JP5635386B2 - Composite particles for SOFC fuel electrode and method for producing the composite particles - Google Patents

Composite particles for SOFC fuel electrode and method for producing the composite particles Download PDF

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Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)の燃料極の材料として用いられる複合粒子の製造方法、該製造方法により得られる複合粒子、および、該複合粒子の利用に関する。   The present invention relates to a method for producing composite particles used as a material for a fuel electrode of a solid oxide fuel cell (SOFC), composite particles obtained by the production method, and use of the composite particles.

一般に「SOFC」と呼称される固体酸化物形燃料電池は、種々のタイプの燃料電池の中でも、発電効率が高い、環境への負荷が低い、そして、多用な燃料の使用が可能であるなどの点から、次世代の発電装置として期待されており、その開発が進められている。
SOFCの基本構造(セル)は、酸化物イオン伝導体からなる緻密な固体電解質(例えば緻密膜層)の一方の面に空気極(カソード)が形成され、他方の面に燃料極(アノード)が形成されることによって構成されている。上記空気極および燃料極は、ともにガス拡散性のよい多孔質構造で構成されている。固体電解質の燃料極側には燃料ガス(典型的にはH(水素)ガスやメタン等の燃料ガス)が供給され、空気極側にはO(酸素)含有ガス(典型的には空気)が供給される。このとき、空気極側に供給されたOは、空気極により酸化物イオン(O2−)化し、固体電解質を通って燃料極側に供給される。燃料極側では、燃料ガスと固体電解質から供給される酸化物イオンとを反応させ、当該酸化物イオンから電子を放出させることによって発電をする。この燃料極における反応は、酸化物イオンを燃料極側に供給する固体電解質の界面と、燃料ガスが供給され得る空孔の界面と、上記反応の金属触媒として機能する金属酸化物の界面とから構成される三相界面において生じる。
A solid oxide fuel cell generally called “SOFC” has a high power generation efficiency, a low environmental load, and can use various fuels among various types of fuel cells. From this point, it is expected as a next-generation power generation device, and its development is in progress.
The basic structure (cell) of SOFC is that an air electrode (cathode) is formed on one surface of a dense solid electrolyte (eg, a dense membrane layer) made of an oxide ion conductor, and a fuel electrode (anode) is formed on the other surface. It is configured by being formed. Both the air electrode and the fuel electrode have a porous structure with good gas diffusibility. Fuel gas (typically H 2 (hydrogen) gas or fuel gas such as methane) is supplied to the fuel electrode side of the solid electrolyte, and O 2 (oxygen) -containing gas (typically air) is supplied to the air electrode side. ) Is supplied. At this time, O 2 supplied to the air electrode side is converted into oxide ions (O 2− ) by the air electrode, and supplied to the fuel electrode side through the solid electrolyte. On the fuel electrode side, power is generated by reacting the fuel gas with oxide ions supplied from the solid electrolyte and releasing electrons from the oxide ions. This reaction at the fuel electrode is made up of an interface of a solid electrolyte that supplies oxide ions to the fuel electrode side, an interface of pores to which fuel gas can be supplied, and an interface of a metal oxide that functions as a metal catalyst for the above reaction. Occurs at the constructed three-phase interface.

近年では、上記燃料極における三相界面の数を増やすために、燃料極の材料として、金属酸化物と、固体電解質と同種の酸化物イオン伝導体とを複合化した複合粒子が用いられている。当該複合粒子を燃料極に用いると、固体電解質から供給された酸化物イオンが複合粒子中の酸化物イオン伝導体によって燃料極内部まで供給される。したがって、固体電解質との界面だけでなく、燃料極の内部にも上記三相界面が形成されるため、燃料極反応の場が増加することによりSOFCの出力特性が向上する。
当該複合粒子の従来例は例えば特許文献1〜2に開示されており、その他金属微粒子から作成した二次粒子の従来例は例えば特許文献3に記載されている。
In recent years, in order to increase the number of three-phase interfaces in the fuel electrode, composite particles in which a metal oxide, a solid electrolyte, and the same type of oxide ion conductor are combined are used as the material of the fuel electrode. . When the composite particles are used for the fuel electrode, the oxide ions supplied from the solid electrolyte are supplied to the inside of the fuel electrode by the oxide ion conductor in the composite particles. Therefore, since the three-phase interface is formed not only in the interface with the solid electrolyte but also in the fuel electrode, the output characteristic of the SOFC is improved by increasing the field of the fuel electrode reaction.
Conventional examples of the composite particles are disclosed in, for example, Patent Documents 1 and 2, and conventional examples of secondary particles prepared from other metal fine particles are described in, for example, Patent Document 3.

特開2010−6648号公報JP 2010-6648 A 特開2006−4874号公報JP 2006-4874 A 特開2008−195551号公報JP 2008-195551 A

ところで、特許文献1に開示の技術では、ジルコニア粒子とニッケルイオンを含有する分散液をアルカリ溶液に添加して得られた沈殿物を酸化雰囲気下で熱処理することによって、ジルコニア粒子と酸化ニッケル粒子とからなる複合粒子を作製している。当該文献に記載の複合粒子は、それを構成しているジルコニア粒子と酸化ニッケル粒子の分布性が向上しているので、ジルコニア粒子と酸化ニッケル粒子とが接している箇所(ZrO−NiO界面)が増加している。   By the way, in the technique disclosed in Patent Document 1, zirconia particles and nickel oxide particles are obtained by heat-treating a precipitate obtained by adding a dispersion containing zirconia particles and nickel ions to an alkaline solution in an oxidizing atmosphere. The composite particle which consists of is produced. Since the composite particles described in the document have improved distribution of the zirconia particles and nickel oxide particles constituting the composite particles, a portion where the zirconia particles and the nickel oxide particles are in contact (ZrO-NiO interface) is present. It has increased.

しかしながら、特許文献1に開示の複合粒子は、ZrO−NiO界面の数は確かに増加しているものの、燃料ガスが供給され得る空孔がZrO−NiO界面に接していないために三相界面が形成されないという箇所が生じる可能性が高いと考えられる。   However, although the number of ZrO—NiO interfaces is certainly increased in the composite particles disclosed in Patent Document 1, the three-phase interface is not present because the vacancies to which fuel gas can be supplied are not in contact with the ZrO—NiO interface. It is considered that there is a high possibility that a part that is not formed will occur.

本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、従来よりも三相界面の数が多い複合粒子を好適に製造できる製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、かかる製造方法によって提供される複合粒子、及び当該複合粒子を用いて作製されるSOFCを提供することを他の目的とする。   This invention is made | formed in view of the said problem, and it aims at providing the manufacturing method which can manufacture suitably the composite particle with many three-phase interfaces compared with the past. In addition, another object of the present invention is to provide composite particles provided by such a production method, and an SOFC produced using the composite particles.

本発明は、上記目的を実現するべく、固体酸化物形燃料電池の燃料極の材料として用いられる複合粒子を製造する方法を提供するものである。本発明の製造目的とする複合粒子は、触媒として機能する金属酸化物粒子と、酸化物イオン伝導体粒子とを含んでいる。
そして、本発明によって提供される製造方法は、
金属酸化物粒子及び酸化物イオン伝導体粒子を、所定の有機高分子化合物からなるポリマー粒子とともに分散媒中に分散させた分散液を用意すること;
該分散液を液滴としてチャンバー内に噴霧すること;
該噴霧された液滴をチャンバー内で加熱することにより、上記分散液から分散媒を除去して、前記金属酸化物粒子と前記酸化物イオン伝導体粒子と前記ポリマー粒子とが凝集してなる凝集体を得ること;
前記凝集体を焼成してポリマー粒子を構成する成分を除去することにより複合粒子を得ること;
を包含する。
In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing composite particles used as a material for a fuel electrode of a solid oxide fuel cell. The composite particles intended for production of the present invention include metal oxide particles that function as a catalyst and oxide ion conductor particles.
And the manufacturing method provided by this invention is:
Preparing a dispersion in which metal oxide particles and oxide ion conductor particles are dispersed in a dispersion medium together with polymer particles made of a predetermined organic polymer compound;
Spraying the dispersion into the chamber as droplets;
By heating the sprayed droplets in a chamber, the dispersion medium is removed from the dispersion, and the metal oxide particles, the oxide ion conductor particles, and the polymer particles are aggregated. Obtaining a collection;
Firing the agglomerates to remove the components constituting the polymer particles to obtain composite particles;
Is included.

上記構成の製造方法では、液滴として噴霧した霧状の分散液から複合粒子を作製する(即ち、いわゆるスプレードライ方式による造粒を行う)ため、分散液中で金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子とが凝集することを抑制できる。したがって、本発明の製造方法によれば、金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子とがほぼ均等に分布した全体に亘って均質な複合粒子を製造することができる。
また、かかる製造方法では、分散液中にポリマー粒子を分散させている。このポリマー粒子を構成する成分(以下、適宜「ポリマー成分」と称する。)は、上記凝集体を焼成する際に除去される。これにより得られた複合粒子は、ポリマー成分が除去された部位が空洞化するため、表面に複数の微細孔(若しくは、内部に中空コア部)が形成される。このため、従来の複合粒子に比べて燃料ガスが供給され得る空孔の数が増加している。
以上のように、本発明の製造方法によれば、金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子とがほぼ均等に分布しており、且つ、従来に比べて燃料ガスが供給され得る空孔の数が増加した複合粒子を容易に製造することができる。この複合粒子は、金属酸化物粒子の界面と、酸化物イオン伝導体粒子の界面と、燃料ガスが供給され得る空孔の界面とから構成される三相界面の数が従来の複合粒子に比べて増加しているので、SOFCの燃料極の材料として用いた場合にSOFCの出力特性を向上させることができる。また、この混合粒子は、該複合粒子を構成する微粒子である金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子とがほぼ均等に分布して構成された全体に亘って均質な複合粒子であるため、長期的にSOFCの稼働を安定化させることにも貢献できる。
In the manufacturing method having the above-described structure, composite particles are produced from a mist-like dispersion sprayed as droplets (that is, granulation is performed by a so-called spray drying method). Aggregation of the conductor particles can be suppressed. Therefore, according to the production method of the present invention, homogeneous composite particles can be produced over the whole in which the metal oxide particles and the oxide ion conductor particles are substantially evenly distributed.
Moreover, in this manufacturing method, polymer particles are dispersed in the dispersion. A component constituting the polymer particles (hereinafter referred to as “polymer component” as appropriate) is removed when the aggregate is fired. Since the part from which the polymer component has been removed is hollowed out in the composite particles obtained in this way, a plurality of micropores (or a hollow core part inside) are formed on the surface. For this reason, the number of vacancies to which fuel gas can be supplied is increased compared to conventional composite particles.
As described above, according to the production method of the present invention, the metal oxide particles and the oxide ion conductor particles are distributed almost evenly, and the pores to which the fuel gas can be supplied compared with the conventional method. Composite particles having an increased number can be easily produced. Compared to conventional composite particles, this composite particle has a three-phase interface composed of metal oxide particle interfaces, oxide ion conductor particle interfaces, and pore interfaces through which fuel gas can be supplied. Therefore, when it is used as a material for the fuel electrode of SOFC, the output characteristics of SOFC can be improved. In addition, since the mixed particles are homogeneous composite particles composed of metal oxide particles and oxide ion conductor particles, which are fine particles constituting the composite particles, distributed almost evenly. It can also contribute to stabilizing the operation of SOFC in the long term.

ここで開示される好ましい一態様の製造方法では、上記分散液のpHを、金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子とポリマー粒子のゼータ電位の符号が等しくなるように調整し、該pH調整された分散液をチャンバー内に噴霧する。また、このとき、分散液のpHはpH1〜pH4に調整すると好ましい。
上記分散液中で、上記三種の粒子のゼータ電位の符号が同じであると、各粒子が互いに反発しあう。これにより、各粒子の凝集を抑制することができるので、金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子とがほぼ均等に分布した複合粒子をより好適に得ることができる。
また、かかる製造方法によれば、分散媒を除去した後に形成される各粒子の凝集体においてポリマー粒子がほぼ均等に分布しているので、上記凝集体からポリマー成分を除去することにより粒子表面に複数の微細孔が形成された複合粒子を容易に製造することができる。
In the production method of a preferred embodiment disclosed herein, the pH of the dispersion is adjusted so that the signs of the zeta potentials of the metal oxide particles, the oxide ion conductor particles, and the polymer particles are equal, and the pH adjustment is performed. The dispersed liquid is sprayed into the chamber. At this time, the pH of the dispersion is preferably adjusted to pH 1 to pH 4.
If the signs of the zeta potentials of the three types of particles are the same in the dispersion, the particles repel each other. Thereby, since aggregation of each particle | grain can be suppressed, the composite particle in which the metal oxide particle and the oxide ion conductor particle were distributed substantially equally can be obtained more suitably.
In addition, according to this manufacturing method, since the polymer particles are distributed almost evenly in the aggregates of the particles formed after the dispersion medium is removed, the polymer component is removed from the aggregates to remove the polymer components. Composite particles in which a plurality of micropores are formed can be easily produced.

ここで開示される好ましい一態様の製造方法では、分散液のpHを、金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子とポリマー粒子のうちのいずれか一種の粒子のゼータ電位が他の二種の粒子のゼータ電位と異符号になるように調整し、該pH調整された分散液をチャンバー内に噴霧する。また、このとき、分散液のpHはpH7〜pH10に調整すると好ましい。
上記分散液中の上記三種の粒子のうち一種の粒子のゼータ電位を異符号にすると、当該異符号のゼータ電位を有した粒子を介して、他の二種の粒子が互いに引き寄せ合うようになる。これによって、分散媒を除去した後に形成される各粒子の凝集体の中心部分にポリマー粒子が配置される。この状態でポリマー成分を分散液から除去することにより粒子内部に中空コア部が形成された複合粒子を容易に製造することができる。
In the production method of a preferred embodiment disclosed herein, the pH of the dispersion is set such that the zeta potential of any one of the metal oxide particles, the oxide ion conductor particles, and the polymer particles is the other two types. The particle is adjusted to have a different sign from the zeta potential of the particles, and the pH adjusted dispersion is sprayed into the chamber. At this time, the pH of the dispersion is preferably adjusted to pH 7 to pH 10.
When the zeta potential of one kind of the three kinds of particles in the dispersion liquid is changed to a different sign, the other two kinds of particles are attracted to each other through the particles having the zeta potential having the different sign. . As a result, the polymer particles are arranged in the central part of the aggregate of the particles formed after the dispersion medium is removed. By removing the polymer component from the dispersion in this state, composite particles having hollow core portions formed inside the particles can be easily produced.

