JP5626837B2 - ニッケル系合金粉末の製造方法 - Google Patents
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Description
固体酸化物形燃料電池は、一般に、酸化物からなる固体電解質の片面に空気極を積層し、固体電解質のもう一方の片面に燃料極を積層してなる構造を有している発電セルと、この発電セルの空気極の外側に空気極集電体を積層させ、一方、発電セルの燃料極の外側に燃料極集電体を積層させ、前記空気極集電体および燃料極集電体の外側にそれぞれセパレータを積層させた積層構造体を複数積層させた構造を有している。
そして、この燃料極となるサーメットは、発電時に酸化ニッケルは還元されてニッケルとなり、ニッケルからなる多孔質な骨格構造の表面に大粒径のBドープセリア粒が前記多孔質な骨格構造のニッケル表面を取り囲むようにネットワーク構造を形成してニッケル表面に固着しているとされている(特許文献2参照)。
そして、この製造方法で得た複合酸化ニッケル粉末は、積層セラミックコンデンサの内部電極材料用として好適な熱収縮特性を備えることも知られている。
そこで、上記特許文献1〜4にも示すように、燃料極の作製にあたり、一般的には、酸化ニッケルを上記Bドープセリア,Yドープジルコニア(以下、「YSZ」で示す),Scドープジルコニア(以下、「ScSZ」で示す)等の耐熱性があり、かつ、酸素イオン伝導性を有する材料と混合して大気中1100〜1300℃で焼付けることによりサーメットとして使用している。
しかし、酸化ニッケルを上記Bドープセリア,YSZ,ScSZ等とのサーメットとしても、固体酸化物形燃料電池の起動停止の繰り返し、長時間運転によって、酸化ニッケルの還元反応が進行し、その結果として、ニッケルの凝集が起こり、燃料極の気孔率が低下し、発電効率が低下するというのが現状である。
しかし、本発明者は、上記先の出願の固体酸化物形燃料電池の燃料極材料を構成するNi−Mn合金のサーメットについてさらに検討を進めたところ、酸化ニッケルの耐還元性を高め、固体酸化物形燃料電池の起動停止の繰り返し、長時間運転によっても、ニッケルの凝集、燃料極の気孔率の低下、発電効率の低下を一段と低減することができるNi系合金粉末及びその製造方法を見出したのである。
つまり、従来使用されていた酸化ニッケルに変えて、本発明の製造方法により製造したニッケル系合金粉末、即ち、酸化ニッケル粉末表面の少なくとも一部にニッケルとマンガンの複合酸化物を形成したニッケル系合金粉末、を用いて固体酸化物形燃料電池用燃料極を構成した場合には、上記のニッケル系合金粉末は耐還元性に優れるため、燃料極のニッケルの凝集、気孔率の低下、発電効率の低下を一段と抑制することができることを見出したのである。
「平均粒子径d50が0.2μm以上2μm以下の酸化ニッケル粉末を含有する液温30〜80℃の懸濁水溶液中に、上記酸化ニッケルに対するモル比で0.01〜0.2の硝酸マンガン(II)水和物(Mn(NO3)・zH2O)を含有溶解した溶液を撹拌しながら添加して混合溶液を作製し、ついで、該混合溶液中の水分を蒸発・乾燥させて、生成した酸化ニッケルと硝酸マンガン(II)水和物(Mn(NO3)2・zH2O)との反応生成物をとりだし、この反応生成物を、大気中、300〜1000℃で加熱し、その後これを粉砕することを特徴とする酸化ニッケル粉末の表面の少なくとも一部に、組成式:Ni X MnO Y で表した場合、X=5.5〜6.5,Y=7.5〜8.5(但し、X、Yはいずれも原子比)を満足するニッケルとマンガンの複合酸化物が形成されているニッケル系合金粉末の製造方法。」
に特徴を有するものである。
本発明により製造したニッケル(Ni)系合金粉末は、耐還元性に優れるという特性を有しており、その用途は特に限定されるものではないが、例えば、固体酸化物形燃料電池用の燃料極材料として用いた場合には、燃料極のニッケルの凝集、気孔率の低下を抑え、その結果として、発電効率の低下を一段と抑制することができる。
固体酸化物形燃料電池用の燃料極材料として通常の酸化ニッケル(NiO)を用いた場合には、還元されてニッケル(Ni)となった後、ニッケル(Ni)が凝集塊状化し、さらにこれが成長することにより、ニッケル(Ni)の凝集発生、気孔率低下の原因となり、ひいては、これが発電効率の低下を招くことになる。
