JP7184270B2 - Manufacturing method of porous ceramic sintered body - Google Patents

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Description

本発明は、多孔質セラミックス焼結体の製造方法に関する。特に、本発明は、デンプンを造孔剤に用いた酸化物イオン・電子混合伝導体からなる多孔質セラミックス焼結体の製造方法に関する。
The present invention relates to a method for producing a porous ceramic sintered body . In particular, the present invention relates to a method for producing a porous ceramic sintered body comprising an oxide ion/electron mixed conductor using starch as a pore-forming agent.

多孔質材料は、吸着材、フィルタ、触媒担体、リアクタ、断熱材、消音材、建材等に使用される。このような多孔質材料の中でも連通孔を有し、気孔率の高いセラミック多孔体(多孔質セラミックスとも称する)の製造方法が知られている(例えば、特許文献1および2を参照)。 Porous materials are used for adsorbents, filters, catalyst carriers, reactors, heat insulators, sound deadeners, building materials and the like. Among such porous materials, methods for producing ceramic porous bodies (also referred to as porous ceramics) having continuous pores and high porosity are known (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

特許文献1によれば、ゲル化可能な水溶性高分子の水溶液にセラミック粉体を分散したスラリーを、ゲル化、凍結、解凍、乾燥、焼結してセラミック多孔体を製造する方法が開示される。特許文献1によれば、水溶性高分子のゲル化および凍結により、水溶性高分子ゲル中に氷の結晶を生成し、それが乾燥によって除去されて気孔となる。また、特許文献1では、水溶性高分子としてデンプンを使用することを開示しているが、水溶性高分子は一時的にセラミックス粉体等の組織を固定化するに過ぎず、気孔源として機能しない。また、特許文献1では、ゲル化および凍結における氷の結晶のサイズが粗大化するという問題があった。 Patent Document 1 discloses a method of producing a ceramic porous body by gelling, freezing, thawing, drying, and sintering a slurry in which ceramic powder is dispersed in an aqueous solution of a gellable water-soluble polymer. be. According to Patent Document 1, gelation and freezing of the water-soluble polymer produces ice crystals in the water-soluble polymer gel, which are removed by drying to form pores. In addition, Patent Document 1 discloses the use of starch as a water-soluble polymer, but the water-soluble polymer only temporarily fixes the structure of ceramic powder or the like, and functions as a pore source. do not do. Moreover, in Patent Document 1, there is a problem that the size of ice crystals becomes coarse during gelation and freezing.

特許文献2によれば、ナトリウムイオン、カリウムイオン、マグネシウムイオン、カルシウムイオン、水酸化物イオン、炭酸イオン等の氷結晶粗大化抑制剤を用いることにより、特許文献1の問題を解決し、細孔のサイズが10μm~300μmで制御された多孔体が製造される。しかしながら、氷結晶粗大化抑制剤として添加したイオンは、除去されず、多孔体中に残るという問題があった。したがって、不要なイオンを含有することなく、細孔径等を制御した多孔体の製造方法が開発されることが望ましい。 According to Patent Document 2, by using an ice crystal coarsening inhibitor such as sodium ion, potassium ion, magnesium ion, calcium ion, hydroxide ion, carbonate ion, etc., the problem of Patent Document 1 is solved, and pores A porous body with a size controlled at 10 μm to 300 μm is produced. However, there is a problem that the ions added as an ice crystal coarsening inhibitor remain in the porous body without being removed. Therefore, it is desirable to develop a method for producing a porous body in which the pore size and the like are controlled without containing unnecessary ions.

また、酸化物イオン・電子混合伝導体からなる多孔質セラミックスを支持層としてその上に酸素分離活性層を備えた酸素分離膜が知られている(例えば、特許文献3を参照)。特許文献3によれば、支持層と酸素分離活性層とが、一般式、
A’1-XB’1-y3-α
で表されることを開示する。ここで、式中、0<xであり、y<0.5であり、αは、電気的中性を保つための数値であり、Aは、ランタノイド元素、Ca、Sr、およびBaよりなる群の中から選ばれた少なくとも1つの元素であり、A’は、上記Aで選択された元素を除く、ランタノイド元素、Ca、Sr、およびBaよりなる群の中から選ばれた少なくとも1つの元素であり、Bは、Ti、Zr、Ce、Nb、Ta、およびGaよりなる群の中から選ばれた少なくとも1つの元素であり、B’は、Fe、Co、Cr、およびYよりなる群の中から選ばれた少なくとも1つの元素である。
Also known is an oxygen separation membrane comprising a support layer made of porous ceramics made of an oxide ion/electron mixed conductor and an oxygen separation active layer thereon (see, for example, Patent Document 3). According to Patent Document 3, the support layer and the oxygen separation active layer are represented by the general formula,
A x A' 1-X B y B' 1-y O 3-α
Disclose that it is represented by Here, in the formula, 0 < x, y < 0.5, α is a numerical value for maintaining electrical neutrality, A is a lanthanoid element, Ca, Sr, and the group consisting of Ba and A' is at least one element selected from the group consisting of lanthanoid elements, Ca, Sr, and Ba, excluding the elements selected in A above. B is at least one element selected from the group consisting of Ti, Zr, Ce, Nb, Ta, and Ga; and B' is from the group consisting of Fe, Co, Cr, and Y is at least one element selected from

しかしながら、この場合であっても、支持層の連通性は十分ではなく、さらなる改良が求められていた。 However, even in this case, the continuity of the support layer is not sufficient, and further improvement has been desired.

特開2008-201636号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-201636 特開2011-038072号公報JP 2011-038072 A 特開2009-101310号公報JP 2009-101310 A

以上から、本発明の課題は、連通性に優れた酸化物イオン・電子混合伝導体からなる多孔質セラミックス焼結体の製造方法を提供することである。本発明のさらなる課題は、気孔径、開気孔率を制御した連通性に優れた多孔質セラミックス焼結体を製造する方法を提供することである。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a method for producing a porous ceramic sintered body comprising an oxide ion/electron mixed conductor with excellent connectivity. A further object of the present invention is to provide a method for producing a porous ceramic sintered body with controlled pore diameter and open porosity and excellent communication.