ここで開示される好ましい一態様の製造方法では、ポリマー粒子として、平均粒径が50nm〜500nmであるポリマー粒子を使用する。
なお、本明細書において「平均粒径」とは、測定対象の粒度分布におけるD50(メジアン径)をいう。かかるD50は、例えば従来公知のレーザー回折方式、光散乱方式等に基づく粒度分布測定装置によって容易に測定することができる。
平均粒径が50nm以上のポリマー粒子を用いることによって、適切な大きさの微細孔(若しくは中空コア部)を複合粒子に形成することができる。また、平均粒径500nm以下のポリマー粒子を用いることによって、平均粒径の小さな複合粒子を容易に製造することができる。
In the production method of a preferred embodiment disclosed herein, polymer particles having an average particle diameter of 50 nm to 500 nm are used as the polymer particles.
In the present specification, the “average particle diameter” refers to D 50 (median diameter) in the particle size distribution to be measured. Such D 50 is, for example, can be easily measured by a conventionally known laser diffraction method, the particle size distribution measurement apparatus based on light scattering method or the like.
By using polymer particles having an average particle diameter of 50 nm or more, fine pores (or hollow core portions) having an appropriate size can be formed in the composite particles. In addition, composite particles having a small average particle diameter can be easily produced by using polymer particles having an average particle diameter of 500 nm or less.

また、ここで開示される好ましい一態様の製造方法では、金属酸化物粒子として、平均粒径が1nm〜50nmである金属酸化物粒子を使用する。平均粒径が50nm以下の金属酸化物粒子を用いることによって、金属酸化物粒子の界面の数がより増加した複合粒子を作製することができる。これによって、複合粒子中で上記三相界面が形成される機会を増やすことができる。   Moreover, in the manufacturing method of the preferable one aspect disclosed here, metal oxide particles having an average particle diameter of 1 nm to 50 nm are used as the metal oxide particles. By using metal oxide particles having an average particle size of 50 nm or less, composite particles having more increased number of interfaces of metal oxide particles can be produced. As a result, the opportunity for forming the three-phase interface in the composite particles can be increased.

また、ここで開示される好ましい一態様の製造方法では、酸化物イオン伝導体粒子として、平均粒径が1nm〜50nmである酸化物イオン伝導体粒子を使用する。この場合、酸化物イオン伝導体粒子の界面の数がより増加した複合粒子を作製し、三相界面が形成される機会を増やすことができる。   Moreover, in the manufacturing method of one preferable aspect disclosed here, oxide ion conductor particles having an average particle diameter of 1 nm to 50 nm are used as the oxide ion conductor particles. In this case, it is possible to produce composite particles in which the number of interfaces of oxide ion conductor particles is further increased, and to increase the chances of forming a three-phase interface.

ここで開示される好ましい一態様の製造方法では、酸化物イオン伝導体粒子(C)に対する金属酸化物粒子(M)の質量比M/Cが0.5〜3の範囲内になるように分散液を調製する。
酸化物イオン伝導体粒子(C)に対する金属酸化物粒子(M)の質量比M/Cを上記数値範囲内に設定することにより、金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子が均等に分布されやすくなり、複合粒子中で三相界面が形成される機会を増やすことができる。
In the manufacturing method of a preferable aspect disclosed herein, the dispersion is performed so that the mass ratio M / C of the metal oxide particles (M) to the oxide ion conductor particles (C) is in the range of 0.5 to 3. Prepare the solution.
By setting the mass ratio M / C of the metal oxide particles (M) to the oxide ion conductor particles (C) within the above numerical range, the metal oxide particles and the oxide ion conductor particles are evenly distributed. It becomes easy and the opportunity that a three-phase interface is formed in a composite particle can be increased.

ここで開示される好ましい一態様の製造方法では、金属酸化物粒子として酸化ニッケル粒子を用いる。これにより、SOFCの燃料極の材料として用いた場合に良好な性能を提供できる複合粒子を低コストで製造することができる。   In the manufacturing method of one preferable mode disclosed here, nickel oxide particles are used as the metal oxide particles. As a result, composite particles that can provide good performance when used as a material for the SOFC fuel electrode can be produced at low cost.

また、ここで開示される好ましい一態様の製造方法では、酸化物イオン伝導体粒子としてジルコニア粒子を用いる。この場合も、SOFCの燃料極の材料として好適な複合粒子を低コストで製造することができる。   Moreover, in the manufacturing method of the preferable one aspect disclosed here, zirconia particles are used as the oxide ion conductor particles. Also in this case, composite particles suitable as a material for the SOFC fuel electrode can be produced at low cost.

また、本発明は、他の側面として固形酸化物形燃料電池の燃料極に用いられる複合粒子を提供する。この複合粒子は、上述の製造方法を実施することによって容易に製造することができる。
ここで上記複合粒子は、触媒として機能する金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子とを含み、金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子とがほぼ均等に分布している。また、この複合粒子は、表面に複数の微細孔が形成されている。
かかる複合粒子は、金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子とがほぼ均等に分布しているため、金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子との界面の数が従来よりも増加している。さらに、この複合粒子には、粒子表面に複数の微細孔が形成されているため、燃料ガスが供給され得る空洞の界面の数が従来よりも増加している。したがって、この複合粒子は、従来よりも多くの三相界面が形成され易くなっており、SOFCの燃料極の材料として好適に用いることができる。
Moreover, this invention provides the composite particle used for the fuel electrode of a solid oxide fuel cell as another aspect. The composite particles can be easily manufactured by performing the above-described manufacturing method.
Here, the composite particles include metal oxide particles and oxide ion conductor particles that function as a catalyst, and the metal oxide particles and the oxide ion conductor particles are distributed almost evenly. In addition, the composite particles have a plurality of micropores formed on the surface.
In such composite particles, the metal oxide particles and the oxide ion conductor particles are almost evenly distributed, so that the number of interfaces between the metal oxide particles and the oxide ion conductor particles is increased as compared with the prior art. Yes. Furthermore, since the composite particles have a plurality of micropores formed on the particle surface, the number of cavities interfaces to which fuel gas can be supplied is increased compared to the conventional case. Therefore, this composite particle is more likely to form more three-phase interfaces than conventional, and can be suitably used as a material for the fuel electrode of SOFC.

また、上記複合粒子の表面に形成された微細孔の平均孔径は10nm〜500nmであることが好ましい。上記微細孔の平均孔径が10nm以上である複合粒子は、燃料ガスが供給され得る空洞として好ましい大きさの孔径を有した微細孔が複数形成されているため、上記三相界面が形成されやすくなっている。一方、微細孔の平均孔径が500nm以下である複合粒子では、微細孔と金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子とがほぼ均等に分布しているため、上記三相界面が形成されやすくなっている。   The average pore diameter of the fine pores formed on the surface of the composite particle is preferably 10 nm to 500 nm. In the composite particles having an average pore diameter of 10 nm or more, a plurality of micropores having a pore size that is preferable as a cavity through which fuel gas can be supplied are formed, and thus the three-phase interface is easily formed. ing. On the other hand, in composite particles having an average pore diameter of 500 nm or less, the three-phase interface is likely to be formed because the fine pores, the metal oxide particles, and the oxide ion conductor particles are distributed almost evenly. ing.

また、上記表面に微細孔が形成された複合粒子の場合、複合粒子における気孔率が50%〜95%であることが好ましい。気孔率が上記数値範囲内である場合、複合粒子の内部に好適な数の三相界面を形成することができる。   In the case of composite particles having fine pores formed on the surface, the porosity of the composite particles is preferably 50% to 95%. When the porosity is within the above numerical range, a suitable number of three-phase interfaces can be formed inside the composite particles.

また、上述の製造方法は、上記表面に微細孔が形成された複合粒子とは異なった態様の複合粒子も製造できる。この複合粒子は、触媒として機能する金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子とを含み、中空コア部と、該中空コア部を包囲するシェル部とから構成されている。また、上記シェル部では金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子とがほぼ均等に分布している
かかる複合粒子は、シェル部において金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子とがほぼ均等に分布しているため、金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子との界面の数が従来よりも増加している。さらに、この複合粒子には、中空コア部が形成されているため、燃料ガスが供給され得る空洞の界面の数が従来よりも増加している。したがって、この複合粒子は、従来よりも多くの三相界面が形成され易くなっており、SOFCの燃料極の材料として好適に用いることができる。
In addition, the above-described production method can also produce composite particles having a mode different from the composite particles having fine pores formed on the surface. This composite particle includes metal oxide particles that function as a catalyst and oxide ion conductor particles, and includes a hollow core portion and a shell portion that surrounds the hollow core portion. Further, the metal oxide particles and the oxide ion conductor particles are distributed almost evenly in the shell part. Such a composite particle has the metal oxide particles and the oxide ion conductor particles substantially evenly distributed in the shell part. Due to the distribution, the number of interfaces between the metal oxide particles and the oxide ion conductor particles is increased as compared with the conventional case. Furthermore, since this composite particle has a hollow core portion, the number of interfaces of the cavities to which fuel gas can be supplied is increased compared to the conventional case. Therefore, this composite particle is more likely to form more three-phase interfaces than conventional, and can be suitably used as a material for the fuel electrode of SOFC.

また、上記複合粒子の中空コア部の平均径は1μm〜5μmであることが好ましい。また、かかる複合粒子の場合、複合粒子における気孔率が70%〜95%であることが好ましい。これらの場合でも、複合粒子の内部に好適な数の三相界面を形成することができる。   Moreover, it is preferable that the average diameter of the hollow core part of the said composite particle is 1 micrometer-5 micrometers. In the case of such composite particles, the porosity of the composite particles is preferably 70% to 95%. Even in these cases, a suitable number of three-phase interfaces can be formed inside the composite particles.

また、本発明は、上述の複合粒子を燃料極に用いてなる固体酸化物形燃料電池(SOFC)も提供する。上述の複合粒子は、好適な数の三相界面が形成されているため、SOFCの燃料極の材料として用いることによって、従来よりも電池特性が向上したSOFCを構築することができる。   The present invention also provides a solid oxide fuel cell (SOFC) using the composite particles described above as a fuel electrode. Since the above-mentioned composite particles have a suitable number of three-phase interfaces formed, an SOFC with improved battery characteristics can be constructed by using it as a material for the fuel electrode of the SOFC.

本発明の一実施形態に係るSOFCを模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically SOFC which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の複合粒子の製造方法を好適に実施するための装置の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of the apparatus for implementing suitably the manufacturing method of the composite particle of this invention. サンプル1のSEM写真である。It is a SEM photograph of sample 1. サンプル2のSEM写真である。2 is a SEM photograph of Sample 2. サンプル3のSEM写真である。3 is a SEM photograph of Sample 3. サンプル4のSEM写真である。4 is a SEM photograph of Sample 4. サンプル5のSEM写真である。It is a SEM photograph of sample 5. 各サンプルの分散液におけるpHと、分散液中の各粒子のゼータ電位との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between pH in the dispersion liquid of each sample, and the zeta potential of each particle | grain in a dispersion liquid. サンプル2のHR−TEM写真である。3 is an HR-TEM photograph of Sample 2. サンプル2の水銀ポロシメトリーによる測定結果をプロットした対数グラフである。図10中の右側の縦軸は「微分細孔容積」を示しており、グラフ中のプロットAに対応している。また、左側の縦軸は「積算細孔径容積」を示しており、グラフ中のプロットBに対応している。5 is a logarithmic graph plotting the measurement results of Sample 2 by mercury porosimetry. The vertical axis on the right side in FIG. 10 indicates “differential pore volume” and corresponds to plot A in the graph. The vertical axis on the left side indicates “integrated pore diameter volume” and corresponds to plot B in the graph. サンプル2を構成する元素と、該元素の分布を解析した結果を示す図であり、図11中の(a)はSEM写真、(b)はTEM写真、(c)はエネルギー分散X線スペクトラム解析の結果、(d)はジルコニウム及びニッケルの元素マッピングの結果を示している。It is a figure which shows the element which comprises the sample 2, and the result of having analyzed the distribution of this element, (a) in FIG. 11 is a SEM photograph, (b) is a TEM photograph, (c) is an energy dispersion | distribution X-ray spectrum analysis. As a result, (d) shows the result of elemental mapping of zirconium and nickel.

以下、本発明の好適な一実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、分散液の調製や噴霧に用いる装置やチャンバーなど)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。   Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described. Note that matters other than the matters specifically mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention (for example, devices and chambers used for the preparation and spraying of dispersions) are described in the prior art in this field. It can be grasped as a design matter of those skilled in the art based on. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.

ここで開示される製造方法は、固体酸化物形燃料電池の燃料極の材料として用いられる複合粒子を製造する方法である。この複合粒子は、触媒として機能する金属酸化物粒子と、酸化物イオン伝導体粒子とを含んでいる。   The production method disclosed herein is a method for producing composite particles used as a material for a fuel electrode of a solid oxide fuel cell. The composite particles include metal oxide particles that function as a catalyst and oxide ion conductor particles.

ここで開示される製造方法では、まず、金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子とポリマー粒子とが分散媒中に分散した分散液を用意する。   In the production method disclosed herein, first, a dispersion liquid in which metal oxide particles, oxide ion conductor particles, and polymer particles are dispersed in a dispersion medium is prepared.

上記金属酸化物粒子としては、触媒活性が高く金属触媒として用いられ得る金属元素の酸化物粒子を好ましく用いることができる。金属酸化物粒子としては、例えば、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、コバルト(Co)等や、貴金属元素である白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)等の金属元素の酸化物粒子が使用できる。これらの中でも、ニッケルの酸化物である酸化ニッケル(NiO)は酸化活性および水素化活性が高いことや貴金属よりも比較的安価であるという理由で特に好ましく用いることができる。
また、ここで開示される金属酸化物粒子としては、平均粒径が0.5nm〜75nm(好ましくは1nm〜50nm、より好ましくは5nm〜10nm)程度のものを用いるとよい。
As the metal oxide particles, metal element oxide particles that have high catalytic activity and can be used as a metal catalyst can be preferably used. Examples of the metal oxide particles include nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), and the like, platinum (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), etc., which are noble metal elements. The metal element oxide particles can be used. Among these, nickel oxide (NiO) which is an oxide of nickel can be particularly preferably used because it has high oxidation activity and hydrogenation activity and is relatively cheaper than noble metals.
As the metal oxide particles disclosed herein, particles having an average particle diameter of about 0.5 nm to 75 nm (preferably 1 nm to 50 nm, more preferably 5 nm to 10 nm) may be used.