これに対して、酸化ニッケル(NiO)表面の少なくとも一部に、NiXMnOY(X=5.5〜6.5,Y=7.5〜8.5。但し、X、Yは原子比)からなるニッケル(Ni)とマンガン(Mn)の複合酸化物(以下、簡単のために、この複合酸化物をNi6MnO8と示す場合もある)が形成されている本発明のニッケル(Ni)系合金粉末が、耐還元性、耐凝集性にすぐれる詳細なメカニズムを解明しているわけではないが、複合酸化物Ni6MnO8が表面(の一部)に形成されている本発明のニッケル(Ni)系合金粉末が還元された場合、酸化ニッケル(NiO)は還元されてニッケル(Ni)となるが、酸化ニッケル(NiO)表面(の一部)の複合酸化物Ni6MnO8は、マンガン(Mn)にまでは還元されずに、表面に酸化マンガン(MnO)として残留し、この酸化マンガン(MnO)がニッケル(Ni)の凝集を妨げることにより、ニッケル(Ni)の凝集を抑制し、また、このことが耐還元性にすぐれるという特性を備える理由であると推測される。
(イ)本発明の製造方法では、まず、酸化ニッケル(NiO)粉末を含有する懸濁水溶液を次のように調製する。
平均粒子径d50が、0.2μm以上2μm以下、好ましくは、0.3μm以上1μm以下、で、かつ、純度が99.5%以上の酸化ニッケル(NiO)粉末100gを、純水250mlに入れて、これを5分間以上煮沸する。
ここで、酸化ニッケル(NiO)粉末の平均粒子径d50が、0.2μm未満では、粉末表面積が大きくなって表面自由エネルギーが増大するために、複合酸化物Ni6MnO8が表面(の一部)に形成されている本発明のニッケル(Ni)系合金であっても、燃料極の作製(焼成)時に、ニッケル(Ni)系合金の凝集は防止できない。一方、平均粒子径d50が、2μmを超えると、作製した燃料極の反応場である3相界面が減少するから、酸化ニッケル(NiO)粉末の平均粒子径d50は、0.2μm以上2μm以下とする。好ましくは、0.3μm以上1μm以下である。
懸濁液を5分間以上煮沸するのは、ナノスケールの微細な凹凸を有する酸化ニッケル表面全体をムラなく水和させるという理由による。
(ロ)次に、上記懸濁液中の酸化ニッケル(NiO)の含有量に対するモル比で、0.01〜0.2、好ましくは、0.03〜0.1、の含有量となるように、3.842〜76.84gの硝酸マンガン(II)水和物(Mn(NO3)2・zH2O)を含有するとともに、これを純水10〜200mlに溶解した溶液を調製する。
ここで、硝酸マンガン(II)水和物(Mn(NO3)2・zH2O)の含有割合を、酸化ニッケル(NiO)の含有量に対するモル比で、0.01〜0.2と定めたのは、次の理由による。
上記モル比が0.01未満の場合には、製造される本発明のNi系合金粉末全体としてのMn/(Ni+Mn)が小さな値(約0.01未満)となり、酸化ニッケル(NiO)表面に形成されるNiとMnの複合酸化物の比表面積が0.05未満となるため、耐還元性の向上効果は少なく、一方、上記モル比が0.2を超えると、酸化ニッケル(NiO)表面の相当部分がNiとMnの複合酸化物で覆われるために、耐還元性は大きく向上するが、作製した燃料極の反応場である3相界面が減少してしまうからである。
なお、酸化ニッケル(NiO)含有量に対する、硝酸マンガン(II)水和物(Mn(NO3)2・zH2O)の好ましい含有割合は、モル比で、0.03〜0.1である。
(ハ)上記(イ)で調製した懸濁水溶液を5分間以上煮沸した後、その温度が30〜80℃にまで低下した段階で、上記(ロ)で調製した所定割合の硝酸マンガン(II)水和物(Mn(NO3)2・zH2O)を含有する溶液を、撹拌しながら上記懸濁液中に入れ、反応を均一に生じさせる。
(ニ)その後、エバポレータで液中の水分を蒸発させ、乾燥させ、反応生成物を得る。
(ホ)上記乾燥後の反応生成物を、大気中、300〜1000℃で加熱し、その後、これを乳鉢等で粉砕して篩を通し、粒子径が150μm以下の粉末を回収することにより、酸化ニッケル(NiO)表面の少なくとも一部に、NiXMnOY(X=5.5〜6.5,Y=7.5〜8.5。但し、X、Yは原子比)からなるNiとMnの複合酸化物が形成されている本発明のNi系合金粉末を製造することができる。
なお、Ni系合金粉末全体に占めるMn含有量、Ni含有量は、湿式法による化学分析等によって測定することができる。
また、上記(ホ)において、加熱温度が300℃未満の場合は硝酸マンガン(II)水和物(Mn(NO3)2・zH2O)が完全に分解して酸化マンガン(MnO)とならず、加熱温度が1000℃を超える場合は本発明のニッケル(Ni)系合金粉末の平均粒子径d50が2μmを超えるため、作製した燃料極の反応場である3相界面が減少するため、加熱温度は300℃以上1000℃以下とする。