本発明による多孔質セラミックス焼結体は、酸化物イオン・電子混合伝導体からなり、連通する気孔を有し、19%以上81%以下の範囲を満たす開気孔率を有し、19%以上80%以下の範囲を満たす相対密度を有し、0.5μm以上100μm以下の範囲を満たす気孔径を有し、これにより上記課題を解決する。
前記酸化物イオン・電子混合伝導体は、ランタンストロンチウムマンガン酸化物(LSM)、ランタンストロンチウム鉄酸化物(LSF)、ランタンストロンチウムコバルト酸化物(LSC)、ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物(LSCF)、サマリウムストロンチウムコバルト酸化物(SSC)、ビスマステルニウム酸化物、バリウムストロンチウムコバルト鉄酸化物(BSCF)、ランタンストロンチウムガリウムコバルト酸化物、ランタンストロンチウムガリウム鉄酸化物、ランタンストロンチウムガリウムニッケル酸化物、カルシウムチタン鉄酸化物、セリウムプラセオジム酸化物、ガトリニウムセリウムプラセオジム酸化物、イットリウム安定化ビスマス-銀(BYS/Ag)、エルビウム安定化ビスマス-金(ESB/Au)、ビスマスカルシウム酸化物、ビスマスイットリウム銅酸化物、ビスマスイットリウムサマリウム酸化物、および、ビスマスエルビウム酸化物からなる群から選択されてもよい。
50%以上75%以下の範囲を満たす開気孔率を有し、23%以上50%以下の範囲を満たす相対密度を有し、0.5μm以上20μm以下の範囲を満たす気孔径を有してもよい。
0.05%以上4.0%以下の範囲を満たす閉気孔率を有してもよい。
前記酸化物イオン・電子混合伝導体は、バリウムストロンチウムコバルト鉄酸化物(BSCF)であり、1.5×10-3S・cm-1以上の電気伝導率を有してもよい。
本発明による酸化物イオン・電子混合伝導体からなり、連通する気孔を有する多孔質セラミックスを製造する方法は、前記酸化物イオン・電子混合伝導体であるセラミックス粒子と、デンプンとを、少なくとも水を含有する分散媒中で混合するステップと、前記混合するステップで得られた混合物を50℃以上150℃以下の温度範囲で加熱し、前記デンプンを糊化させるステップと、前記加熱し、糊化させるステップで得られた糊化体を-5℃以上10℃以下の温度範囲を満たす第1の条件で保持し、次いで、-10℃以下の温度範囲を満たす第2の条件で保持し、前記デンプンを老化させるステップと、前記老化させるステップで得られた老化体を乾燥させ、前記分散媒を除去するステップと、前記除去するステップで得られた成形体を焼成するステップとを包含し、これにより上記課題を解決する。
前記混合するステップは、100重量部の前記セラミックス粒子に対して、20重量部以上75重量部以下の範囲の前記デンプンを、前記分散媒中で混合してもよい。
前記混合するステップは、100重量部の前記セラミックス粒子に対して、30重量部以上70重量部以下の範囲の前記デンプンを、前記分散媒中で混合してもよい。
前記混合するステップは、前記分散媒中の前記セラミックス粒子および前記デンプンの濃度が0.2g/mL以上0.6g/mL以下を満たすように混合してもよい。
前記混合するステップは、前記分散媒中の前記セラミックス粒子および前記デンプンの濃度が0.3g/mL以上0.5g/mL以下を満たすように混合してもよい。
前記混合するステップにおいて、分散媒はアルコールを含有し、前記アルコールと前記水とは、質量%で、0:100~70:30の割合で混合されていてもよい。
前記混合するステップにおいて、前記デンプンは、アミロースとアミロペクチンとを含有し、前記アミロペクチンは前記アミロースよりも質量%で多く含有してもよい。
前記アミロースと前記アミロペクチンとは、質量%で、アミロース:アミロペクチン=5:95~40:60を満たしてもよい。
前記アミロースと前記アミロペクチンとは、質量%で、アミロース:アミロペクチン=15:85~25:75を満たしてもよい。
前記混合するステップにおいて、前記セラミックスの粒子は、0.3μm以上1μm以下の範囲の粒径を有し、前記デンプンは、1μmより大きく50μm以下の範囲の粒径を有してもよい。
前記糊化させるステップは、前記混合物を、100℃以上130℃以下の温度範囲で30分以上2時間以下の時間、攪拌しながら加熱してもよい。
前記老化させるステップにおいて、前記第1の条件は、前記糊化体を、-2℃以上5℃以下の温度範囲で30分以上2.5時間以下の時間保持してもよい。
前記老化させるステップにおいて、前記第2の条件は、前記糊化体を、-200℃以上-100℃以下の温度範囲で5秒以上10秒以下の時間保持するか、または、-100℃より高く-15℃以下の温度範囲で1時間以上24時間以下の時間保持してもよい。
前記分散媒を除去するステップは、大気圧乾燥または真空凍結乾燥によって行われてもよい。
前記大気圧乾燥は、前記老化体を、40℃以上60℃以下の温度範囲で1時間以上3時間以下の時間乾燥させてもよい。
前記真空凍結乾燥は、前記老化体を、1×10-3atm以下の圧力で24時間より長く72時間以下の時間乾燥させてもよい。
前記分散媒を除去するステップは、前記老化体から40%以上90%以下の範囲を有する開気孔率を有する成形体が得られるまで行ってもよい。
本発明による酸化物イオン・電子混合伝導体を含有する固体酸化物型燃料電池用の空気極は、前記酸化物イオン・電子混合伝導体は、上述の多孔質セラミックス焼結体であり、これにより上記課題を解決する。
本発明による支持体と、支持体上に位置する酸素分離活性層とを備えた酸素透過膜は、前記支持体は、上述の多孔質セラミックス焼結体からなり、前記酸素分離活性層は、前記多孔質セラミックス焼結体を構成する酸化物イオン・電子混合伝導体と同じ酸化物イオン・電子混合伝導体からなり、これにより上記課題を解決する。
The porous ceramic sintered body according to the present invention is composed of an oxide ion/electron mixed conductor, has communicating pores, has an open porosity satisfying the range of 19% to 81%, and has an open porosity of 19% to 80%. % or less, and has a pore diameter that satisfies the range of 0.5 μm or more and 100 μm or less, thereby solving the above problems.
The oxide ion/electron mixed conductor includes lanthanum strontium manganese oxide (LSM), lanthanum strontium iron oxide (LSF), lanthanum strontium cobalt oxide (LSC), lanthanum strontium cobalt iron oxide (LSCF), and samarium strontium. cobalt oxide (SSC), bismusternium oxide, barium strontium cobalt iron oxide (BSCF), lanthanum strontium gallium cobalt oxide, lanthanum strontium gallium iron oxide, lanthanum strontium gallium nickel oxide, calcium titanium iron oxide, Cerium praseodymium oxide, gatolinium cerium praseodymium oxide, yttrium-stabilized bismuth-silver (BYS/Ag), erbium-stabilized bismuth-gold (ESB/Au), bismuth calcium oxide, bismuth yttrium copper oxide, bismuth yttrium It may be selected from the group consisting of samarium oxide and bismuth erbium oxide.
It has an open porosity that satisfies the range of 50% or more and 75% or less, has a relative density that satisfies the range of 23% or more and 50% or less, and has a pore diameter that satisfies the range of 0.5 μm or more and 20 μm or less. good.
It may have a closed porosity that satisfies the range of 0.05% or more and 4.0% or less.
The mixed oxide ion-electron conductor may be barium strontium cobalt iron oxide (BSCF) and have an electrical conductivity of 1.5×10 −3 S·cm −1 or higher.
According to the present invention, there is provided a method for producing a porous ceramic comprising a mixed oxide ion/electron conductor and having communicating pores, comprising: adding at least water to ceramic particles of the oxide ion/electron mixed conductor; mixing in the containing dispersion medium; heating the mixture obtained in the mixing step in a temperature range of 50° C. or higher and 150° C. or lower to gelatinize the starch; The gelatinized product obtained in the step is held under a first condition that satisfies a temperature range of −5° C. or higher and 10° C. or lower, then held under a second condition that satisfies a temperature range of −10° C. or lower, and the starch is drying the aged body obtained in the aging step to remove the dispersion medium; and firing the molded body obtained in the removing step, whereby To solve the above problems.
In the mixing step, 20 parts by weight or more and 75 parts by weight or less of the starch may be mixed with 100 parts by weight of the ceramic particles in the dispersion medium.
In the mixing step, 30 parts by weight or more and 70 parts by weight or less of the starch may be mixed with 100 parts by weight of the ceramic particles in the dispersion medium.
In the mixing step, the concentration of the ceramic particles and the starch in the dispersion medium may be 0.2 g/mL or more and 0.6 g/mL or less.
In the mixing step, the concentration of the ceramic particles and the starch in the dispersion medium may be 0.3 g/mL or more and 0.5 g/mL or less.
In the mixing step, the dispersion medium may contain an alcohol, and the alcohol and the water may be mixed in a mass % ratio of 0:100 to 70:30.
In the mixing step, the starch may contain amylose and amylopectin, and the amylopectin may contain more mass % than the amylose.
The amylose and the amylopectin may satisfy amylose:amylopectin=5:95 to 40:60 in mass %.
The amylose and the amylopectin may satisfy amylose:amylopectin=15:85 to 25:75 in mass %.
In the mixing step, the ceramic particles may have a particle size ranging from 0.3 μm to 1 μm, and the starch may have a particle size ranging from 1 μm to 50 μm.
In the gelatinization step, the mixture may be heated in a temperature range of 100° C. or higher and 130° C. or lower for a period of 30 minutes or longer and 2 hours or shorter while being stirred.
In the aging step, the first condition may be that the gelatinized product is held in a temperature range of −2° C. or higher and 5° C. or lower for 30 minutes or longer and 2.5 hours or shorter.
In the aging step, the second condition is that the gelatinized product is held in a temperature range of -200°C or higher and -100°C or lower for 5 seconds or longer and 10 seconds or shorter, or higher than -100°C. A temperature range of −15° C. or lower may be maintained for 1 hour or more and 24 hours or less.
The step of removing the dispersion medium may be performed by atmospheric pressure drying or vacuum freeze drying.
In the atmospheric pressure drying, the aged body may be dried in a temperature range of 40° C. or higher and 60° C. or lower for 1 hour or longer and 3 hours or shorter.
The vacuum freeze-drying may dry the aged body at a pressure of 1×10 −3 atm or less for a time of greater than 24 hours and less than or equal to 72 hours.
The step of removing the dispersion medium may be performed until a molded article having an open porosity in the range of 40% to 90% is obtained from the aged article.
An air electrode for a solid oxide fuel cell containing an oxide ion/electron mixed conductor according to the present invention, wherein the oxide ion/electron mixed conductor is the porous ceramic sintered body described above, To solve the above problems.
According to the present invention, there is provided an oxygen permeable membrane comprising a support and an oxygen separation active layer positioned on the support, wherein the support comprises the porous ceramic sintered body described above, and the oxygen separation active layer comprises the above It consists of the same oxide ion/electron mixed conductor as the oxide ion/electron mixed conductor constituting the porous ceramic sintered body, thereby solving the above problems.