酸化物イオン伝導体粒子としては、上記金属酸化物粒子とは元素組成が異なる金属化合物の粒子を用いることができ、特に、SOFCの固体電解質を構成するものと同じ金属化合物を用いるとよい。酸化物イオン伝導体粒子を構成する金属化合物としては、例えば、ジルコニウム(Zr)、セリウム(Ce)、ランタン(La)、ガリウム(Ga)等の酸化物が使用でき、この中でも、ジルコニウムの酸化物であるジルコニア(二酸化ジルコニウム:ZrO)を好ましく用いることができる。さらに、酸化物イオン伝導体粒子としては、希土類の酸化物を上記ジルコニアに固溶させることによって結晶構造を安定化させた安定化ジルコニアの粒子を好ましく用いることができる。この安定化ジルコニアの中でも、イットリウム(Y)の酸化物を固溶させたイットリア安定化ジルコニア(YSZ)や、スカンジウム(Sc)の酸化物を固溶させたスカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)などを特に好ましく用いることができる。
また、ここで開示される酸化物イオン伝導体粒子としては、平均粒径が0.5nm〜75nm(好ましくは1nm〜50nm、より好ましくは1nm〜10nm)程度のものを用いるとよい。
As the oxide ion conductor particles, particles of a metal compound having an elemental composition different from that of the metal oxide particles can be used. In particular, the same metal compound as that constituting the SOFC solid electrolyte may be used. Examples of the metal compound constituting the oxide ion conductor particle include oxides such as zirconium (Zr), cerium (Ce), lanthanum (La), and gallium (Ga). Zirconia (zirconium dioxide: ZrO 2 ) can be preferably used. Furthermore, as the oxide ion conductor particles, stabilized zirconia particles in which the crystal structure is stabilized by dissolving a rare earth oxide in the zirconia can be preferably used. Among these stabilized zirconia, yttria-stabilized zirconia (YSZ) in which yttrium (Y) oxide is dissolved, scandia-stabilized zirconia (ScSZ) in which scandium (Sc) oxide is dissolved, and the like are particularly used. It can be preferably used.
The oxide ion conductor particles disclosed herein may be those having an average particle size of about 0.5 nm to 75 nm (preferably 1 nm to 50 nm, more preferably 1 nm to 10 nm).

ポリマー粒子としては、加熱によって分解・蒸発する有機高分子化合物を主成分とする粒子を用いることができる。当該ポリマー粒子を構成する有機高分子化合物には、例えば、ポリスチレン、ポリエチレンオキシド、或いはポリオレフィン系高分子化合物(例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン)などを好ましく用いることができる。また、ポリマー粒子には、所定の分散媒に分散した系(ラテックス)で提供されるいわゆるラテックス粒子を好適に使用することができる。ラテックス粒子は、分散媒中の粒子の形状がほぼ球形状であり、その粒度分布が小さいため好ましい。なかでも、ポリスチレンからなるラテックス粒子(ポリスチレンラテックスビーズともいう。以下、「PSL」と称する。)を特に好ましく用いることができる。
また、ポリマー粒子としては、上記金属酸化物粒子および上記酸化物イオン伝導体粒子よりも大きな平均粒径を有しているものがよく、具体的には、平均粒径が50nm〜700nm(好ましくは50nm〜500nm、より好ましくは100nm〜400nm)程度のものを用いるとよい。
As the polymer particles, particles mainly composed of an organic polymer compound that decomposes and evaporates by heating can be used. As the organic polymer compound constituting the polymer particles, for example, polystyrene, polyethylene oxide, polyolefin polymer compound (for example, polyethylene, polypropylene), or the like can be preferably used. Moreover, what is called latex particles provided by the system (latex) disperse | distributed to the predetermined | prescribed dispersion medium can be used suitably for a polymer particle. Latex particles are preferred because the particles in the dispersion medium have a substantially spherical shape and a small particle size distribution. Among these, latex particles made of polystyrene (also referred to as polystyrene latex beads, hereinafter referred to as “PSL”) can be used particularly preferably.
The polymer particles preferably have a larger average particle size than the metal oxide particles and the oxide ion conductor particles. Specifically, the average particle size is 50 nm to 700 nm (preferably (50 nm to 500 nm, more preferably 100 nm to 400 nm) may be used.

分散媒は、上述の各粒子(金属酸化物粒子、酸化物イオン伝導体粒子、ポリマー粒子)を適切に分散させることができるものであればよく、各粒子が溶解しないような液体が好ましく用いられる。ここで、分散媒の一例としては、水、アルコール類(例えば、メタノール(CHOH)、エタノール(COH))などが挙げられる。これらの中でも、各粒子の分散性や製造コストを考慮すると、水が特に好ましく用いられる。 Any dispersion medium may be used as long as it can appropriately disperse the above-described particles (metal oxide particles, oxide ion conductor particles, and polymer particles), and a liquid that does not dissolve the particles is preferably used. . Here, examples of the dispersion medium include water, alcohols (for example, methanol (CH 3 OH), ethanol (C 2 H 5 OH)), and the like. Among these, water is particularly preferably used in consideration of dispersibility of each particle and production cost.

ここで開示される製造方法では、上述の各粒子を分散媒に分散させて分散液を調製する。上記分散液を調製する際には、各粒子を分散媒に所定量添加して十分に混合する。この混合処理には、液体を混合するために用いられる従来公知の方法を用いることができる。例えば、各粒子のゾルを別個に調製し、当該ゾルを攪拌しながら混ぜ合わせる攪拌混合などを用いることができる。また、この攪拌混合で分散液を攪拌する方法としては、例えば、超音波ホモジナイザなどが挙げられる。   In the production method disclosed herein, the above-mentioned particles are dispersed in a dispersion medium to prepare a dispersion. When preparing the dispersion, a predetermined amount of each particle is added to the dispersion medium and mixed thoroughly. For this mixing treatment, a conventionally known method used for mixing liquids can be used. For example, it is possible to prepare a sol of each particle separately and stir and mix the sol while stirring. Examples of the method of stirring the dispersion by stirring and mixing include an ultrasonic homogenizer.

また、上記分散液の調製にあたり、分散させる各粒子の質量比は適宜変更することができる。特に限定するものではないが、酸化物イオン伝導体粒子(C)に対する金属酸化物粒子(M)の質量比(M/C)が0.5〜3(好ましくは1〜2、より好ましくは1.2〜1.7)の範囲内になるように金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子の添加量を定めるとよい。この場合、分散液中における金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子の粒子数が近似するため、各粒子が均等に分布した複合粒子を容易に作製することができるようになる。
また、ポリマー粒子を添加量については、金属酸化物粒子(M)と酸化物イオン伝導体粒子(C)の合計質量(M+C)に対するポリマー粒子(P)の質量比(P/(M+C))が1〜3(好ましくは2〜3、より好ましくは2.2〜2.7)の範囲内になるように定めるとよい。この場合、分散液中における金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子の粒子数が近似するため、各粒子を均等に分散させることができる。
In preparing the dispersion, the mass ratio of the particles to be dispersed can be changed as appropriate. Although not particularly limited, the mass ratio (M / C) of the metal oxide particles (M) to the oxide ion conductor particles (C) is 0.5 to 3 (preferably 1 to 2, more preferably 1). The addition amount of the metal oxide particles and the oxide ion conductor particles may be determined so as to be within the range of .2 to 1.7). In this case, since the number of metal oxide particles and oxide ion conductor particles in the dispersion is approximate, composite particles in which each particle is evenly distributed can be easily produced.
Moreover, about addition amount of a polymer particle, mass ratio (P / (M + C)) of the polymer particle (P) with respect to the total mass (M + C) of a metal oxide particle (M) and an oxide ion conductor particle (C) is. It is good to determine so that it may become in the range of 1-3 (preferably 2-3, more preferably 2.2-2.7). In this case, since the number of metal oxide particles and oxide ion conductor particles in the dispersion is approximate, each particle can be evenly dispersed.

次に、ここで開示される製造方法では、用意した分散液を液滴としてチャンバー内に噴霧する。分散液を液滴として噴霧するには、例えば、2流体ノズル、超音波噴霧器などを用いるとよい。これらの機器を用いることによって、分散液をサブマイクロ〜マイクロオーダーの微細な液滴として噴霧するができる。このときの霧状の液滴の液滴径の一例を挙げると、0.1μm〜10μm、好ましくは1μm〜6μm、更に好ましくは2μm〜5μm程度である。この場合、従来の製造方法で製造した場合に比べて、平均粒径の小さな複合粒子を容易に作製することができる。   Next, in the manufacturing method disclosed herein, the prepared dispersion is sprayed as droplets into the chamber. In order to spray the dispersion liquid as droplets, for example, a two-fluid nozzle, an ultrasonic sprayer or the like may be used. By using these devices, the dispersion can be sprayed as fine droplets of sub-micro to micro order. An example of the droplet diameter of the mist-like droplet at this time is 0.1 μm to 10 μm, preferably 1 μm to 6 μm, and more preferably about 2 μm to 5 μm. In this case, it is possible to easily produce composite particles having a small average particle diameter as compared with the case of manufacturing by a conventional manufacturing method.

次に、噴霧された液滴をチャンバー内で加熱することにより、分散液から分散媒を除去する。分散液から分散媒が除去されると、金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子とポリマー粒子とが凝集した凝集体が形成される。噴霧された液滴から分散媒を除去するには、スプレードライ方式による造粒を用いることができる。このときの加熱温度は、使用する分散媒によって変化するが、分散媒を分散液から除去(蒸発)し得る温度(400℃以下、例えば100℃〜400℃、典型的には100℃〜200℃)に設定するとよい。   Next, the sprayed droplets are heated in the chamber to remove the dispersion medium from the dispersion. When the dispersion medium is removed from the dispersion, an aggregate in which metal oxide particles, oxide ion conductor particles, and polymer particles are aggregated is formed. In order to remove the dispersion medium from the sprayed droplets, granulation by a spray drying method can be used. The heating temperature at this time varies depending on the dispersion medium used, but is a temperature at which the dispersion medium can be removed (evaporated) from the dispersion (400 ° C. or less, for example, 100 ° C. to 400 ° C., typically 100 ° C. to 200 ° C. ).

次に、ここで開示される製造方法では、上記凝集体を焼成してポリマー粒子を構成する成分(以下、適宜「ポリマー成分」と称する。)を凝集体から除去する。焼成時に凝集体を加熱する条件は、ポリマー粒子を構成する成分によって変化するが、ポリマー成分を凝集体から除去し得るように設定するとよい。例えば、ポリマー粒子としてPSL粒子を用いた場合、加熱温度を400℃以上1100℃以下、好ましくは500℃以上1000℃以下、例えば700℃程度に設定するとよい。また、このときの加熱時間としては、4時間以下(好ましくは30分〜4時間、より好ましくは45分〜2時間、例えば1時間程度)に設定するとよい。   Next, in the production method disclosed herein, the agglomerates are baked to remove components constituting the polymer particles (hereinafter referred to as “polymer components” as appropriate) from the agglomerates. The conditions for heating the aggregate during firing vary depending on the components constituting the polymer particles, but may be set so that the polymer component can be removed from the aggregate. For example, when PSL particles are used as the polymer particles, the heating temperature is set to 400 ° C. or more and 1100 ° C. or less, preferably 500 ° C. or more and 1000 ° C. or less, for example, about 700 ° C. In addition, the heating time at this time may be set to 4 hours or less (preferably 30 minutes to 4 hours, more preferably 45 minutes to 2 hours, for example, about 1 hour).

また、上記凝集体の焼成は、酸化性ガス(例えば、酸素含有ガス(特に好ましくは空気))の雰囲気下で行ってもよいし、不活性ガス(例えば、窒素(N)、アルゴン(Ar)、ヘリウム(He)など)の雰囲気下で行ってもよい。
酸化ガス雰囲気下で焼成を行った場合、酸化性ガスがポリマー成分の除去(蒸発・分解)を補助するため、加熱温度が比較的低温域であってもポリマー成分を適切に除去することができる。焼成を比較的低温域で行うメリットとしては、焼成炉の耐久性低下の防止、温度上昇に要する燃料費の低減などにより、低コストで複合粒子の製造が可能になることが挙げられる。また、酸化性ガスとして空気を用いた場合には、製造コストを更に低減させることができる。
一方、不活性ガス雰囲気下で凝集体の焼成を行った場合、加熱温度が比較的高温域であっても、複合粒子を構成する金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子が必要以上に酸化されることを防止できる。すなわち、品質に優れた複合粒子を安定的に得ることができるようになる。
The agglomeration may be performed in an atmosphere of an oxidizing gas (for example, an oxygen-containing gas (particularly preferably air)), or an inert gas (for example, nitrogen (N 2 ), argon (Ar) ), Helium (He), etc.).
When firing in an oxidizing gas atmosphere, the oxidizing gas assists the removal (evaporation / decomposition) of the polymer component, so that the polymer component can be appropriately removed even when the heating temperature is relatively low. . Advantages of performing firing in a relatively low temperature range include that composite particles can be produced at low cost by preventing a decrease in durability of the firing furnace and reducing fuel costs required for temperature rise. Moreover, when air is used as the oxidizing gas, the manufacturing cost can be further reduced.
On the other hand, when the aggregate is fired in an inert gas atmosphere, the metal oxide particles and oxide ion conductor particles constituting the composite particles are oxidized more than necessary even when the heating temperature is relatively high. Can be prevented. That is, composite particles having excellent quality can be obtained stably.

上述の工程を経ることによって複合粒子が得られる。この時に生じている現象の一例を以下で説明する。ここでは、先ず、分散液を液滴としてチャンバー内に噴霧し、該液滴を加熱することにより分散媒を除去する。これによって、金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子がほぼ均等に分布した状態の凝集体が得られる。そして、かかる凝集体を焼成すると、凝集体からポリマー成分が除去されて、金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子とを含んだ複合粒子が得られる。この複合粒子は、金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子がほぼ均等に分布してなる凝集体を焼成することで作成されるため、各粒子がほぼ均等に分布している。さらに、焼成によりポリマー成分が除去された箇所は空洞化するため、複合粒子の粒子表面には複数の微細孔(若しくは、粒子内部に中空コア部)が形成される。   Composite particles are obtained through the above-described steps. An example of the phenomenon occurring at this time will be described below. Here, first, the dispersion liquid is sprayed into the chamber as droplets, and the dispersion medium is removed by heating the droplets. As a result, an agglomerate in which the metal oxide particles and the oxide ion conductor particles are almost uniformly distributed is obtained. When such an aggregate is fired, the polymer component is removed from the aggregate, and composite particles containing metal oxide particles and oxide ion conductor particles are obtained. Since this composite particle is produced by firing an aggregate in which metal oxide particles and oxide ion conductor particles are substantially evenly distributed, each particle is approximately evenly distributed. Furthermore, since the portion from which the polymer component has been removed by calcination is hollowed out, a plurality of micropores (or a hollow core portion inside the particle) are formed on the particle surface of the composite particle.