上記(ホ)で製造された本発明のNi系合金粉末における、酸化ニッケル(NiO)表面の少なくとも一部に形成されたNiとMnの複合酸化物(NiXMnOY)の存在およびX値、Y値は、それぞれ、XRDによる回折ピーク強度位置によって存在を確認することができ、また、微小オージェ電子分光分析(AES)によってX値、Y値を測定することができる。
ついで、表2に示す条件で、所定重量、所定モル比(酸化ニッケル(NiO)粉末に対する)の硝酸マンガン(II)六水和物(Mn(NO3)2・6H2O)を所定量の純水中に含有・溶解した溶液を調製した。
上記硝酸マンガン(II)六水和物(Mn(NO3)2・6H2O)を含有・溶解した溶液を撹拌しながら、上記懸濁水溶液中に添加し、混合溶液を調製した。
ついで、この混合溶液中の水分を、エバポレータで蒸発させ、混合液中の反応生成物を乾燥・固化した。
ついで、上記乾燥・固化した反応生成物を、大気中、表3に示す温度、時間加熱後、乳鉢で粉砕し、篩を通し、粒子径150μm以下の本発明Ni系合金粉末1〜5を製造した。
また、酸化ニッケル(NiO)表面の少なくとも一部にNiとMnの複合酸化物(NiXMnOY)が形成されていることの確認、その比表面積、X値およびY値を、それぞれ、XRDによる回折ピーク、BET法、微小オージェ電子分光分析(AES)によって確認し、測定した。
表4に、上記平均Mn量および上記比表面積、X値、Y値を、それぞれ示す。
比較例Ni系合金粉末1〜5のそれぞれについて、酸化ニッケル(NiO)表面の少なくとも一部にNiとMnの複合酸化物(NiXMnOY)が形成されているか否かを確認するとともに、平均Mn量、比表面積、X値、Y値を測定した。
表5にこれらの結果を示す。
なお、表5の備考欄には、本発明外の製造条件を記入した。
表5にその結果を示す。
次いで、SSC(サマリウムストロンチウムコバルタイト)からなる空気極を形成することにより、固体電解質、燃料極および空気極からなる本発明固体酸化物形燃料電池用発電セル1〜5(本発明発電セル1〜5という)、比較例固体酸化物形燃料電池用発電セル1〜5(比較例発電セル1〜5という)および参考例固体酸化物形燃料電池用発電セル1(参考例発電セル1という)を作製した。
温度:750℃、
燃料ガス:水素 5ml/min・cm2、
燃料利用率(Uf):75%
酸化剤ガス:空気 25ml/min・cm2、
の条件で、レドックス試験前,途中,試験後のセル電圧を測定した。OCVの状態のまま、燃料遮断、供給を1分周期で繰り返し行う(即ち、燃料ガス(水素)の流量5ml/min・cm2を30秒間継続し、その後、燃料ガス(水素)の供給を30秒間停止する条件を1サイクルとして繰り返す)レドックス試験を行い、レドックス試験前(0サイクル終了時点),レドックス試験途中(40サイクル終了時点)レドックス試験後(80サイクル終了時点)でのセル電圧変化を測定した。
表6、表7に、測定結果を示した。
これに対して、表7に示されるレドックス試験の結果から、比較例Ni系合金粉末1〜5および参考例Ni系合金粉末1を用いて燃料極を作製した比較例発電セル1〜5および参考例発電セル1は、Ni系合金粉末の耐還元性が劣るため、セル電圧の低下が大きく、発電性能の低下も大きいことがわかる。
Claims (1)
- 平均粒子径d50が0.2μm以上2μm以下の酸化ニッケル粉末を含有する液温30〜80℃の懸濁水溶液中に、上記酸化ニッケルに対するモル比で0.01〜0.2の硝酸マンガン(II)水和物(Mn(NO3)・zH2O)を含有溶解した溶液を撹拌しながら添加して混合溶液を作製し、ついで、該混合溶液中の水分を蒸発・乾燥させて、生成した酸化ニッケルと硝酸マンガン(II)水和物(Mn(NO3)2・zH2O)との反応生成物をとりだし、この反応生成物を、大気中、300〜1000℃で加熱し、その後これを粉砕することを特徴とする酸化ニッケル粉末の表面の少なくとも一部に、組成式:Ni X MnO Y で表した場合、X=5.5〜6.5,Y=7.5〜8.5(但し、X、Yはいずれも原子比)を満足するニッケルとマンガンの複合酸化物が形成されているニッケル系合金粉末の製造方法。
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