本発明の多孔質セラミックス焼結体は、酸化物イオン・電子混合伝導体からなり、連通する気孔を有し、19%以上81%以下の範囲を満たす開気孔率を有し、19%以上80%以下の範囲を満たす相対密度を有し、0.5μm以上100μm以下の範囲を満たす気孔径を有するので、通気性および取り扱いに優れる。このような多孔質セラミックス焼結体は、酸化物イオン・電子混合伝導体からなり、通気性に優れるので、燃料電池の空気極に有利である。また、本発明の多孔質セラミックス焼結体は、高い通気性を有しつつ、強度を維持するので、その上に酸素分離活性層を形成する支持体として機能し、全体として強度に優れた酸素透過膜を提供できる。 The porous ceramic sintered body of the present invention comprises an oxide ion/electron mixed conductor, has communicating pores, has an open porosity satisfying the range of 19% to 81%, and has an open porosity of 19% to 80%. % or less and has a pore diameter in the range of 0.5 μm or more and 100 μm or less. Such a porous ceramic sintered body is made of a mixed oxide ion/electron conductor and is excellent in air permeability, so it is advantageous for the air electrode of a fuel cell. In addition, since the porous ceramic sintered body of the present invention has high air permeability and maintains strength, it functions as a support for forming an oxygen separation active layer thereon, and as a whole has excellent strength. A permeable membrane can be provided.

本発明の酸化物イオン・電子混合伝導体からなり、連通する気孔を有する多孔質セラミックスを製造する方法は、酸化物イオン・電子混合伝導体であるセラミックスの粒子と、デンプンとを、少なくとも水を含有する分散媒中で混合するステップと、その混合物を50℃以上150℃以下の温度範囲で加熱し、デンプンを糊化させるステップと、その糊化体を-5℃以上10℃以下の温度範囲を満たす第1の条件で保持し、次いで、-10℃以下の温度範囲を満たす第2の条件で保持し、デンプンを老化させるステップと、その老化体を乾燥させ、分散媒を除去するステップと、その成形体を焼成するステップとを包含する。このようなステップにより、デンプンが造孔剤として機能し、デンプンの糊化および老化現象を利用し、連通した気孔を有する多孔質セラミックスを製造できる。 The method for producing a porous ceramic comprising an oxide ion/electron mixed conductor and having communicating pores according to the present invention comprises mixing particles of a ceramic that is an oxide ion/electron mixed conductor, starch, and at least water. a step of mixing in the containing dispersion medium, a step of heating the mixture in a temperature range of 50° C. or higher and 150° C. or lower to gelatinize the starch, and a step of gelatinizing the gelatinized product in a temperature range of −5° C. or higher and 10° C. or lower. and then holding at a second condition satisfying a temperature range of −10° C. or less to retrograde the starch; , and firing the compact. Through these steps, the starch functions as a pore-forming agent, and the gelatinization and aging phenomena of starch can be used to produce porous ceramics with interconnected pores.

本発明の多孔質セラミックス焼結体を模式的に示す図FIG. 1 is a diagram schematically showing the porous ceramic sintered body of the present invention; 本発明の多孔質セラミックス焼結体を製造するステップを示すフローチャートFlowchart showing steps for manufacturing the porous ceramic sintered body of the present invention 本発明の多孔質セラミックス焼結体を製造するプロシージャを示す図A diagram showing the procedure for manufacturing the porous ceramic sintered body of the present invention. 本発明の多孔質セラミックス焼結体を用いた酸素透過膜を示す模式図Schematic diagram showing an oxygen-permeable membrane using the porous ceramic sintered body of the present invention. 例16、例19、例23および例27の成形体の破断面のSEM像を示す図SEM images of fracture surfaces of molded articles of Examples 16, 19, 23 and 27 種々の例の焼結体の破断面のSEM像を示す図Figures showing SEM images of fracture surfaces of sintered bodies of various examples 別の種々の例の焼結体の破断面のSEM像を示す図Figures showing SEM images of fracture surfaces of sintered bodies of various other examples さらに別の例の焼結体の破断面のSEM像を示す図A diagram showing a SEM image of a fracture surface of a sintered body of yet another example 分散媒中の水の含有量と開気孔率および相対密度との関係を示す図Diagram showing the relationship between water content in dispersion medium and open porosity and relative density 焼成温度と開気孔率との関係を示す図Diagram showing the relationship between firing temperature and open porosity

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、同様の要素には同様の番号を付し、その説明を省略する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same number is given to the same element, and the description is omitted.