上述のように、ここで開示される製造方法では、ポリマー粒子を構成する成分を凝集体から除去することにより、複合粒子の表面に複数の微細孔、若しくは、複合粒子の内部に中空コア部を形成する。これらの空孔の形状は、上記分散液中の各粒子のゼータ電位を調整することによって制御することができる。上記ゼータ電位は、分散液のpHを調整することによって調整することができる。以下、ゼータ電位の調整による空孔の形状の制御について説明する。   As described above, in the production method disclosed herein, by removing the components constituting the polymer particles from the aggregate, a plurality of fine pores are formed on the surface of the composite particles, or a hollow core portion is formed inside the composite particles. Form. The shape of these pores can be controlled by adjusting the zeta potential of each particle in the dispersion. The zeta potential can be adjusted by adjusting the pH of the dispersion. Hereinafter, control of the shape of the holes by adjusting the zeta potential will be described.

ここでは、先ず、金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子とポリマー粒子のゼータ電位の符号を等しくした場合について説明する。各粒子のゼータ電位の符号を等しくするには、分散液のpHを、pH1〜pH6.8(好ましくはpH1〜pH4、さらに好ましくはpH3〜pH4)の範囲内に調整するとよい。当該数値範囲内に分散液のpHを調整するには、pHの調整に一般的に用いられる酸性溶液(例えば、硝酸、硫酸、塩酸など)を分散液に添加する。このようにして、金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子とポリマー粒子のゼータ電位の符号を等しくすると、表面に複数の微細孔が形成された複合粒子が得られる。
微細孔が形成された複合粒子が得られることについては、以下のように推察される。各粒子のゼータ電位の符号が等しくなると、分散液中で金属酸化物粒子、酸化物イオン伝導体粒子、ポリマー粒子がそれぞれ反発し合う。この状態で分散液の液滴を加熱して当該液滴から分散媒を除去すると、ポリマー粒子を含めた各粒子がほぼ均等に分布した凝集体が形成される。そして、この凝集体を焼成すると、凝集体全体において均等に分布しているポリマー粒子を構成する成分が凝集体の表面に微細な穴を開けながら凝集体の外部に抜ける。これによって、表面に複数の微細孔が形成された複合粒子が得られると考えられる。
Here, first, the case where the signs of the zeta potentials of the metal oxide particles, the oxide ion conductor particles, and the polymer particles are made equal will be described. In order to equalize the sign of the zeta potential of each particle, the pH of the dispersion may be adjusted within the range of pH 1 to pH 6.8 (preferably pH 1 to pH 4, more preferably pH 3 to pH 4). In order to adjust the pH of the dispersion within the numerical range, an acidic solution (for example, nitric acid, sulfuric acid, hydrochloric acid, etc.) generally used for pH adjustment is added to the dispersion. Thus, when the signs of the zeta potentials of the metal oxide particles, the oxide ion conductor particles, and the polymer particles are equalized, composite particles having a plurality of micropores formed on the surface can be obtained.
About obtaining composite particles in which micropores are formed, it is presumed as follows. When the signs of the zeta potentials of the particles become equal, the metal oxide particles, oxide ion conductor particles, and polymer particles repel each other in the dispersion. When the dispersion liquid droplets are heated in this state to remove the dispersion medium from the droplets, an aggregate in which the particles including the polymer particles are distributed almost evenly is formed. And when this aggregate is baked, the component which comprises the polymer particle distributed uniformly in the whole aggregate will come out of the aggregate, opening a fine hole in the surface of the aggregate. Thereby, it is considered that composite particles having a plurality of fine pores formed on the surface can be obtained.

上述のようにして得られた「表面に複数の微細孔が形成されている複合粒子」の構造について説明する。
この複合粒子は、金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子とを含んでおり、金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子とがほぼ均等に分布している。ここで、金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子とが「ほぼ均等に分布している」とは、複合粒子表面の元素マッピングにおいて、ニッケルがマッピングされている面積を、ジルコニウムがマッピングされている面積で割った値(Ni/Zr)が0.5〜1.5(好ましくは0.8〜1.2、より好ましくは0.9〜1.1)であるような状態を指す。
The structure of the “composite particles having a plurality of fine pores formed on the surface” obtained as described above will be described.
The composite particles include metal oxide particles and oxide ion conductor particles, and the metal oxide particles and the oxide ion conductor particles are distributed almost evenly. Here, the metal oxide particles and the oxide ion conductor particles are “almost uniformly distributed” means that in the element mapping on the surface of the composite particle, the area where nickel is mapped is mapped to zirconium. The value (Ni / Zr) divided by the area is 0.5 to 1.5 (preferably 0.8 to 1.2, more preferably 0.9 to 1.1).

この複合粒子の平均粒径は、4μm〜10μmであるとよく、好ましくは5μm〜8μmであるとよく、より好ましくは6μm〜7μmである。また、この複合粒子の形状は典型的には略球形状である。ここで、本明細書における「略球形状」とは、球状、ラグビーボール状、多角体状などを含む形状であり、その長径/短径が好ましくは2/1〜1/1、典型的には1.5/1〜1/1であり、真球(長径/短径=1/1)に近い形状をとり得る。
また、上述したように、この複合粒子の表面には複数の微細孔が形成されている。特に限定されるものではないが、当該微細孔は、粒子1個あたりに概ね20個〜300個、典型的には50個〜250個、例えば100個〜200個程度形成されているとよい。
また、微細孔の平均孔径は、分散液に分散させるポリマー粒子の平均粒径を調節することにより適宜変更することができる。具体的には、微細孔の平均孔径(電子顕微鏡観察に基づいて計算される平均値。以下同じ。)は、10nm〜500nm、好ましくは50nm〜200nm、より好ましくは75nm〜150nm程度であるとよい。
また、この複合粒子における気孔率は、50%〜95%(好ましくは55%〜80%、より好ましくは55%〜70%)程度である。上記気孔率は、水銀ポロシメトリーにより測定された結果に基づく値である。
The average particle size of the composite particles may be 4 μm to 10 μm, preferably 5 μm to 8 μm, and more preferably 6 μm to 7 μm. The shape of the composite particle is typically a substantially spherical shape. Here, the “substantially spherical shape” in the present specification is a shape including a spherical shape, a rugby ball shape, a polygonal shape, etc., and its major axis / minor axis is preferably 2/1 to 1/1, typically Is 1.5 / 1 to 1/1, and can take a shape close to a true sphere (major axis / minor axis = 1/1).
Further, as described above, a plurality of fine holes are formed on the surface of the composite particle. Although not particularly limited, it is preferable that the fine pores are formed approximately 20 to 300, typically 50 to 250, for example, about 100 to 200 per particle.
The average pore diameter of the fine pores can be changed as appropriate by adjusting the average particle diameter of the polymer particles dispersed in the dispersion. Specifically, the average pore diameter of the micropores (average value calculated based on observation with an electron microscope; the same shall apply hereinafter) is 10 nm to 500 nm, preferably 50 nm to 200 nm, more preferably about 75 nm to 150 nm. .
The porosity of the composite particles is about 50% to 95% (preferably 55% to 80%, more preferably 55% to 70%). The porosity is a value based on the result measured by mercury porosimetry.

次に、金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子とポリマー粒子のうちいずれか一種の粒子のゼータ電位が他の二種の粒子のゼータ電位と異符号になるように分散液のpHを調整した場合について説明する。なお、ゼータ電位が他の粒子に対して異符号になる粒子は、分散液に分散させる各粒子のうちどの粒子でもよい。以下では、説明の便宜上、分散液のpHを、酸化物イオン伝導体粒子のゼータ電位が他の粒子(金属酸化物粒子、ポリマー粒子)のゼータ電位と異符号になるように調整した場合について説明する。   Next, the pH of the dispersion is adjusted so that the zeta potential of any one of the metal oxide particles, oxide ion conductor particles, and polymer particles is different from the zeta potential of the other two particles. The case will be described. The particles whose zeta potential has a different sign from other particles may be any of the particles dispersed in the dispersion. In the following, for the convenience of explanation, the case where the pH of the dispersion is adjusted so that the zeta potential of the oxide ion conductor particles is different from the zeta potential of other particles (metal oxide particles, polymer particles) will be described. To do.

酸化物イオン伝導体粒子のゼータ電位を他の粒子のゼータ電位と異符号にするには、分散液のpHを、pH7〜pH14(好ましくはpH7〜pH10、さらに好ましくはpH8〜pH9.5)の範囲内に調整するとよい。当該数値範囲内に分散液のpHを調整するには、pH調整用として一般的に用いられるアルカリ性溶液(例えば、アンモニア水、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液など)を分散液に添加する。このようにして、酸化物イオン伝導体粒子のゼータ電位を、他の粒子のゼータ電位と異符号にすると、中空コア部と、該中空コア部を包囲するシェル部とから構成されており、シェル部では金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子とがほぼ均等に分布している複合粒子が得られる。   In order to make the zeta potential of the oxide ion conductor particles different from the zeta potential of other particles, the pH of the dispersion is pH 7 to pH 14 (preferably pH 7 to pH 10, more preferably pH 8 to pH 9.5). Adjust within the range. In order to adjust the pH of the dispersion within the numerical range, an alkaline solution generally used for pH adjustment (for example, aqueous ammonia, aqueous sodium hydroxide, aqueous potassium hydroxide, etc.) is added to the dispersion. Thus, when the zeta potential of the oxide ion conductor particles is different from the zeta potential of the other particles, the oxide ion conductor particles are composed of a hollow core portion and a shell portion surrounding the hollow core portion. In the portion, composite particles in which the metal oxide particles and the oxide ion conductor particles are almost uniformly distributed are obtained.

中空コア部を有した複合粒子が得られることについては、以下のように推察される。
分散液中でいずれか一種の粒子のゼータ電位が他の二種の粒子のゼータ電位と異符号になると、当該一種の粒子に他の粒子が引き寄せられる。この状態で分散液から分散媒を除去すると、中心部にポリマー粒子が分布し、そのポリマー粒子を包囲するように金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子が分布した凝集体が形成される。そして、この凝集体を焼成すると、凝集体の中心部に分布しているポリマー粒子の成分が凝集体の表面に微細な穴を開けながら凝集体の外部に抜け中空コア部が形成される。これによって、中空コア部と当該中空コア部を包囲するシェル部とから構成された複合粒子が得られる。なお、特に限定するものではないが、他の粒子(金属酸化物粒子、酸化物イオン伝導体粒子)よりも平均粒径が大きなポリマー粒子を使用すると、上記凝集体の中心部にポリマー粒子が分布されやすくなるため、より好適な形状の中空コア部が形成された複合粒子を容易に得ることができる。
About obtaining composite particles having a hollow core, it is presumed as follows.
When the zeta potential of any one kind of particles in the dispersion becomes different from the zeta potential of the other two kinds of particles, the other particles are attracted to the one kind of particles. When the dispersion medium is removed from the dispersion in this state, polymer particles are distributed in the center, and aggregates in which metal oxide particles and oxide ion conductor particles are distributed so as to surround the polymer particles are formed. When this aggregate is fired, the polymer particle components distributed in the central portion of the aggregate are released outside the aggregate while forming fine holes in the surface of the aggregate to form a hollow core portion. Thereby, composite particles composed of a hollow core part and a shell part surrounding the hollow core part are obtained. Although not particularly limited, when polymer particles having a larger average particle size than other particles (metal oxide particles, oxide ion conductor particles) are used, the polymer particles are distributed in the center of the aggregate. Therefore, composite particles in which a hollow core portion having a more suitable shape is formed can be easily obtained.

上述のようにして得られた「中空コア部とシェル部とから構成された複合粒子」の構造について説明する。
なお、この複合粒子に関する中空コア部およびシェル部以外の構成(金属酸化物粒子及び酸化物イオン伝導体粒子の分布状態、平均粒径、粒子全体の形状など)に関しては、上で既に説明した「複数の微細孔が形成された複合粒子」と同等であるため説明を省略する。
The structure of “composite particles composed of a hollow core part and a shell part” obtained as described above will be described.
In addition, regarding the composition other than the hollow core part and the shell part regarding the composite particles (distribution state of metal oxide particles and oxide ion conductor particles, average particle diameter, shape of the whole particle, etc.), already described above. Since it is equivalent to “composite particles in which a plurality of micropores are formed”, the description is omitted.

中空コア部は、複合粒子の内部に形成された内部空間である。本発明を特に限定するものではないが、中空コア部の形状は略球形状であるとよい。中空コア部の形状が略球形状である場合、中空コア部の平均径は、1μm〜5μm、好ましくは3μm〜4.5μm、より好ましくは3.5μm〜4μm程度である。この複合粒子における気孔率は、70%〜95%(好ましくは75%〜90%、より好ましくは75%〜80%)程度である。ここで、中空コア部の平均径および気孔率は、複合粒子に形成されている空孔を水銀ポロシメトリーによって測定した結果に基づいて算出される。   The hollow core portion is an internal space formed inside the composite particle. Although the present invention is not particularly limited, the shape of the hollow core portion is preferably substantially spherical. When the shape of the hollow core part is substantially spherical, the average diameter of the hollow core part is about 1 μm to 5 μm, preferably about 3 μm to 4.5 μm, more preferably about 3.5 μm to 4 μm. The porosity of the composite particles is about 70% to 95% (preferably 75% to 90%, more preferably 75% to 80%). Here, the average diameter and porosity of the hollow core portion are calculated based on the result of measuring the pores formed in the composite particles by mercury porosimetry.

シェル部は、上記中空コア部を包囲するように形成されている。このシェル部は、金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子とから構成されており、金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子はシェル部においてほぼ均等に分散している。また、このシェル部には、上記中空コア部と外界とを連通させる微細孔が形成されている。さらに、シェル部の外界側の表面には、複数の窪みが形成されている。
このシェル部の厚みは、1μm〜9μm、好ましくは2μm〜5μm、より好ましくは2.5μm〜4μm程度である。
また、シェル部に形成されている微細孔は、粒子1個あたりに概ね1個〜30個、典型的には1個〜20個、例えば1個〜10個程度形成されているとよい。シェル部に形成されている微細孔の平均孔径は、10nm〜500nm、好ましくは50nm〜200nm、より好ましくは75nm〜150nm程度であるとよい。
また、シェル部に形成されている窪みは、粒子1個あたりに概ね20個〜300個、典型的には50個〜250個、例えば100個〜200個程度形成されているとよい。
The shell part is formed so as to surround the hollow core part. The shell portion is composed of metal oxide particles and oxide ion conductor particles, and the metal oxide particles and oxide ion conductor particles are dispersed almost uniformly in the shell portion. In addition, the shell portion is formed with fine holes that allow the hollow core portion to communicate with the outside world. Further, a plurality of depressions are formed on the surface of the shell portion on the outside world side.
The thickness of the shell portion is about 1 μm to 9 μm, preferably about 2 μm to 5 μm, and more preferably about 2.5 μm to 4 μm.
The fine pores formed in the shell portion are preferably formed in a number of approximately 1 to 30, typically 1 to 20, for example, 1 to 10 per particle. The average pore diameter of the micropores formed in the shell portion is 10 nm to 500 nm, preferably 50 nm to 200 nm, more preferably about 75 nm to 150 nm.
In addition, the depressions formed in the shell portion may be formed approximately 20 to 300, typically 50 to 250, for example, about 100 to 200 per particle.

