately above the electrolyte membrane) of the film-forming body. The powder synthesized from NiO powder with a particle size of 2 μm is By using it for the upper layer, it was possible to improve the overall electric conduction characteristics and power generation characteristics. In the lower layer, Ni fine particles are preferable in order to increase the three-phase interface of YSZ-Ni-fuel gas, and in the upper layer, NiO coarse particles are preferable in order to increase air permeability. The above-mentioned value of 750 S / cm is a combination of these, and even if a similar structure is made from powders synthesized from all component solids, there is almost no effect, and the occurrence of cracks cannot be suppressed. It was.
[0040]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, the present invention exhibits the following effects.
(1) A NiO / YSZ composite powder having a uniform composition and capable of obtaining fine particles and requiring no special requirement for the particle size of the raw material powder to be used can be provided.
(2) Another object of the present invention is to improve the durability of the SOFC cell when an SOFC fuel electrode is prepared using the NiO / YSZ composite powder of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart showing steps of a method for producing a NiO / YSZ composite powder according to a standard embodiment of the present invention.

Claims (5)

酸化ニッケル粉末と硝酸ジルコニウム・イットリウム水溶液との混合物を作成する混合工程と、
得られた混合物を熱処理して水分及びNOxを除去し、酸化ニッケル/イットリア安定化ジルコニア(NiO/YSZ)複合粉末を得る熱処理工程と、
を含むNiO/YSZ複合粉末の製造方法。
A mixing step of creating a mixture of nickel oxide powder and zirconium nitrate / yttrium aqueous solution;
A heat treatment step of removing the moisture and NOx by heat-treating the obtained mixture to obtain a nickel oxide / yttria stabilized zirconia (NiO / YSZ) composite powder;
Of NiO / YSZ composite powder containing
上記混合物中における酸化ニッケル重量(換算値)と、YSZ重量(換算値)との比が、30〜80対70〜20である請求項1記載のNiO/YSZ複合粉末の製造方法。  The method for producing a NiO / YSZ composite powder according to claim 1, wherein the ratio of nickel oxide weight (converted value) to YSZ weight (converted value) in the mixture is 30 to 80 to 70 to 20. 上記混合物中における酸化ニッケル重量(換算値)と、YSZ重量(換算値)との比が、40〜70対60〜30である請求項1記載のNiO/YSZ複合粉末の製造方法。The method for producing a NiO / YSZ composite powder according to claim 1, wherein the ratio of nickel oxide weight ( converted value ) to YSZ weight (converted value) in the mixture is 40 to 70 to 60 to 30. さらに、得られたNiO/YSZ複合粉末を粉砕する粉砕工程を含み、
この粉砕工程において、複合粉末の最終粒径を10μm 以下とする請求項1〜3いずれか1項記載のNiO/YSZ複合粉末の製造方法。
Furthermore, a pulverization step of pulverizing the obtained NiO / YSZ composite powder is included,
The method for producing a NiO / YSZ composite powder according to any one of claims 1 to 3, wherein in the pulverization step, the final particle size of the composite powder is 10 µm or less.
さらに、得られたNiO/YSZ複合粉末を粉砕する粉砕工程を含み、
この粉砕工程において、複合粉末の最終粒径を5μm 以下とする請求項1〜3いずれか1項記載のNiO/YSZ複合粉末の製造方法。
Furthermore, a pulverization step of pulverizing the obtained NiO / YSZ composite powder is included,
The method for producing a NiO / YSZ composite powder according to any one of claims 1 to 3, wherein the final particle size of the composite powder is 5 µm or less in the pulverization step.
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