(実施の形態1)
実施の形態1では、本発明の多孔質セラミックス焼結体およびその製造方法を説明する。
(Embodiment 1)
Embodiment 1 describes a porous ceramic sintered body and a method for producing the same according to the present invention.

図1は、本発明の多孔質セラミックス焼結体を模式的に示す図である。 FIG. 1 is a diagram schematically showing the porous ceramic sintered body of the present invention.

本発明の多孔質セラミックス焼結体100は、酸化物イオン・電子混合伝導体110からなる。酸化物イオン・電子混合伝導体110は任意の混合伝導体であってよいが、ペロブスカイト型混合伝導体、蛍石型混合伝導体、サーメット型混合伝導体、スピネル型酸化物等が知られている。具体的には、ランタンストロンチウムマンガン酸化物(LSM)、ランタンストロンチウム鉄酸化物(LSF)、ランタンストロンチウムコバルト酸化物(LSC)、ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物(LSCF)、サマリウムストロンチウムコバルト酸化物(SSC)、ビスマステルニウム酸化物、バリウムストロンチウムコバルト鉄酸化物(BSCF)、ランタンストロンチウムガリウムコバルト酸化物、ランタンストロンチウムガリウム鉄酸化物、ランタンストロンチウムガリウムニッケル酸化物、カルシウムチタン鉄酸化物、セリウムプラセオジム酸化物、ガトリニウムセリウムプラセオジム酸化物、イットリウム安定化ビスマス-銀(BYS/Ag)、エルビウム安定化ビスマス-金(ESB/Au)、ビスマスカルシウム酸化物、ビスマスイットリウム銅酸化物、ビスマスイットリウムサマリウム酸化物、および、ビスマスエルビウム酸化物からなる群から選択される。これらは、酸化物イオン・電子混合伝導体として公知の材料であり、本発明の多孔質セラミックス焼結体を製造する原料としても入手容易である。用途に応じて選択されるが、例えば、本発明の多孔質セラミックス焼結体を酸素透過膜や燃料電池の空気極に使用する場合には、酸素透過性に優れたBSCFが好ましい。中でも、Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.23-δ(δは電気的中性を示すための数値であり、0.2<δ<0.6)がよい。 The porous ceramic sintered body 100 of the present invention comprises an oxide ion/electron mixed conductor 110 . The oxide ion-electron mixed conductor 110 may be any mixed conductor, but perovskite mixed conductors, fluorite mixed conductors, cermet mixed conductors, spinel oxides, etc. are known. . Specifically, lanthanum strontium manganese oxide (LSM), lanthanum strontium iron oxide (LSF), lanthanum strontium cobalt oxide (LSC), lanthanum strontium cobalt iron oxide (LSCF), samarium strontium cobalt oxide (SSC). , bismuth sternium oxide, barium strontium cobalt iron oxide (BSCF), lanthanum strontium gallium cobalt oxide, lanthanum strontium gallium iron oxide, lanthanum strontium gallium nickel oxide, calcium titanium iron oxide, cerium praseodymium oxide, gallium trinium cerium praseodymium oxide, yttrium stabilized bismuth-silver (BYS/Ag), erbium stabilized bismuth-gold (ESB/Au), bismuth calcium oxide, bismuth yttrium copper oxide, bismuth yttrium samarium oxide, and selected from the group consisting of bismuth erbium oxide; These materials are known as oxide ion/electron mixed conductors and are readily available as raw materials for producing the porous ceramic sintered body of the present invention. Although it is selected depending on the application, for example, when the porous ceramic sintered body of the present invention is used as an oxygen permeable membrane or an air electrode of a fuel cell, BSCF having excellent oxygen permeability is preferable. Among them, Ba 0.5 Sr 0.5 Co 0.8 Fe 0.2 O 3-δ (δ is a numerical value indicating electrical neutrality, and 0.2<δ<0.6) is preferable.

本発明の多孔質セラミックス焼結体100は、連通する気孔120(気孔連通構造とも呼ぶ)を有する。気孔連通構造120を有することにより通気性を向上できる。気孔連通構造120は、走査型電子顕微鏡等による顕微鏡観察によって確認される。例えば、気孔連通構造120は、多孔質セラミックス内を貫通する気孔や、球状の気孔が互いに数珠状に連なって構成される気孔として観察される。 The porous ceramic sintered body 100 of the present invention has communicating pores 120 (also called a communicating pore structure). By having the pore communicating structure 120, breathability can be improved. The continuous pore structure 120 is confirmed by microscopic observation using a scanning electron microscope or the like. For example, the continuous pore structure 120 is observed as pores penetrating the inside of the porous ceramics or pores formed by connecting spherical pores to each other in a beaded pattern.

本発明の多孔質セラミックス焼結体100は、上述する気孔連通構造120を有するが、さらに、19%以上81%以下の範囲を満たす開気孔率(焼結体の外形容積を1とした場合のこの中に占める開気孔部分の容積の百分率)を有する。後述する製造方法における条件を制御することによって、所望の開気孔率を有する多孔質セラミックス焼結体が提供される。開気孔率は、アルキメデス法、重量気孔率法、水銀気孔率法等によって測定される。 The porous ceramic sintered body 100 of the present invention has the above-described pore communicating structure 120, and furthermore, the open porosity satisfying the range of 19% or more and 81% or less (when the external volume of the sintered body is 1) The percentage of the volume of the open pore portion occupied therein). A porous ceramic sintered body having a desired open porosity can be provided by controlling the conditions in the manufacturing method described below. The open porosity is measured by the Archimedes method, the gravimetric porosity method, the mercury porosity method, or the like.

本発明の多孔質セラミックス焼結体100は、19%以上80%以下の範囲の相対密度を有する。この範囲の相対密度を有せば、多孔質セラミックス焼結体が脆く壊れることなく、取り扱いに優れる。相対密度は、アルキメデス法によって測定される焼結体の密度と、理論密度との比率から算出される。 The porous ceramic sintered body 100 of the present invention has a relative density within the range of 19% or more and 80% or less. If the relative density is within this range, the porous ceramic sintered body will not be brittle and break, and will be excellent in handling. The relative density is calculated from the ratio of the density of the sintered body measured by the Archimedes method and the theoretical density.