上記製造方法で作製された複合粒子は、SOFCの燃料極の材料として用いられる。以下、上記複合粒子を燃料極の材料として用いて構成されたSOFCについて、図1を参照しながら説明する。図1は、アノード支持形セルと該セルに接合されたガス管とを備えたSOFCの断面図である。かかる図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付すが、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。   The composite particles produced by the above production method are used as a material for SOFC fuel electrodes. Hereinafter, an SOFC configured using the composite particles as a fuel electrode material will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view of an SOFC including an anode-supported cell and a gas pipe joined to the cell. In the drawings, members / parts having the same action are denoted by the same reference numerals, but the dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) in the drawings do not reflect actual dimensional relationships.

ここで開示されるSOFC100は、例えば、燃料極10と、空気極20と、固体電解質膜30とを備えた燃料電池セル(以下、単に「セル」と称する。)50を有している。このセル50は、従来の製造方法に準じて作製されているものでよく、特別な処理を必要としない。すなわち、ここで開示されるセル50の構成部材である燃料極10、空気極20および固体電解質膜30は、従来用いられている種々の方法により形成することができる。   The SOFC 100 disclosed herein includes, for example, a fuel cell (hereinafter simply referred to as “cell”) 50 including a fuel electrode 10, an air electrode 20, and a solid electrolyte membrane 30. The cell 50 may be manufactured according to a conventional manufacturing method and does not require special processing. That is, the fuel electrode 10, the air electrode 20, and the solid electrolyte membrane 30 which are constituent members of the cell 50 disclosed here can be formed by various methods conventionally used.

燃料極10としては、上記複合粒子からなる複合粒子材料を主成分とし、その他の添加材料としてバインダーなどを含んだ多孔質体である。なお、「複合粒子材料」とは、「表面に複数の微細孔が形成された複合粒子」と「中空コア部とシェル部から構成された複合粒子」の何れかを複数個有した(若しくはその両方を混合した)材料を指すものである。ここで開示されるSOFC100では、この燃料極10の上に固体電解質膜30が積層されている。   The fuel electrode 10 is a porous body containing a composite particle material composed of the above composite particles as a main component and a binder as another additive material. Note that the “composite particle material” includes a plurality of “composite particles having a plurality of fine pores formed on the surface” and “composite particles composed of a hollow core portion and a shell portion” (or its composite particles). Refers to a material that is a mixture of both. In the SOFC 100 disclosed herein, the solid electrolyte membrane 30 is laminated on the fuel electrode 10.

上記固体電解質膜30には、上述したように、上記製造方法によって得られた複合粒子の酸化物イオン伝導体粒子と同種の金属化合物を用いることができる。当該金属化合物としては、例えば、ジルコニウム(Zr)、セリウム(Ce)、ランタン(La)、ガリウム(Ga)等の酸化物が使用でき、この中でも、ジルコニウムの酸化物であるジルコニア(二酸化ジルコニウム:ZrO)を好ましく用いることができる。さらに、酸化物イオン伝導体粒子としては、希土類の酸化物を上記ジルコニアに固溶させることによって結晶構造を安定化させた安定化ジルコニアの粒子を好ましく用いることができる。この安定化ジルコニアの中でも、イットリウム(Y)の酸化物を固溶させたイットリア安定化ジルコニア(YSZ)や、スカンジウム(Sc)の酸化物を固溶させたスカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)などを特に好ましく用いることができる。ここでは、燃料極10の上に固体電解質20が積層されており、当該固体電解室30の上に空気極20が積層されている。 As described above, the solid electrolyte membrane 30 can be made of the same metal compound as the oxide ion conductor particles of the composite particles obtained by the above-described manufacturing method. As the metal compound, for example, oxides such as zirconium (Zr), cerium (Ce), lanthanum (La), gallium (Ga) can be used, and among these, zirconia (zirconium dioxide: ZrO) which is an oxide of zirconium. 2 ) can be preferably used. Furthermore, as the oxide ion conductor particles, stabilized zirconia particles in which the crystal structure is stabilized by dissolving a rare earth oxide in the zirconia can be preferably used. Among these stabilized zirconia, yttria-stabilized zirconia (YSZ) in which yttrium (Y) oxide is dissolved, scandia-stabilized zirconia (ScSZ) in which scandium (Sc) oxide is dissolved, and the like are particularly used. It can be preferably used. Here, the solid electrolyte 20 is laminated on the fuel electrode 10, and the air electrode 20 is laminated on the solid electrolysis chamber 30.

空気極20は、従来の燃料電池セルに用いられるものと同様でよく特に制限はない。空気極20としてはランタンコバルトネート(LaCoO)系やランタンマンガネート(LaMnO)系のペロブスカイト型酸化物が好適に採用される。これらの材質から成る多孔質体をそれぞれ空気極20として使用することができる。 The air electrode 20 may be the same as that used in a conventional fuel cell, and is not particularly limited. As the air electrode 20, a lanthanum cobaltate (LaCoO 3 ) -based or lanthanum manganate (LaMnO 3 ) -based perovskite oxide is preferably employed. Each of the porous bodies made of these materials can be used as the air electrode 20.

上記構成を備えるセル50は、例えば、以下のようにして構築することができる。
まず、支持基材(支持体)として燃料極10を作製する。燃料極10を作製するには、先ず、上記複合粒子材料とその他の添加材料(例えばバインダー、分散剤)とを溶媒とともに混ぜ合わせて、スラリー状の燃料極用成形材料を調製する。次いで、かかる成形材料を用いて、例えば押出成形等により燃料極10の成形体を作製する。ここで、燃料極10の成形体の形状としては、シート状(または平板状)、もしくは燃料ガスを燃料極内に流入させるための中空部(ガス流路)を備えた中空箱型状、または中空扁平状(フラットチューブラ−状)などが挙げられる。なお、図1では、シート状の燃料極10を成形している。
The cell 50 provided with the said structure can be constructed | assembled as follows, for example.
First, the fuel electrode 10 is produced as a support base (support). In order to produce the fuel electrode 10, first, the composite particle material and other additive materials (for example, a binder and a dispersant) are mixed together with a solvent to prepare a slurry-like fuel electrode molding material. Next, using this molding material, a molded body of the fuel electrode 10 is produced by, for example, extrusion molding. Here, the shape of the molded body of the fuel electrode 10 may be a sheet shape (or a flat plate shape), a hollow box shape having a hollow portion (gas flow path) for allowing fuel gas to flow into the fuel electrode, or Examples thereof include a hollow flat shape (flat tubular shape). In FIG. 1, a sheet-like fuel electrode 10 is formed.

次に、固体電解質膜30の材料を調製する。すなわち所定の材料(例えば平均粒径0.1μm〜10μm程度のYSZ粉末、バインダー、分散剤、溶媒)を混合してスラリー状(ペースト状)の固体電解質膜30用の成形材料を調製する。この固体電解質膜30用の成形材料を上記燃料極10の上に、膜厚100μm以下(典型的には1μm〜100μm、好ましくは10μm〜100μm、例えば10μm〜50μm)で印刷成形することにより未焼成の固体電解質膜30を形成する。この燃料極10に支持された固体電解質膜30を乾燥した後に、大気中において1200℃〜1400℃の焼成温度で焼成する。これにより燃料極10の上に緻密な固体電解質膜30が形成される。   Next, a material for the solid electrolyte membrane 30 is prepared. That is, a predetermined material (for example, YSZ powder having an average particle size of about 0.1 μm to 10 μm, a binder, a dispersant, and a solvent) is mixed to prepare a molding material for the solid electrolyte membrane 30 in the form of a slurry (paste). The molding material for the solid electrolyte membrane 30 is printed and formed on the fuel electrode 10 at a film thickness of 100 μm or less (typically 1 μm to 100 μm, preferably 10 μm to 100 μm, for example, 10 μm to 50 μm). The solid electrolyte membrane 30 is formed. The solid electrolyte membrane 30 supported by the fuel electrode 10 is dried and then fired at a firing temperature of 1200 ° C. to 1400 ° C. in the atmosphere. As a result, a dense solid electrolyte membrane 30 is formed on the fuel electrode 10.

次に、空気極20の材料を調製する。すなわち所定の材料(例えば平均粒径1μm〜10μm程度のLaSrO粉末、バインダー、分散剤、溶媒)からなるスラリー状の空気極20用の成形材料を調製する。この空気極20用の成形材料を上記固体電解質膜30の表面に膜厚100μm以下(典型的には1μm〜100μm、好ましくは10μm〜100μm、例えば10μm〜50μm)で印刷成形することにより未焼成の空気極層(膜)20を形成する。これを乾燥後、大気中において1000℃〜1200℃の焼成温度で焼成する。このようにして、上記固体電解質膜30上に空気極20を形成する。
以上の工程を経て、燃料極10、固体電解質膜30、空気極20の順に積層された構造のアノード支持形のセル50が形成される。
Next, a material for the air electrode 20 is prepared. That is, a slurry-like molding material for the air electrode 20 made of a predetermined material (for example, LaSrO 3 powder having an average particle diameter of about 1 μm to 10 μm, a binder, a dispersant, and a solvent) is prepared. The molding material for the air electrode 20 is printed and formed on the surface of the solid electrolyte membrane 30 at a film thickness of 100 μm or less (typically 1 μm to 100 μm, preferably 10 μm to 100 μm, for example 10 μm to 50 μm). An air electrode layer (film) 20 is formed. After drying this, it is fired at a firing temperature of 1000 ° C. to 1200 ° C. in the air. In this way, the air electrode 20 is formed on the solid electrolyte membrane 30.
Through the above steps, the anode-supported cell 50 having a structure in which the fuel electrode 10, the solid electrolyte membrane 30, and the air electrode 20 are stacked in this order is formed.

次に、燃料ガスを供給するためのガス管40を上記セル50に接続する。当該ガス管40は、例えば固体電解質膜30と同質材料で形成した緻密体から構成されているものでもよいし、SOFC用として市販されているSUS430金属製のものでもよい。ガス管40の形状、サイズについては、連結されるセル(スタック)のサイズや接合部分の大きさに合わせて適宜設定される。
このガス管40をセル50に接続する際には、図1に示すように、セル50における燃料極10の一方の連結面12とガス管40の端面42とを当接させた状態で、かかる当接面(接合面)を覆うようにして接合材60を付与する。さらに、当接面を越えて固体電解質膜30との端部にまで及ぶように接合材60を付与するとよい。このとき、接合材60は、ガス管40と固体電解質膜30との間を塞ぐことにより、多孔質部材である燃料極10が外部に露出しないように付与するとよい。これは、他方の連結面についても同様である。このように接合材60を付与することにより、固体電解質膜30とガス管40との接合部分で生じ得る隙間(すなわち露出し得る多孔質な燃料極10の一部分)が上記接合材60により完全に塞がれる。このような状態で、接合材60が接合部分から流出しない温度域(例えば、800℃〜900℃程度)で焼成することによって接合部62が形成し、ガス管40とセル50とを接合、連結させることによりSOFC100が構築される。
Next, a gas pipe 40 for supplying fuel gas is connected to the cell 50. For example, the gas pipe 40 may be formed of a dense body made of the same material as the solid electrolyte membrane 30, or may be made of SUS430 metal commercially available for SOFC. The shape and size of the gas pipe 40 are appropriately set according to the size of the connected cell (stack) and the size of the joint portion.
When the gas pipe 40 is connected to the cell 50, as shown in FIG. 1, the connection is made in a state where one connecting surface 12 of the fuel electrode 10 and the end face 42 of the gas pipe 40 are in contact with each other. The bonding material 60 is applied so as to cover the contact surface (bonding surface). Furthermore, it is preferable to apply the bonding material 60 so as to extend beyond the contact surface to the end with the solid electrolyte membrane 30. At this time, the bonding material 60 is preferably applied so as to prevent the fuel electrode 10, which is a porous member, from being exposed to the outside by closing the gap between the gas pipe 40 and the solid electrolyte membrane 30. The same applies to the other connecting surface. By providing the bonding material 60 in this manner, a gap (that is, a part of the porous fuel electrode 10 that can be exposed) that may occur at the bonding portion between the solid electrolyte membrane 30 and the gas pipe 40 is completely formed by the bonding material 60. It is blocked. In such a state, the joining portion 62 is formed by firing in a temperature range (for example, about 800 ° C. to 900 ° C.) in which the joining material 60 does not flow out from the joining portion, and the gas pipe 40 and the cell 50 are joined and connected. By doing so, the SOFC 100 is constructed.

このSOFC100が発電を行う場合、空気極20の周囲に空気(酸素ガス)を供給し、ガス管40を通じて燃料極10に燃料ガス(水素、メタン、エタンなど)を供給する。これにより、空気極20側では、供給された酸素が空気極20内を通って固体電解質膜30との界面近傍に到達し酸化物イオン(O2−-)にイオン化される。この酸化物イオンは、固体電解質膜30を通って燃料極10側に移動する。燃料極10では、上記複合粒子を構成する金属酸化物粒子の界面と、酸化物イオン伝導体粒子(若しくは固体電解質膜30)の界面と、燃料ガスが供給され得る空孔(複合粒子材料における複合粒子間の隙間、若しくは、複合粒子の微細孔や中空コア部)の界面とから構成される三相界面において、酸化物イオンと燃料ガスとが反応する。この反応によって、燃料極10側では反応生成物(HO、CO等)が生成されながら電子が放出される。この電極反応で生じた電子は別ルートの外部負荷にて起電力として取り出される。ここで開示されるSOFC100では、燃料極10における三相界面が従来よりも増加しているため、出力特性が向上している。 When the SOFC 100 generates power, air (oxygen gas) is supplied around the air electrode 20, and fuel gas (hydrogen, methane, ethane, etc.) is supplied to the fuel electrode 10 through the gas pipe 40. Thereby, on the air electrode 20 side, the supplied oxygen reaches the vicinity of the interface with the solid electrolyte membrane 30 through the air electrode 20 and is ionized into oxide ions (O 2− ). The oxide ions move to the fuel electrode 10 side through the solid electrolyte membrane 30. In the fuel electrode 10, the interface of the metal oxide particles constituting the composite particles, the interface of the oxide ion conductor particles (or the solid electrolyte membrane 30), and the vacancies (composites in the composite particle material) to which fuel gas can be supplied. Oxide ions and fuel gas react at a three-phase interface composed of a gap between particles or an interface of a fine particle or a hollow core part of the composite particle). By this reaction, electrons are emitted while reaction products (H 2 O, CO 2, etc.) are generated on the fuel electrode 10 side. Electrons generated by this electrode reaction are taken out as an electromotive force at an external load on another route. In the SOFC 100 disclosed here, the output characteristics are improved because the three-phase interface in the fuel electrode 10 is increased as compared with the conventional one.