本発明の多孔質セラミックス焼結体100は、上述する気孔連通構造120を有するが、気孔径130は、0.5μm以上100μm以下の範囲を満たす。ここで、本明細書における気孔径130とは、連通した気孔120の短手方向の長さを意図し、吸脱着等温線から細孔径分布を求めてもよいが、簡易的には、顕微鏡観察によって得られた画像から気孔径を100個ほど算出し、平均してもよい。この範囲の気孔径を有すれば、通気性に優れる。 The porous ceramic sintered body 100 of the present invention has the above-described continuous pore structure 120, and the pore diameter 130 satisfies the range of 0.5 μm or more and 100 μm or less. Here, the pore diameter 130 in this specification means the length of the communicating pores 120 in the lateral direction, and the pore diameter distribution may be obtained from the adsorption/desorption isotherm. Approximately 100 pore sizes may be calculated from the image obtained by and averaged. If the pore diameter is within this range, the air permeability is excellent.

本発明の多孔質セラミックス焼結体100は、後述する製造方法によって得られるので、特許文献2に記載のナトリウムイオン、カリウムイオン、マグネシウムイオン、カルシウムイオン、水酸化物イオン、炭酸イオン等の氷結晶粗大化抑制剤を使用することなく、上述の気孔径130を制御できる。その結果、不要なイオンを含有しない多孔質セラミックス焼結体を提供でき、酸化物イオン・電子混合伝導体110本来の特性を発揮できる。 Since the porous ceramic sintered body 100 of the present invention is obtained by the manufacturing method described later, ice crystals such as sodium ions, potassium ions, magnesium ions, calcium ions, hydroxide ions, carbonate ions, etc. described in Patent Document 2 The pore size 130 described above can be controlled without the use of coarsening inhibitors. As a result, it is possible to provide a porous ceramic sintered body that does not contain unnecessary ions, and to exhibit the inherent properties of the oxide ion/electron mixed conductor 110 .

本発明の多孔質セラミックス焼結体100は、好ましくは、50%以上75%以下の範囲を満たす開気孔率を有し、23%以上50%以下の範囲を満たす相対密度を有し、0.5μm以上20μm以下の範囲を満たす気孔径を有する。これにより、さらに通気性に優れつつ、取り扱いに優れる。 The porous ceramic sintered body 100 of the present invention preferably has an open porosity satisfying the range of 50% or more and 75% or less, and has a relative density satisfying the range of 23% or more and 50% or less. It has a pore size that satisfies the range of 5 μm or more and 20 μm or less. This makes it more breathable and easier to handle.

本発明の多孔質セラミックス焼結体100は、好ましくは、0.05%以上4.0%以下の範囲を満たす閉気孔率を有する。これにより、気孔連通構造が確実となるので、通気性に特に優れる。閉気孔率は、アルキメデス法、X線CT法等によって測定される。 The porous ceramic sintered body 100 of the present invention preferably has a closed porosity satisfying the range of 0.05% or more and 4.0% or less. As a result, the pore-communicating structure is ensured, and the air permeability is particularly excellent. The closed porosity is measured by the Archimedes method, the X-ray CT method, or the like.

特に、本発明の多孔質セラミックス焼結体100が、BSCFである酸化物イオン・電子混合伝導体からなり、上述の開気孔率、相対密度および粒径を満たすことにより、1.5×10-3S・cm-1以上の電気伝導率を有する。すなわち、本発明の多孔質セラミックス焼結体100は、後述する製造方法を採用することにより、セラミックスが互いに接触した状態を維持しているため、高い電気伝導率を達成する。 In particular, the porous ceramic sintered body 100 of the present invention is made of an oxide ion/electron mixed conductor, which is BSCF, and satisfies the above-mentioned open porosity, relative density and particle size, so that 1.5 × 10 - It has an electrical conductivity of 3 S·cm −1 or more. That is, the porous ceramics sintered body 100 of the present invention achieves high electric conductivity because the ceramics are kept in contact with each other by adopting the manufacturing method described later.

次に、上述した本発明の多孔質セラミックス焼結体100の製造方法を図2および図3を参照して説明する。本願発明者らは、デンプンを造孔剤として用いることに着目し、特に、デンプンの糊化・老化現象を利用し、気孔連通構造を形成することに成功した。詳細に説明する。 Next, a method for manufacturing the above-described porous ceramic sintered body 100 of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 and 3. FIG. The inventors focused on the use of starch as a pore-forming agent, and in particular, succeeded in forming an open pore structure by utilizing the gelatinization/aging phenomenon of starch. I will explain in detail.

図2は、本発明の多孔質セラミックス焼結体を製造するステップを示すフローチャートである。
図3は、本発明の多孔質セラミックス焼結体を製造するプロシージャを示す図である。
FIG. 2 is a flow chart showing the steps for manufacturing the porous ceramic sintered body of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing the procedure for manufacturing the porous ceramic sintered body of the present invention.

S210:酸化物イオン・電子混合伝導体であるセラミックス粒子310と、デンプン320とを、少なくとも水を含有する分散媒330中で混合する。ここで、セラミックス粒子310は、図1を参照して上述した酸化物イオン・電子混合伝導体である。デンプン320は、(C10(nは10以上の自然数)で表される炭水化物であり、アミロースとアミロペクチンとから構成され、好ましくは、アミロペクチンはアミロースよりも(質量%単位で)多く含有する。これにより、後述する糊化において、粘性の高いスラリーを提供でき、老化を制御しやすくなる。デンプン320は、任意の比率のアミロースおよびアミロペクチンを含有するものを採用できるが、中でも、アミロース:アミロペクチン=5:95~40:60を満たすものが、後述する糊化・老化現象を促進するため好ましい。さらに好ましくは、アミロース:アミロペクチン=15:85~25:75を満たすものが採用される。具体的には、デンプン320としてライススターチ、トウモロコシ、小麦等を採用できる。 S210: Ceramic particles 310, which are oxide ion/electron mixed conductors, and starch 320 are mixed in a dispersion medium 330 containing at least water. Here, the ceramic particles 310 are the oxide ion/electron mixed conductor described above with reference to FIG. Starch 320 is a carbohydrate represented by (C 6 H 10 O 5 ) n (where n is a natural number of 10 or more) and is composed of amylose and amylopectin. ) contains a lot. This makes it possible to provide a highly viscous slurry in the later-described gelatinization, making it easier to control aging. As the starch 320, those containing amylose and amylopectin in any ratio can be employed, but among them, those satisfying amylose:amylopectin=5:95 to 40:60 are preferable because they promote the gelatinization/aging phenomenon described later. . More preferably, one satisfying amylose:amylopectin=15:85 to 25:75 is adopted. Specifically, rice starch, corn, wheat, or the like can be used as the starch 320 .

なお、後述する成形体を維持するため、バインダを添加してもよい。このようなバインダは、後述する焼結において焼失する有機バインダが好ましく、例示的には、ポリビニルアルコール(PVA)、メチルセルロース、アクリル樹脂等がある。このような有機バインダは、100重量部のセラミックス粒子310に対して、0.1重量部以上0.3重量部以下の範囲で混合されれば、セラミックス粒子310の結着に有効である。また、有機バインダは、分散媒に溶解させて用いてもよい。 In addition, a binder may be added in order to maintain the molded body to be described later. Such a binder is preferably an organic binder that burns off during sintering, which will be described later, and examples thereof include polyvinyl alcohol (PVA), methyl cellulose, acrylic resin, and the like. Such an organic binder is effective for binding the ceramic particles 310 when mixed in the range of 0.1 to 0.3 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the ceramic particles 310 . Also, the organic binder may be used by dissolving it in a dispersion medium.