以上、本発明の一実施形態にかかる複合粒子およびその製造方法について説明した。なお、上述の製造方法は、図2に示すような装置1000を用いることによって容易に実施することができる。なお、以下に示す装置1000の構成は本発明を限定するものではない。
この装置1000は、大まかに言って、分散液Lを噴霧する噴霧部110と、該分散液の液滴を加熱することにより該液滴から分散媒を除去するチャンバー120と、分散媒が除去されることにより形成された凝集体を捕集する捕集部130と、捕集部130で捕集した凝集体を焼成する焼成炉140とから構成されている。
Hereinabove, the composite particle and the manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention have been described. The above manufacturing method can be easily implemented by using an apparatus 1000 as shown in FIG. The following configuration of the apparatus 1000 does not limit the present invention.
Broadly speaking, the apparatus 1000 includes a spray unit 110 that sprays the dispersion liquid L, a chamber 120 that removes the dispersion medium from the droplets by heating the droplets of the dispersion liquid, and the dispersion medium is removed. The collection part 130 which collects the aggregate formed by this, and the baking furnace 140 which bakes the aggregate collected by the collection part 130 are comprised.

噴霧部110は分散液Lを霧状の液滴としてチャンバー120内に噴霧するための部材である。図2で示す噴霧部110は、キャリアーガスを高圧で吹き出すことで分散液Lを噴霧する二流体ノズル112と、当該二流体ノズル112にキャリアーガスを供給するガス供給ユニット114とから構成されている。二流体ノズル112は、従来公知の装置(例えば、BUCHI社製、mini spray dryer B−290など)を用いることができ、例えば、ノズル先端の径が200μm〜600μm(例えば400μm)であるものが好ましい。ガス供給ユニット114は、例えば、流速3L/min〜10L/minでキャリアーガスを供給することができるものが好ましい。また、ガス供給ユニット114から供給されるキャリアーガスは、不活性ガス(例えば、窒素(N)、アルゴン(Ar)、ヘリウム(He)など)若しくは酸化性ガス(例えば、酸素ガス(特に好ましくは空気))を用いることができる。噴霧部110は、二流体ノズル112で噴霧された液滴をチャンバー120内に供給できるようにチャンバー120に接続されている。 The spray unit 110 is a member for spraying the dispersion liquid L in the chamber 120 as mist droplets. The spray unit 110 shown in FIG. 2 includes a two-fluid nozzle 112 that sprays the dispersion L by blowing out carrier gas at a high pressure, and a gas supply unit 114 that supplies the carrier gas to the two-fluid nozzle 112. . As the two-fluid nozzle 112, a conventionally known device (for example, mini spray dryer B-290 manufactured by BUCHI) can be used. For example, a nozzle having a nozzle tip diameter of 200 μm to 600 μm (for example 400 μm) is preferable. . The gas supply unit 114 is preferably capable of supplying the carrier gas at a flow rate of 3 L / min to 10 L / min, for example. The carrier gas supplied from the gas supply unit 114 is an inert gas (eg, nitrogen (N 2 ), argon (Ar), helium (He), etc.) or an oxidizing gas (eg, oxygen gas (particularly preferably). Air)). The spray unit 110 is connected to the chamber 120 so that droplets sprayed by the two-fluid nozzle 112 can be supplied into the chamber 120.

チャンバー120は、噴霧された液滴を内部にて加熱するための部材である。図2に示すチャンバー120は、内部空洞を有した筒状の部品であり、長手方向における一端が上記二流体ノズル112に接続されており、他端が後述の捕集部130に接続されている。特に限定するものではないが、チャンバー120は、全体で0.4L〜3L程度の容量を有しているものが適当であり、例えば0.9L程度の容量を有しているものを好ましく用いることができる。また、輸送管122の径は、5mm〜20mm程度が適当であり、13mm程度であるとより好ましい。   The chamber 120 is a member for heating the sprayed droplets inside. The chamber 120 shown in FIG. 2 is a cylindrical part having an internal cavity, and one end in the longitudinal direction is connected to the two-fluid nozzle 112 and the other end is connected to a collection unit 130 described later. . Although not particularly limited, it is appropriate that the chamber 120 has a capacity of about 0.4 L to 3 L as a whole. For example, a chamber having a capacity of about 0.9 L is preferably used. Can do. Moreover, the diameter of the transport pipe 122 is suitably about 5 mm to 20 mm, and more preferably about 13 mm.

また、上記チャンバー120の内部には加熱されたキャリアーガスが供給される。ここでは、チャンバー120にガス供給ライン122が取り付けられており、該ガス供給ライン122は、二流体ノズル112を介さずにガス供給ユニット114に接続されている。また、ガス供給ライン122には、ヒータ124が取り付けられており、ガス供給ライン122を通過するキャリアーガスは、ヒータ124によって加熱されてからチャンバー120内に供給される。ヒータ124には従来公知の電気加熱装置などを用いることができる。このヒータ124は、キャリアーガスを100℃〜400℃(典型的には100℃〜200℃)の温度域に加熱することができる。   A heated carrier gas is supplied into the chamber 120. Here, a gas supply line 122 is attached to the chamber 120, and the gas supply line 122 is connected to the gas supply unit 114 without going through the two-fluid nozzle 112. In addition, a heater 124 is attached to the gas supply line 122, and the carrier gas passing through the gas supply line 122 is heated by the heater 124 and then supplied into the chamber 120. A conventionally known electric heating device or the like can be used for the heater 124. The heater 124 can heat the carrier gas to a temperature range of 100 ° C. to 400 ° C. (typically 100 ° C. to 200 ° C.).

さらに、ここで開示される装置1000では、チャンバー120の下流に捕集部130が設けられている。捕集部130は、集塵装置132と、ドレン分離器134とから構成されている。集塵装置132は、チャンバー120内で形成された凝集体のうち、比較的に粒径の小さなものを捕集するために設けられている。一方、ドレン分離器134は、上記凝集体のうち、比較的に粒径の大きなものを捕集するために設けられている。ここで開示される装置1000では、上記集塵装置132、ドレン分離器134にて捕集された凝集体がそれぞれ容器132a,134a内に貯蔵される。   Furthermore, in the apparatus 1000 disclosed here, the collection unit 130 is provided downstream of the chamber 120. The collection unit 130 includes a dust collector 132 and a drain separator 134. The dust collector 132 is provided to collect a relatively small particle size of the aggregates formed in the chamber 120. On the other hand, the drain separator 134 is provided to collect a relatively large particle size among the aggregates. In the apparatus 1000 disclosed herein, aggregates collected by the dust collector 132 and the drain separator 134 are stored in the containers 132a and 134a, respectively.

焼成炉140は、上記捕集部130で得られた凝集体を焼成するための部材である。焼成炉140は、内部に上記凝集体を収容して加熱する。このときの焼成炉140内の温度は、400℃以上1100℃以下、好ましくは500℃以上1000℃以下、例えば700℃程度に設定するとよい。また、焼成炉140は、加熱ガス供給ユニット142と接続されており、該加熱ガス供給ユニット142から供給される加熱ガスの種類によって、焼成炉140内の雰囲気を調整することができる。当該加熱ガスとしては、不活性ガス(例えば、窒素(N)、アルゴン(Ar)、ヘリウム(He)など)若しくは酸化性ガス(例えば、酸素ガス(特に好ましくは空気))を用いることができる The firing furnace 140 is a member for firing the aggregate obtained by the collection unit 130. The firing furnace 140 accommodates and heats the aggregate in the interior. The temperature in the firing furnace 140 at this time is 400 to 1100 ° C., preferably 500 to 1000 ° C., for example, about 700 ° C. The firing furnace 140 is connected to the heating gas supply unit 142, and the atmosphere in the firing furnace 140 can be adjusted by the type of heating gas supplied from the heating gas supply unit 142. As the heating gas, an inert gas (eg, nitrogen (N 2 ), argon (Ar), helium (He), or the like) or an oxidizing gas (eg, oxygen gas (particularly preferably air)) can be used.

上記装置1000を用いて上述の製造方法を実施する手順を説明する。まず、噴霧部110の二流体ノズル112へ分散液Lとキャリアーガスを供給する。これによって、二流体ノズル112内において、高圧のキャリアーガスに分散液Lが衝突して、分散液Lが霧状の液滴としてチャンバー120内に噴霧される。このとき、チャンバー120内には、ヒータ124によって加熱された高温のキャリアーガスが、ガス供給ライン122を通じて供給されている。これによって、分散液の液滴は、高温のキャリアーガスに加熱されながらチャンバー122内を通過する。これにより、分散液の液滴中から分散媒が除去されて凝集体が形成される。この凝集体は、チャンバー122内を滞留しながら、捕集部130へ移送される。そして、形成された凝集体のうち、粒径の大きなものがドレン分離器134によって捕集され、粒径の小さなものが集塵装置132によって捕集される。
次に、ドレン分離器134及び/又は集塵装置132によって捕集された凝集体を焼成炉140内に収容して焼成する。このとき、比較的に粒径の大きな複合粒子を得るためにはドレン分離器134によって捕集された凝集体を用いればよいし、粒径の小さな複合粒子を得るためには集塵装置132によって捕集された凝集体を用いればよい。
そして、焼成炉140内で凝集体を焼成すると、凝集体からポリマー成分が除去される。これによって、金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子とがほぼ均等に分布し、表面に複数の微細孔(若しくは、内部に中空コア部)が形成された複合粒子が得られる。このように、装置1000を用いれば、上述の複合粒子の製造方法を容易に実施することができる。
A procedure for performing the above-described manufacturing method using the apparatus 1000 will be described. First, the dispersion liquid L and the carrier gas are supplied to the two-fluid nozzle 112 of the spray unit 110. Thus, in the two-fluid nozzle 112, the dispersion liquid L collides with the high-pressure carrier gas, and the dispersion liquid L is sprayed into the chamber 120 as mist-like droplets. At this time, a high-temperature carrier gas heated by the heater 124 is supplied into the chamber 120 through the gas supply line 122. Thereby, the droplets of the dispersion liquid pass through the chamber 122 while being heated by the high-temperature carrier gas. As a result, the dispersion medium is removed from the droplets of the dispersion to form an aggregate. The aggregate is transferred to the collection unit 130 while staying in the chamber 122. Among the formed aggregates, a large particle size is collected by the drain separator 134, and a small particle size is collected by the dust collector 132.
Next, the aggregates collected by the drain separator 134 and / or the dust collector 132 are accommodated in the firing furnace 140 and fired. At this time, in order to obtain composite particles having a relatively large particle size, the aggregate collected by the drain separator 134 may be used, and in order to obtain composite particles having a small particle size, the dust collector 132 may be used. The collected aggregate may be used.
When the aggregate is fired in the firing furnace 140, the polymer component is removed from the aggregate. As a result, composite particles in which the metal oxide particles and the oxide ion conductor particles are substantially evenly distributed and a plurality of micropores (or hollow core portions inside) are formed on the surface are obtained. Thus, if the apparatus 1000 is used, the above-described method for producing composite particles can be easily performed.

次に、本発明に関する実施例を説明するが、本発明を以下の実施例に示すものに限定することを意図したものではない。以下の実施例では、それぞれに異なったプロセスで作製された複合粒子(サンプル1〜5)を作製した。   EXAMPLES Next, examples relating to the present invention will be described, but the present invention is not intended to be limited to those shown in the following examples. In the following examples, composite particles (samples 1 to 5) prepared by different processes were prepared.

金属酸化物粒子として平均粒径7nmの酸化ニッケル(NiO)を用意し、当該酸化ニッケルを純水に懸濁させ、5mass%NiO懸濁液を調製した。そして、酸化物イオン伝導体粒子として平均粒径2nmのイットリア安定化ジルコニア(YSZ)を用意し、当該YSZを純水に懸濁させ、5mass%YSZ懸濁液を調製した。
次に、ポリマー粒子として、平均粒径300nmのポリスチレンラテックス粒子(PSL粒子)を用意した。このPSL粒子は、窒素雰囲気下で80℃に加熱した純水120mlに27mlのスチレンを添加し、当該混合液に2−メチルプロピノアミジンを添加して、平均粒径0.3μmになるまで窒素雰囲気下で反応を進行させることによって作製した。そして、このPSL粒子を純水に懸濁させ、10mass%PSL懸濁液を調製した。
ここで、サンプル1では各粒子(NiO、YSZ、PSL粒子)の懸濁液に硝酸(HNO)を添加して、それぞれの懸濁液のpHを1.7に調整した。
Nickel oxide (NiO) having an average particle diameter of 7 nm was prepared as metal oxide particles, and the nickel oxide was suspended in pure water to prepare a 5 mass% NiO suspension. Then, yttria-stabilized zirconia (YSZ) having an average particle diameter of 2 nm was prepared as oxide ion conductor particles, and the YSZ was suspended in pure water to prepare a 5 mass% YSZ suspension.
Next, polystyrene latex particles (PSL particles) having an average particle size of 300 nm were prepared as polymer particles. The PSL particles were prepared by adding 27 ml of styrene to 120 ml of pure water heated to 80 ° C. in a nitrogen atmosphere, adding 2-methylpropinoamidine to the mixture, and adding nitrogen until the average particle size became 0.3 μm. It was produced by allowing the reaction to proceed under an atmosphere. Then, the PSL particles were suspended in pure water to prepare a 10 mass% PSL suspension.
Here, in sample 1, nitric acid (HNO 3 ) was added to the suspension of each particle (NiO, YSZ, PSL particle) to adjust the pH of each suspension to 1.7.

次に、上記5mass%NiO懸濁液、5mass%YSZ懸濁液、10mass%PSL懸濁液を混合し、超音波ホモジナイズを行いながらさらに純水を125ml加えて分散液Lを調製した。   Next, the 5 mass% NiO suspension, the 5 mass% YSZ suspension, and the 10 mass% PSL suspension were mixed, and 125 ml of pure water was further added while performing ultrasonic homogenization to prepare a dispersion L.

次に、図2に示すような装置1000を用いて、上記分散液を霧状の液滴としてチャンバー120内に噴霧した。このとき、二流体ノズル112に供給するキャリアーガスを空気(流速:5L/min)に設定し、上記分散液を液滴径2μm〜5μmの霧状の液滴になるようにチャンバー120内に噴霧した。   Next, the dispersion liquid was sprayed into the chamber 120 as mist droplets using an apparatus 1000 as shown in FIG. At this time, the carrier gas supplied to the two-fluid nozzle 112 is set to air (flow rate: 5 L / min), and the dispersion is sprayed into the chamber 120 so as to form mist droplets having a droplet diameter of 2 μm to 5 μm. did.