また、セラミックス粒子310とデンプン320とは、セラミックス粒子310の大きさがデンプン320のそれよりも小さくなるよう設定すれば、静電相互作用によって、デンプン320はセラミックス粒子310によって包囲され、セラミックス粒子310およびデンプン320が互い分散した状態となる(図3の状態340)。より好ましくは、セラミックス粒子310は、0.3μm以上1μm以下の範囲の粒径を有し、デンプン320は、1μmより大きく50μm以下の範囲の粒径を有する。これにより、セラミックス粒子310とデンプン320とがそれぞれ凝集することなく、良好な分散を促進する。 In addition, if the ceramic particles 310 and the starch 320 are set so that the size of the ceramic particles 310 is smaller than that of the starch 320, the starch 320 is surrounded by the ceramic particles 310 due to electrostatic interaction, and the ceramic particles 310 and starch 320 become dispersed with each other (state 340 in FIG. 3). More preferably, the ceramic particles 310 have a particle size in the range of 0.3 μm or more and 1 μm or less, and the starch 320 has a particle size in the range of more than 1 μm and 50 μm or less. This promotes good dispersion without the ceramic particles 310 and the starch 320 aggregating.

分散媒330に含有される水は、蒸留水、イオン交換水、超純水等である。分散媒330は、水単独であってもよいが、水に加えて、アルコールを含有してもよい。分散媒330は水単独ではなく、糊化現象を抑制し組織・開気孔率を制御するため、アルコールを含有することが好ましい。アルコールは、特に制限はないが、メタノール、エタノール、2-プロパノール、t-ブチルアルコールなどである。分散媒330が、水に加えてアルコールを含有する場合、水の含有量を制御するだけで、得られる多孔質セラミックス焼結体の開気孔率および相対密度を制御できる。 Water contained in the dispersion medium 330 is distilled water, ion-exchanged water, ultrapure water, or the like. The dispersion medium 330 may be water alone, or may contain alcohol in addition to water. Dispersion medium 330 preferably contains alcohol instead of water alone in order to suppress the gelatinization phenomenon and control the texture and open porosity. Alcohols include, but are not limited to, methanol, ethanol, 2-propanol, t-butyl alcohol, and the like. When the dispersion medium 330 contains alcohol in addition to water, the open porosity and relative density of the obtained porous ceramic sintered body can be controlled only by controlling the content of water.

分散媒330が、アルコールと水とを含有する場合、好ましくは、アルコールと水とは、質量%で、アルコール:水=0:100~70:30を満たすように混合される(ここで、0:100は分散媒330が水単独ではないが、ごく微量のアルコールを含有していることを意図する)。水が30質量%よりも少なくなると、糊化・老化現象が十分に促進せず、焼結前の成形体を維持できない。より好ましくは、アルコールと水とは、質量%で、アルコール:水=5:95~60:40を満たすように混合される。この範囲であれば、高い開気孔率を維持しつつ、強度を有する多孔質セラミックス焼結体が得られる。さらに好ましくは、アルコールと水とは、質量%で、アルコール:水=20:80~40:60を満たすように混合される。 When the dispersion medium 330 contains alcohol and water, the alcohol and water are preferably mixed in mass % so as to satisfy alcohol:water = 0:100 to 70:30 (here, 0 :100 implies that the dispersion medium 330 is not water alone, but contains a very small amount of alcohol). If the water content is less than 30% by mass, the gelatinization/aging phenomenon is not sufficiently accelerated, and the compact before sintering cannot be maintained. More preferably, alcohol and water are mixed so as to satisfy an alcohol:water ratio of 5:95 to 60:40 by mass. Within this range, a porous ceramic sintered body having strength can be obtained while maintaining a high open porosity. More preferably, the alcohol and water are mixed so as to satisfy an alcohol:water ratio of 20:80 to 40:60 by mass.

さらに、ステップS210において、セラミックス粒子310とデンプン320とは、100重量部のセラミックス粒子310に対して、20重量部以上75重量部以下の範囲のデンプン320を満たすように、混合される。デンプン320が20重量部未満の場合、気孔連通構造が十分形成されないため、酸素透過性が期待できない場合がある。デンプン320が75重量部を超えると、造孔剤が多すぎるため、焼結前の成形体を維持できない場合がある。より好ましくは、セラミックス粒子310とデンプン320とは、100重量部のセラミック粒子310に対して、30重量部以上70重量部以下の範囲のデンプン320を満たすように、混合される。この範囲であれば、上述の開気孔率を有し、相対密度を有する多孔質セラミックス焼結体が得られる。さらに好ましくは、セラミックス粒子310とデンプン320とは、100重量部のセラミック粒子310に対して、30重量部以上35重量部以下の範囲のデンプン320を満たすように、混合される。これにより、より多くのセラミックス粒子310を含有する多孔質セラミックス焼結体310となるので、特に、反応場を増大できる。 Furthermore, in step S210, the ceramic particles 310 and the starch 320 are mixed so that the starch 320 in the range of 20 parts by weight to 75 parts by weight is filled with 100 parts by weight of the ceramic particles 310 . If the amount of starch 320 is less than 20 parts by weight, the oxygen permeability may not be expected because the open pore structure is not sufficiently formed. If the starch 320 exceeds 75 parts by weight, the amount of the pore-forming agent is too large, and the compact before sintering may not be maintained. More preferably, the ceramic particles 310 and the starch 320 are mixed so that 30 parts by weight or more and 70 parts by weight or less of the starch 320 is added to 100 parts by weight of the ceramic particles 310 . Within this range, a porous ceramic sintered body having the above-described open porosity and relative density can be obtained. More preferably, the ceramic particles 310 and the starch 320 are mixed so that 30 parts by weight or more and 35 parts by weight or less of the starch 320 is added to 100 parts by weight of the ceramic particles 310 . As a result, the porous ceramic sintered body 310 containing more ceramic particles 310 is obtained, so that the reaction field can be particularly increased.

さらに、ステップS210において、セラミックス粒子310とデンプン320とは、分散媒330中のセラミックス粒子310およびデンプン320の濃度が0.2g/mL以上0.6g/mL以下を満たすように、混合される。この範囲であれば、分散媒330中でセラミックス粒子310とデンプン320とが分散するので、後述する糊化現象を促進できる。より好ましくは、セラミックス粒子310およびデンプン320の濃度は0.3g/mL以上0.5g/mL以下を満たす。この範囲であれば、糊化現象を確実とする。 Furthermore, in step S210, ceramic particles 310 and starch 320 are mixed so that the concentration of ceramic particles 310 and starch 320 in dispersion medium 330 is 0.2 g/mL or more and 0.6 g/mL or less. Within this range, the ceramic particles 310 and the starch 320 are dispersed in the dispersion medium 330, so that the gelatinization phenomenon, which will be described later, can be promoted. More preferably, the concentrations of ceramic particles 310 and starch 320 satisfy 0.3 g/mL or more and 0.5 g/mL or less. Within this range, the gelatinization phenomenon is ensured.

ステップS220:ステップS210で得られた混合物340を、50℃以上150℃以下の温度範囲で加熱し、デンプン320を糊化させる。図3に糊化したデンプン350を示す。50℃未満の場合、デンプン320の糊化現象が進まない場合がある。150℃を超えると、デンプン320の糊化現象が急速に進み、良好な気孔連通構造とならない場合がある。 Step S220: The mixture 340 obtained in step S210 is heated in a temperature range of 50° C. or higher and 150° C. or lower to gelatinize the starch 320 . A gelatinized starch 350 is shown in FIG. If the temperature is less than 50°C, gelatinization of the starch 320 may not progress. If the temperature exceeds 150° C., gelatinization of the starch 320 proceeds rapidly, and a good open pore structure may not be obtained.

好ましくは、混合物340を、100℃以上130℃以下の温度範囲で30分以上2時間以下の時間、攪拌しながら加熱すればよい。これにより、全体に均一にデンプン320の糊化現象が進行するため、形状制御された気孔連通構造となる。なお、糊化現象が進行したことは、目視にて粘性を有する様子が確認されればよい。このようにして得られた生成物を糊化体360と呼ぶ。 Preferably, the mixture 340 is heated in the temperature range of 100° C. to 130° C. for 30 minutes to 2 hours while being stirred. As a result, the gelatinization phenomenon of the starch 320 progresses uniformly throughout, resulting in a pore-communicating structure whose shape is controlled. It should be noted that the progress of the gelatinization phenomenon can be confirmed by visually confirming the presence of viscosity. The product thus obtained is called gelatinized body 360 .

攪拌は、手動にて行ってもよいし、マグネチックスターラなどを用いた撹拌機を用いてもよい。攪拌は、700rpm~1200rpmの回転速度で行うことがよい。これにより糊化体360中に均一に糊化したデンプンが位置することにより、均一な気孔が形成され得る。 Stirring may be performed manually, or a stirrer using a magnetic stirrer or the like may be used. Stirring is preferably performed at a rotation speed of 700 rpm to 1200 rpm. As a result, uniformly gelatinized starch is positioned in the gelatinized body 360, so that uniform pores can be formed.

ステップS230:ステップS220で得られた糊化体360を、-5℃以上10℃以下の温度範囲を満たす第1の条件で保持し、次いで、-10℃以下の温度範囲を満たす第2の条件で保持し、デンプン350を老化させる。第1の条件で保持することにより、デンプン中から水が脱水する。第2の条件で保持することにより、デンプンの老化現象が進み、再結晶化されたデンプン370となる。デンプンから脱水した水380は凍結する。このようにして得られた生成物を老化体390と呼ぶ。 Step S230: The gelatinized body 360 obtained in step S220 is held under a first condition that satisfies a temperature range of −5° C. or higher and 10° C. or lower, and then held under a second condition that satisfies a temperature range of −10° C. or lower. to retrograde the starch 350. Holding at the first condition dehydrates the water from the starch. Holding at the second condition accelerates starch retrogradation and results in recrystallized starch 370 . The water 380 dehydrated from the starch freezes. The product thus obtained is called aged body 390 .

ステップS230において、第1の条件は、好ましくは、糊化体360を、-2℃以上5℃以下の温度範囲で30分以上2.5時間以下の時間、保持する。この範囲であれば、デンプンからの水の脱水を促進し、老化現象を誘発し得る。 In step S230, the first condition is preferably to keep the gelatinized product 360 in the temperature range of −2° C. or higher and 5° C. or lower for 30 minutes or longer and 2.5 hours or shorter. Within this range, the dehydration of water from the starch can be accelerated and aging can be induced.

ステップS230において、第2の条件は、好ましくは、糊化体360を、-200℃以上-100℃以下の温度範囲で5秒以上10秒以下の時間保持するか、または、-100℃より高く-15℃以下の温度範囲で1時間以上24時間以下の時間保持する。これらの条件により、脱水した水は凍結され、老化体390が確実に得られる。なお、前者の条件であれば、液体窒素等を用いて実施できるが、分散媒として水に加えてアルコールも凍結できる。 In step S230, the second condition is preferably that the gelatinized product 360 is held in the temperature range of -200°C or higher and -100°C or lower for 5 seconds or longer and 10 seconds or shorter, or the temperature is higher than -100°C. The temperature is maintained at −15° C. or less for 1 hour or more and 24 hours or less. These conditions ensure that the dehydrated water is frozen and the aged body 390 is obtained. Under the former condition, liquid nitrogen or the like can be used, but in addition to water, alcohol can also be frozen as a dispersion medium.

ステップS240:ステップS230で得られた老化体390を乾燥させ、分散媒を除去する。ここでは、乾燥によって、凍結した分散媒(水あるいは、水とアルコールとの両方)が除去され、再結晶したデンプン370とセラミック粒子310とからなる成形体391が得られる。 Step S240: Dry the aged body 390 obtained in step S230 to remove the dispersion medium. Here, drying removes the frozen dispersion medium (water or both water and alcohol) to obtain a compact 391 composed of recrystallized starch 370 and ceramic particles 310 .

乾燥は、大気圧乾燥または真空凍結乾燥のいずれで行ってもよい。大気圧乾燥の場合、室温で乾燥させてもよいが、長時間を要するので、好ましくは、40℃以上100℃以下の温度範囲で行う。100℃を超えると、急激な分散媒の除去が生じるので、成形体391が崩壊する可能性がある。さらに好ましくは、40℃以上60℃以下の温度範囲で1時間以上3時間以下の時間乾燥させればよい。この範囲であれば、クラックや反りなどを抑制した成形体391が得られる。 Drying may be carried out by either atmospheric pressure drying or vacuum freeze-drying. In the case of atmospheric pressure drying, the drying may be carried out at room temperature, but since it takes a long time, it is preferably carried out at a temperature in the range of 40°C or higher and 100°C or lower. If the temperature exceeds 100° C., the dispersion medium is abruptly removed, and the compact 391 may collapse. More preferably, drying may be performed at a temperature in the range of 40° C. or higher and 60° C. or lower for 1 hour or longer and 3 hours or shorter. Within this range, a compact 391 in which cracks and warpage are suppressed can be obtained.

真空凍結乾燥は、好ましくは、1×10-3atm以下の圧力で24時間より長く72時間以下の時間乾燥させればよい。24時間以下では分散媒が十分に除去されない場合がある。真空凍結乾燥を行えば、凍結した分散媒もまた造孔剤として機能するため、開気孔率の増大が期待できる。なお、下限は特に制限はないが、1×10-6atm以上であれば問題ない。 Vacuum freeze-drying preferably involves drying at a pressure of 1×10 −3 atm or less for a time of greater than 24 hours and less than or equal to 72 hours. The dispersion medium may not be sufficiently removed within 24 hours. If vacuum freeze-drying is performed, the frozen dispersion medium also functions as a pore-forming agent, so an increase in open porosity can be expected. Although the lower limit is not particularly limited, there is no problem if it is 1×10 −6 atm or more.