次に、上記分散液の液滴をチャンバー120内で加熱した。ここでは、ヒータ124で加熱されたキャリアーガス(空気)をチャンバー120内へ供給することによって、噴霧された液滴を加熱する、いわゆるスプレードライ方式による造粒を行った。これによって、上記液滴中の分散媒が除去され、NiOとYSZとPSL粒子とを含む凝集体が得られた。そして、当該凝集体を捕集部130の集塵装置132で捕集した。次に、捕集部130で捕集された凝集体を、焼成炉140内に収容して、700℃で1時間焼成した。これによって、凝集体からPSL粒子が除去され、NiOとYSZからなる複合粒子を得た。以下、ここで得られた複合粒子を「サンプル1」と称する。   Next, the dispersion liquid droplets were heated in the chamber 120. Here, granulation is performed by a so-called spray drying method in which the sprayed droplets are heated by supplying the carrier gas (air) heated by the heater 124 into the chamber 120. As a result, the dispersion medium in the droplets was removed, and an aggregate containing NiO, YSZ, and PSL particles was obtained. And the said aggregate was collected with the dust collector 132 of the collection part 130. FIG. Next, the aggregates collected by the collection unit 130 were accommodated in the firing furnace 140 and fired at 700 ° C. for 1 hour. As a result, the PSL particles were removed from the aggregate, and composite particles composed of NiO and YSZ were obtained. Hereinafter, the composite particle obtained here is referred to as “sample 1”.

〈サンプル2〉
ここでは、各粒子の懸濁液に硝酸(HNO)を添加して、それぞれのpHを3.7に調整したこと以外は、上記サンプル1と同様のプロセスを経て複合粒子を得た。ここで得られた複合粒子を「サンプル2」と称する。
<Sample 2>
Here, composite particles were obtained through the same process as Sample 1 except that nitric acid (HNO 3 ) was added to the suspension of each particle to adjust the pH to 3.7. The composite particle obtained here is referred to as “Sample 2”.

〈サンプル3〉
ここでは、各粒子の懸濁液に硝酸(HNO)を添加して、それぞれのpHを5.7に調整したこと以外は、上記サンプル1と同様のプロセスを経て複合粒子を得た。ここで得られた複合粒子を「サンプル3」と称する。
<Sample 3>
Here, composite particles were obtained through the same process as Sample 1 except that nitric acid (HNO 3 ) was added to the suspension of each particle to adjust the pH to 5.7. The composite particle obtained here is referred to as “Sample 3”.

〈サンプル4〉
ここでは、各粒子の懸濁液のpHを調整せずに分散液L(pH7.7)を調整したこと以外は、上記サンプル1と同様のプロセスを経て複合粒子を得た。ここで得られた複合粒子を「サンプル4」と称する。
<Sample 4>
Here, composite particles were obtained through the same process as Sample 1 except that the dispersion L (pH 7.7) was adjusted without adjusting the pH of the suspension of each particle. The composite particle obtained here is referred to as “Sample 4”.

〈サンプル5〉
ここでは、各粒子の懸濁液にアンモニア水(HH )を添加して、各粒子の懸濁液のpHを9.7に調整したこと以外は、上記サンプル1と同様のプロセスを経て複合粒子を得た。ここで得られた複合粒子を「サンプル5」と称する。
<Sample 5>
Here, ammonia water (HH 4 + ) was added to the suspension of each particle, and the pH of the suspension of each particle was adjusted to 9.7. Composite particles were obtained. The composite particle obtained here is referred to as “Sample 5”.

上記サンプル1〜5の作製条件を下記の表1に纏める。   The production conditions of Samples 1 to 5 are summarized in Table 1 below.

〈サンプル1〜5のSEM観察〉
上記サンプル1〜5を走査型電子顕微鏡(FE−SEM、日立製作所、S3100H、S5000)で観察した。観察結果のSEM写真を図3〜7に示す。図3はサンプル1、図4はサンプル2、図5はサンプル3、図6はサンプル4、図7はサンプル5のSEM写真である。
<SEM observation of samples 1 to 5>
Samples 1 to 5 were observed with a scanning electron microscope (FE-SEM, Hitachi, S3100H, S5000). SEM photographs of the observation results are shown in FIGS. 3 is an SEM photograph of Sample 1, FIG. 4 is Sample 2, FIG. 5 is Sample 3, FIG. 6 is Sample 4, and FIG.

サンプル1〜5の粒子形状を比較すると、分散液LのpHを低く調整した複合粒子(サンプル1〜3)では粒子表面に多数の微細孔が形成されていた。一方、比較的pHが高い分散液Lから作製した複合粒子(サンプル4,5)では、上記微細孔の代わりに粒子表面(シェル部)に窪みが形成されていた。このサンプル4,5を、TEMやFE−SEMなどで観察すると、当該粒子の内部が空洞化し中空コア部が形成されているのが確認できた。   When the particle shapes of Samples 1 to 5 were compared, in the composite particles (Samples 1 to 3) in which the pH of the dispersion L was adjusted to be low, a large number of micropores were formed on the particle surface. On the other hand, in the composite particles (samples 4 and 5) produced from the dispersion L having a relatively high pH, a depression was formed on the particle surface (shell portion) instead of the fine holes. When these Samples 4 and 5 were observed with TEM, FE-SEM, or the like, it was confirmed that the inside of the particles was hollow and a hollow core portion was formed.

〈サンプル1〜5のゼータ電位測定〉
また、各サンプル1〜5について、分散液Lを調整する前の各粒子の懸濁液を適量採取して、当該各粒子の懸濁液中に分散しているNiO、YSZ、PSL粒子のゼータ電位を測定した。ここでは、ゼータ電位測定装置(Malvern Instruments Ltd, Zetasizer, Nano series, ZEN2600)を用いて各懸濁液中の粒子の表面電荷を測定し、レーザードップラー電気泳動法を用いてゼータ電位を測定した。レーザードップラー電気泳動法とは、測定対象の粒子の分散液に電場をかけた際の、粒子の移動度、電場の強さ、分散液の粘度、誘電率を測定し、測定結果からゼータ電位を測定する方法である。上記測定の結果を図8に示す。
<Measurement of zeta potential of samples 1 to 5>
In addition, for each sample 1 to 5, an appropriate amount of a suspension of each particle before the dispersion L is prepared, and the zeta of NiO, YSZ, and PSL particles dispersed in the suspension of each particle. The potential was measured. Here, the surface charge of the particles in each suspension was measured using a zeta potential measuring device (Malvern Instruments Ltd, Zetasizer, Nano series, ZEN2600), and the zeta potential was measured using laser Doppler electrophoresis. Laser Doppler electrophoresis is the measurement of particle mobility, electric field strength, dispersion viscosity, and dielectric constant when an electric field is applied to a dispersion of particles to be measured. It is a method of measuring. The result of the measurement is shown in FIG.

図8に示すように、pHを酸性に調整したサンプル1〜3では、分散液中の各粒子のゼータ電位の符号が+となっており、その値も近似していた。これに対して、中性〜アルカリ性に調整したサンプル4,5では、YSZのゼータ電位の符号が−となっていた。
以上のことから、噴霧乾燥に提供する前の分散液のpHを酸性(ここではpH1〜pH4)に調整すると、分散液中の各粒子のゼータ電位の符号が等しくなり、表面に微細孔が多数形成された複合粒子が得られることが分かった。一方、分散液のpHを中性〜アルカリ性(ここではpH7〜pH10)に調整すると、分散液中においてYSZ粒子のゼータ電位のみが(−)となり他の二種の粒子と異符号となった結果、中空コア部と、該中空コア部を包囲するシェル部とから構成される複合粒子が得られることが分かった。
As shown in FIG. 8, in samples 1 to 3 whose pH was adjusted to be acidic, the sign of the zeta potential of each particle in the dispersion was +, and the value was also approximate. On the other hand, in the samples 4 and 5 adjusted to be neutral to alkaline, the sign of the zeta potential of YSZ was −.
From the above, when the pH of the dispersion before being provided for spray drying is adjusted to acidic (here, pH 1 to pH 4), the sign of the zeta potential of each particle in the dispersion becomes equal, and there are many fine pores on the surface. It was found that formed composite particles were obtained. On the other hand, when the pH of the dispersion was adjusted to neutral to alkaline (here, pH 7 to pH 10), only the zeta potential of the YSZ particles became (−) in the dispersion, resulting in a different sign from the other two types of particles. It was found that composite particles composed of a hollow core part and a shell part surrounding the hollow core part were obtained.

〈サンプル2のHR−TEM観察〉
次に、上述のSEMよりもさらに拡大して複合粒子を観察するために、高分解能透過電子顕微鏡(HR−TEM)でサンプル2を観察した。当該観察結果を図9に示す。
<HR-TEM observation of sample 2>
Next, sample 2 was observed with a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) in order to observe the composite particles further enlarged than the above-described SEM. The observation results are shown in FIG.

図9に示すように、サンプル2には長径140nm程度の楕円形の微細孔が形成されていた。また、微細孔の周辺にはニッケル粒子とジルコニア粒子とがほぼ均等に分布していた。すなわち、サンプル2の微細孔の周辺では、ニッケルとジルコニアと燃料ガスとが接触する三相界面が多数形成されていることがわかる。   As shown in FIG. 9, the sample 2 was formed with elliptical micropores having a major axis of about 140 nm. In addition, nickel particles and zirconia particles were distributed almost uniformly around the micropores. That is, it can be seen that a number of three-phase interfaces where nickel, zirconia, and fuel gas are in contact are formed around the micropores of sample 2.

次に、サンプル2に対して、水銀ポロシメーターを行ってサンプル2に形成されている微細孔の細孔径とサンプル2における気孔率を測定した。この測定結果を図10に示す。このグラフの右側の縦軸は「微分細孔容積」を示しており、プロットAに対応している。また、左側の縦軸は「積算細孔径容積」を示しており、プロットBに対応している。
このグラフ(図10)のプロットA(微分細孔容積)によると、サンプル2の複合粒子には、孔径が0.3μm〜7.0μmの微細孔が多く形成されており、特にその中でも0.3μmの微細孔が数多く形成されていることがわかった。このことから、サンプル2では、分散液に添加したPSL粒子の平均粒径(0.3μm)と同じ大きさの孔径を有した微細孔が多数形成されることがわかった。
また、プロットBの「積算細孔径容積」に基づいて計算を行った結果、サンプル2の気孔率が70%以上であった。このことから、上述のTEMやFE−SEMによる観察結果と同様に、サンプル2には多数の微細孔が形成されていることが分かった。
Next, a mercury porosimeter was applied to sample 2, and the pore diameter of the micropores formed in sample 2 and the porosity in sample 2 were measured. The measurement results are shown in FIG. The vertical axis on the right side of this graph represents “differential pore volume” and corresponds to plot A. The vertical axis on the left side indicates “integrated pore diameter volume” and corresponds to plot B.
According to the plot A (differential pore volume) of this graph (FIG. 10), the composite particles of sample 2 have many fine pores having a pore diameter of 0.3 μm to 7.0 μm, and in particular, the pore size is 0.8. It was found that many 3 μm fine holes were formed. From this, it was found that in sample 2, a large number of micropores having the same pore size as the average particle size (0.3 μm) of the PSL particles added to the dispersion were formed.
As a result of calculation based on the “integrated pore diameter volume” of plot B, the porosity of sample 2 was 70% or more. From this, it was found that a large number of micropores were formed in the sample 2 as in the above-described observation results by TEM and FE-SEM.

〈サンプル2の構成元素の分布〉
次に、サンプル2を構成する元素の分布を調べた。ここでは、サンプル2のTEM写真の撮影と、エネルギー分散X線スペクトラム解析と、ジルコニウム及びニッケルの元素マッピングを行った。これらの測定結果を図11に示す。図11の(a)はSEM写真、(b)はTEM写真、(c)はエネルギー分散X線スペクトラム解析の結果、(d)は元素マッピングの結果を示している。
図11(c)に示されるように、サンプル2に対してエネルギー分散X線スペクトラム解析を行うと、サンプル2にはニッケル元素とジルコニウム元素が多く含まれていることが分かった。ニッケル元素は、金属酸化物粒子としての酸化ニッケル(NiO)に由来し、ジルコニウム元素は、酸化物イオン伝導体粒子としてのイットリア安定化ジルコニア(YSZ)に由来するものと推察できる。
<Distribution of constituent elements of sample 2>
Next, the distribution of elements constituting Sample 2 was examined. Here, a TEM photograph of sample 2 was taken, energy dispersive X-ray spectrum analysis, and elemental mapping of zirconium and nickel were performed. The measurement results are shown in FIG. 11A is an SEM photograph, FIG. 11B is a TEM photograph, FIG. 11C is a result of energy dispersive X-ray spectrum analysis, and FIG. 11D is a result of element mapping.
As shown in FIG. 11C, when energy dispersive X-ray spectrum analysis was performed on sample 2, it was found that sample 2 contained a large amount of nickel element and zirconium element. It can be inferred that the nickel element is derived from nickel oxide (NiO) as metal oxide particles, and the zirconium element is derived from yttria-stabilized zirconia (YSZ) as oxide ion conductor particles.

次に、元素マッピングの結果(図11(d)参照)から、サンプル2ではニッケル元素とジルコニウム元素とが粒子全体においてほぼ均等に分布していた。このことから、サンプル2の複合粒子では、NiOとYSZとがほぼ均等に分布していることが分かった。
また、ニッケル元素が分布している面積を、ジルコニウム元素が分布している面積で割った値(Ni/Zr)を算出した結果、サンプル2の複合粒子ではNi/Zrの値が0.8〜1.2の範囲内となった。
Next, from the result of element mapping (see FIG. 11D), in Sample 2, the nickel element and the zirconium element were distributed almost uniformly throughout the particle. From this, it was found that in the composite particles of Sample 2, NiO and YSZ were distributed almost evenly.
Moreover, as a result of calculating a value (Ni / Zr) obtained by dividing the area where the nickel element is distributed by the area where the zirconium element is distributed, the Ni / Zr value of the composite particle of Sample 2 is 0.8 to It was within the range of 1.2.

〈サンプル2を用いたSOFCの電池性能評価〉
次に、上記サンプル2の複合粒子を燃料極の材料として用いて、試験用SOFCセルAを構築し、その電池特性を調べた。また、ここでは、セルAに対する比較例としてセルB,Cも構築し、その電池特性を調べた。
<Evaluation of SOFC battery performance using Sample 2>
Next, a test SOFC cell A was constructed using the composite particles of Sample 2 as the fuel electrode material, and the battery characteristics were examined. Here, cells B and C were also constructed as comparative examples for cell A, and the battery characteristics were examined.

〈セルA〉
ここでは、10gのサンプル2と、0.6gのメチルセルロース系バインダーを、4mlの水に分散させて、スラリー状の燃料極用成形材料を調製した。そして、スクリーンプリント法を用いて、固体電解質としてのイットリア安定化ジルコニア(8YSZディスク:25mm×1mm)の表面に上記燃料極用成形材料を印刷した後に、大気雰囲気下で焼成(1100℃、2時間)を行うことによって燃料極を形成した。
<Cell A>
Here, 10 g of sample 2 and 0.6 g of methylcellulose binder were dispersed in 4 ml of water to prepare a slurry-like molding material for fuel electrode. And after printing the said molding material for fuel electrodes on the surface of the yttria stabilized zirconia (8YSZ disk: 25mm * 1mm) as a solid electrolyte using a screen printing method, it baked in air | atmosphere (1100 degreeC, 2 hours) ) To form a fuel electrode.

また、平均粒径1μm〜10μm程度のLaSrO粉末(LSM)、バインダー、分散剤、溶媒)からなるスラリー状の空気極用成形材料を固体電解質の裏側にを印刷した後に、大気雰囲気下で焼成(1000℃、4時間)を行うことによって空気極を形成した。これによって、燃料極と空気極と固体電解質膜とから構成された試験用SOFCセルAを構築した。 In addition, a slurry-like air electrode molding material composed of LaSrO 3 powder (LSM) having an average particle size of about 1 μm to 10 μm, a binder, a dispersant, and a solvent) is printed on the back side of the solid electrolyte, and then fired in an air atmosphere. The air electrode was formed by performing (1000 degreeC, 4 hours). Thus, a test SOFC cell A composed of a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte membrane was constructed.

〈セルB〉
セルBでは、燃料極の材料として、サンプル2を用いるかわりにNiO粉末(平均粒径3μm)とYSZ粉末(平均粒径0.3μm)を6:4で混合した粉末を用いた。なお、セルBを構築するにあたり、燃料極の材料に上述の粉末を用いた以外は上記セルAと同じプロセスを行った。
<Cell B>
In the cell B, instead of using the sample 2 as the material for the fuel electrode, a powder obtained by mixing NiO powder (average particle size 3 μm) and YSZ powder (average particle size 0.3 μm) at 6: 4 was used. In constructing the cell B, the same process as the cell A was performed except that the above-mentioned powder was used as the material of the fuel electrode.

〈セルC〉
また、セルCでは、サンプル2のかわりにNiO粉末(平均粒径3μm)とスカンジア安定化ジルコニア(10ScSZ)粉末(平均粒径0.6μm)を6:4で混合した粉末を用いた。当該10ScSZ粉末は、上述のYSZ粉末に比べてイオン伝導率が高く、SOFCの出力密度を高めることができる反面、YSZ粉末に比べてコストの面で劣ると言う特徴を有している。なお、セルCも、燃料極の材料に上述の粉末を用いた以外は上記セルAと同じプロセスで構築されている。
<Cell C>
In cell C, a powder obtained by mixing NiO powder (average particle size 3 μm) and scandia-stabilized zirconia (10ScSZ) powder (average particle size 0.6 μm) at a ratio of 6: 4 was used instead of sample 2. The 10ScSZ powder has a higher ionic conductivity than the above-described YSZ powder and can increase the output density of SOFC, but has a feature that it is inferior in cost compared to the YSZ powder. The cell C is also constructed by the same process as the cell A except that the above powder is used as the material for the fuel electrode.

〈セルA〜Cの相対出力密度の測定〉
上述のようにして構築した各々のSOFCセルA〜Cの各々の出力密度を測定した。具体的には、セルの温度を800℃に維持しながら、燃料極に燃料ガス(加湿した水素ガス)を供給するとともに空気極に空気を供給して各セルA〜Cを発電させた。そして、電圧が0.7Vの時の電流値を測定し、電圧0.7V時の電流値を基準とした場合の最大出力密度を測定した。次に、基準となるセルとしてセルBを選出し、セルBの最大出力密度に対するセルA,Cの最大出力密度を相対的に比較した。このときの値を「相対出力密度」と定め、セルBの「相対出力密度」を100とした上で、セルA、Cの「相対出力密度」を算出した。この算出結果を表2に示す。
<Measurement of relative power density of cells A to C>
The power density of each of the SOFC cells A to C constructed as described above was measured. Specifically, while maintaining the cell temperature at 800 ° C., fuel gas (humidified hydrogen gas) was supplied to the fuel electrode and air was supplied to the air electrode to generate power in each of the cells A to C. Then, the current value when the voltage was 0.7 V was measured, and the maximum output density when the current value when the voltage was 0.7 V was used as a reference. Next, cell B was selected as a reference cell, and the maximum output densities of cells A and C relative to the maximum output density of cell B were relatively compared. The value at this time was defined as “relative output density”, the “relative output density” of cell B was set to 100, and the “relative output density” of cells A and C was calculated. Table 2 shows the calculation results.

表2に示すように、セルAの方がセルBよりも相対的に高い出力密度を有していた。このことから、燃料極の材料として同種の金属酸化物粒子(NiO粒子)と酸化物イオン伝導体粒子(YSZ粒子)を用いた場合であっても、ここで開示される複合粒子を用いた方がより高い出力密度を得られることが分かった。
また、セルAとセルCとを比較した場合、セルCは、セルAよりもイオン伝導率の高い酸化物イオン伝導体粒子(10ScSZ)を燃料極の材料として用いているが、セルAの方がセルCよりも出力密度が高くなっていた。このことから、ここで開示される複合粒子を用いて燃料極を構成すると、高コストの酸化物イオン伝導体を用いなくても、SOFCの出力密度を大幅に向上できることが分かった。
As shown in Table 2, the cell A had a relatively higher power density than the cell B. Therefore, even when the same kind of metal oxide particles (NiO particles) and oxide ion conductor particles (YSZ particles) are used as the material for the fuel electrode, the composite particles disclosed here are used. It was found that higher power density can be obtained.
When cell A and cell C are compared, cell C uses oxide ion conductor particles (10 ScSZ) having higher ionic conductivity than cell A as the material for the fuel electrode. However, the power density was higher than that of the cell C. From this, it was found that when the fuel electrode is constituted by using the composite particles disclosed herein, the output density of SOFC can be greatly improved without using a high-cost oxide ion conductor.

ここで開示される製造方法によって製造される複合粒子は、SOFCの燃料極の材料として用いることができる。このとき、燃料極における三相界面の数を増加させ、SOFCの出力特性を大幅に向上させることができる。   The composite particles produced by the production method disclosed herein can be used as a fuel electrode material for SOFC. At this time, the number of three-phase interfaces in the fuel electrode can be increased, and the output characteristics of the SOFC can be greatly improved.

10 燃料極
20 空気極
30 固体電解質膜
40 ガス管
50 セル
100 固体酸化物形燃料電池(SOFC)
110 噴霧部
112 二流体ノズル
114 ガス供給ユニット
120 チャンバー
122 ガス供給ライン
124 ヒータ
130 捕集部
132 集塵装置
134 ドレン分離器
140 焼成炉
142 加熱ガス供給ユニット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel electrode 20 Air electrode 30 Solid electrolyte membrane 40 Gas pipe 50 Cell 100 Solid oxide fuel cell (SOFC)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 110 Spray part 112 Two-fluid nozzle 114 Gas supply unit 120 Chamber 122 Gas supply line 124 Heater 130 Collection part 132 Dust collector 134 Drain separator 140 Firing furnace 142 Heating gas supply unit

Claims (13)

触媒として機能する金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子とを含み、固体酸化物形燃料電池の燃料極の材料として用いられる複合粒子を製造する方法であって、
前記金属酸化物粒子及び前記酸化物イオン伝導体粒子を、加熱によって分解・蒸発する有機高分子化合物を主成分とするポリマー粒子とともに分散媒中に分散させた分散液を用意すること;
前記分散液を液滴としてチャンバー内に噴霧すること;
前記液滴を前記チャンバー内で加熱することにより、前記分散液から前記分散媒を除去して、前記金属酸化物粒子と前記酸化物イオン伝導体粒子と前記ポリマー粒子とが凝集してなる凝集体を得ること;
前記凝集体を焼成して前記ポリマー粒子を構成する成分を除去することにより複合粒子を得ること;
を包含し、
ここで前記分散液のpHを、前記金属酸化物粒子と前記酸化物イオン伝導体粒子と前記ポリマー粒子のゼータ電位の符号が等しくなるように調整し、該pH調整された分散液を前記チャンバー内に噴霧することを特徴とする、製造方法。
A method for producing composite particles comprising metal oxide particles functioning as a catalyst and oxide ion conductor particles and used as a material for a fuel electrode of a solid oxide fuel cell,
Preparing a dispersion in which the metal oxide particles and the oxide ion conductor particles are dispersed in a dispersion medium together with polymer particles mainly composed of organic polymer compounds that are decomposed and evaporated by heating ;
Spraying the dispersion into the chamber as droplets;
Aggregates formed by heating the droplets in the chamber to remove the dispersion medium from the dispersion and agglomerating the metal oxide particles, the oxide ion conductor particles, and the polymer particles. To obtain;
Firing the agglomerates to remove the components constituting the polymer particles to obtain composite particles;
It encompasses,
Here, the pH of the dispersion is adjusted so that the signs of the zeta potentials of the metal oxide particles, the oxide ion conductor particles, and the polymer particles are equal, and the pH-adjusted dispersion is adjusted in the chamber. The manufacturing method characterized by spraying .
前記分散液のpHを、pH1〜pH4に調整する、請求項に記載の製造方法。 The pH of the dispersion is adjusted to PH1~pH4, The method according to claim 1. 触媒として機能する金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子とを含み、固体酸化物形燃料電池の燃料極の材料として用いられる複合粒子を製造する方法であって、
前記金属酸化物粒子及び前記酸化物イオン伝導体粒子を、加熱によって分解・蒸発する有機高分子化合物を主成分とするポリマー粒子とともに分散媒中に分散させた分散液を用意すること;
前記分散液を液滴としてチャンバー内に噴霧すること;
前記液滴を前記チャンバー内で加熱することにより、前記分散液から前記分散媒を除去して、前記金属酸化物粒子と前記酸化物イオン伝導体粒子と前記ポリマー粒子とが凝集してなる凝集体を得ること;
前記凝集体を焼成して前記ポリマー粒子を構成する成分を除去することにより複合粒子を得ること;
を包含し、
ここで前記分散液のpHを、前記金属酸化物粒子と前記酸化物イオン伝導体粒子と前記ポリマー粒子のうちのいずれか一種の粒子のゼータ電位が他の二種の粒子のゼータ電位と異符号になるように調整し、該pH調整された分散液を前記チャンバー内に噴霧することを特徴とする、製造方法。
A method for producing composite particles comprising metal oxide particles functioning as a catalyst and oxide ion conductor particles and used as a material for a fuel electrode of a solid oxide fuel cell,
Preparing a dispersion in which the metal oxide particles and the oxide ion conductor particles are dispersed in a dispersion medium together with polymer particles mainly composed of organic polymer compounds that are decomposed and evaporated by heating;
Spraying the dispersion into the chamber as droplets;
Aggregates formed by heating the droplets in the chamber to remove the dispersion medium from the dispersion and agglomerating the metal oxide particles, the oxide ion conductor particles, and the polymer particles. To obtain;
Firing the agglomerates to remove the components constituting the polymer particles to obtain composite particles;
Including
Here, the pH of the dispersion is different from the zeta potential of any one of the metal oxide particles, the oxide ion conductor particles, and the polymer particles. adjusted to, characterized by spraying the pH adjusted dispersion into the chamber method.
前記分散液のpHを、pH7〜pH10に調整する、請求項に記載の製造方法。 The manufacturing method of Claim 3 which adjusts pH of the said dispersion liquid to pH7-pH10. 前記ポリマー粒子として、平均粒径が50nm〜500nmであるポリマー粒子を使用する、請求項1〜の何れか一項に記載の製造方法。 The production method according to any one of claims 1 to 4 , wherein polymer particles having an average particle diameter of 50 nm to 500 nm are used as the polymer particles. 前記金属酸化物粒子として、平均粒径が1nm〜50nmである金属酸化物粒子を使用する、請求項1〜の何れか一項に記載の製造方法。 The manufacturing method according to any one of claims 1 to 5 , wherein metal oxide particles having an average particle diameter of 1 nm to 50 nm are used as the metal oxide particles. 前記酸化物イオン伝導体粒子として、平均粒径が1nm〜50nmである酸化物イオン伝導体粒子を使用する、請求項1〜の何れか一項に記載の製造方法。 The manufacturing method as described in any one of Claims 1-6 which uses the oxide ion conductor particle whose average particle diameter is 1 nm-50 nm as said oxide ion conductor particle. 前記酸化物イオン伝導体粒子(C)に対する前記金属酸化物粒子(M)の質量比M/Cが0.5〜3の範囲内になるように前記分散液を調製する、請求項1〜の何れか一項に記載の製造方法。 The dispersions are prepared wherein such mass ratio M / C of the metal oxide particles to oxide ion conductor particles (C) (M) is within the range of 0.5 to 3, claim 1-7 The manufacturing method as described in any one of these. 前記金属酸化物粒子として酸化ニッケル粒子を用いる、請求項1〜の何れか一項に記載の製造方法。 The manufacturing method according to any one of claims 1 to 8 , wherein nickel oxide particles are used as the metal oxide particles. 前記酸化物イオン伝導体粒子としてジルコニア粒子を用いる、請求項1〜の何れか一項に記載の製造方法。 The manufacturing method according to any one of claims 1 to 9 , wherein zirconia particles are used as the oxide ion conductor particles. 固形酸化物形燃料電池の燃料極に用いられる複合粒子であって、
触媒として機能する金属酸化物粒子と酸化物イオン伝導体粒子とを含み、
前記金属酸化物粒子と前記酸化物イオン伝導体粒子とがほぼ均等に分布しており、
表面に複数の微細孔が形成されており前記複合粒子における気孔率が50%〜95%である、複合粒子。
Composite particles used for a fuel electrode of a solid oxide fuel cell,
Including metal oxide particles and oxide ion conductor particles that function as a catalyst,
The metal oxide particles and the oxide ion conductor particles are distributed almost evenly,
A composite particle in which a plurality of micropores are formed on a surface, and the porosity of the composite particle is 50% to 95% .
前記微細孔の平均孔径が10nm〜500nmである、請求項11に記載の複合粒子。 The composite particles according to claim 11 , wherein the average pore diameter of the micropores is 10 nm to 500 nm. 請求項11または12に記載の複合粒子を燃料極に用いてなる固体酸化物形燃料電池。
A solid oxide fuel cell comprising the composite particle according to claim 11 as a fuel electrode.
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