ステップS240において、乾燥は、好ましくは、成形体391が40%以上90%以下の範囲を有する開気孔率を有するまで行われる。これにより、成形体391が壊れることなく、続く、焼成によって硬く固着した焼結体を得ることができる。 In step S240, drying is preferably performed until the compact 391 has an open porosity in the range of 40% to 90%. As a result, a sintered body that is firmly adhered can be obtained by subsequent firing without breaking the molded body 391 .

ステップS250:ステップS240で得られた成形体391を焼成する。これにより、再結晶したデンプン370が除去されて、連通した気孔(気孔連通構造)392が形成され、本発明の多孔質セラミックス焼結体100が得られる。焼成の条件は、デンプンの焼失温度以上であり、セラミックス粒子310が固着し、ネック形成する温度であれば特に制限はないが、例示的には、800℃以上1500℃以下の温度範囲で2時間以上24時間以下の時間行われる。焼成雰囲気は、セラミックス粒子の種類によもよるが、酸化物であれば、大気中であってよい。 Step S250: The compact 391 obtained in step S240 is fired. As a result, the recrystallized starch 370 is removed and interconnected pores (continuous pore structure) 392 are formed to obtain the porous ceramic sintered body 100 of the present invention. The firing conditions are not particularly limited as long as the firing temperature is equal to or higher than the burn-out temperature of starch and the temperature allows the ceramic particles 310 to adhere and form a neck. More than 24 hours or less. The firing atmosphere depends on the type of ceramic particles, but if it is an oxide, it may be in the air.

なお、焼成に先立って、デンプンの乾燥および除去を行ってもよい。すなわち、焼成温度までの温度プロファイルを制御することにより、デンプンの乾燥、除去を行い、最後に、焼結を行うことができる。例えば、成形体を、150℃~450℃の温度で1時間~6時間保持することにより、成形体中のデンプンを乾燥させることができる。次いで、450℃~600℃で30分~3時間保持することにより、成形体からデンプンを除去できる。また、デンプンの乾燥は、150℃~250℃で1時間~3時間保持し、250℃~450℃で1時間~3時間保持する2段階で行ってもよい。これにより、成形体を維持しつつ、デンプンを確実に乾燥できる。 In addition, drying and removal of starch may be performed prior to baking. That is, by controlling the temperature profile up to the firing temperature, the starch can be dried, removed, and finally sintered. For example, the starch in the molded article can be dried by holding the molded article at a temperature of 150° C. to 450° C. for 1 hour to 6 hours. The starch can then be removed from the compact by holding at 450° C. to 600° C. for 30 minutes to 3 hours. The drying of the starch may also be carried out in two steps, holding at 150° C. to 250° C. for 1 hour to 3 hours and holding at 250° C. to 450° C. for 1 hour to 3 hours. As a result, the starch can be reliably dried while maintaining the compact.

(実施の形態2)
実施の形態2では、本発明の多孔質セラミックス焼結体を用いた用途を説明する。
図4は、本発明の多孔質セラミックス焼結体を用いた酸素透過膜を示す模式図である。
(Embodiment 2)
Embodiment 2 describes applications using the porous ceramic sintered body of the present invention.
FIG. 4 is a schematic diagram showing an oxygen-permeable membrane using the porous ceramic sintered body of the present invention.

本発明の酸素透過膜400は、支持体410と、支持体410上に位置する酸素分離活性層420とを備える。ここで、支持体410は、本発明の多孔質セラミックス焼結体100(図1)からなるため、十分な機械的強度を有しており、酸素透過膜として機能させた場合に、酸素分圧差によってもその上に位置する酸素分離活性層420が破壊することはない。また、本発明の多孔質セラミックス焼結体100は、高い開気孔率を有するため、反応場を十分に確保でき、酸素分離活性層420との界面において、表面交換反応が促進されるので、高い酸素分離能を達成できる。 The oxygen permeable membrane 400 of the present invention comprises a support 410 and an oxygen separation active layer 420 located on the support 410 . Here, since the support 410 is made of the porous ceramic sintered body 100 (FIG. 1) of the present invention, it has sufficient mechanical strength, and when it functions as an oxygen permeable membrane, the oxygen partial pressure difference The oxygen separation active layer 420 located thereon will not be destroyed even by the . In addition, since the porous ceramic sintered body 100 of the present invention has a high open porosity, a sufficient reaction field can be secured, and the surface exchange reaction is promoted at the interface with the oxygen separation active layer 420. Oxygen separation capacity can be achieved.

また、酸素分離活性層420は、本発明の多孔質セラミックス焼結体100と同じ材料、すなわち、同じ酸化物イオン・電子混合伝導体からなるので、支持体410と酸素分離活性層420との間に界面反応相が生成しない。 In addition, since the oxygen separation active layer 420 is made of the same material as the porous ceramic sintered body 100 of the present invention, that is, the same oxide ion/electron mixed conductor, no interfacial reaction phase is generated.

例示的には、支持体410の酸素透過方向の厚さは、500μm以上1500μm以下の範囲であり、酸素分離活性層420の厚さは、10μm以上500μm以下の範囲である。なお、このような酸素分離活性層420は、支持体410を基板として、物理的気相成長法、化学的気相成長法、ゾルゲル法、交互積層法、電気泳動堆積(EPD)法等の既存の方法によって製造される。 Illustratively, the thickness of the support 410 in the oxygen permeation direction is in the range of 500 μm to 1500 μm, and the thickness of the oxygen separation active layer 420 is in the range of 10 μm to 500 μm. Such an oxygen separation active layer 420 can be formed by using the support 410 as a substrate, using existing methods such as a physical vapor deposition method, a chemical vapor deposition method, a sol-gel method, a layer-by-layer method, and an electrophoretic deposition (EPD) method. manufactured by the method of

酸素透過膜400の動作を説明する。支持体410を構成する多孔質セラミックス焼結体100中の気孔連通構造120を通った酸素を含有する空気が、酸素分離活性層420に到達すると、酸素は電子を受け取り、O+4e→2O2-の反応により酸化物イオンとなる。生成した酸化物イオンは、酸素分離活性層420中を拡散し、420の反対側の表面で互いに結合し、O2-+O2-→O+4eの反応により、酸素となって、酸素分圧の小さい酸素分離活性層420の支持体410と対向する側に放出される。このようにして空気から純酸素を分離できる。本発明においては、支持体410が多孔質セラミックス焼結体100から構成され、それと同じ材料からなる酸素分離活性層420が、支持体410上に位置するので、密着性に優れ、酸素分離活性層420が破壊することを抑制できる。 The operation of the oxygen permeable membrane 400 will be described. When air containing oxygen passes through the pore communication structure 120 in the porous ceramic sintered body 100 constituting the support 410 and reaches the oxygen separation active layer 420, the oxygen receives electrons, and O 2 +4e →2O The reaction of 2- results in an oxide ion. The generated oxide ions diffuse in the oxygen separation active layer 420, bond with each other on the opposite surface of the layer 420, and become oxygen by the reaction of O 2− +O 2− →O 2 +4e to form oxygen content. The oxygen is released to the side of the oxygen separation active layer 420 with a lower pressure facing the support 410 . Pure oxygen can be separated from air in this way. In the present invention, the support 410 is composed of the porous ceramic sintered body 100, and the oxygen separation active layer 420 made of the same material as the support 410 is positioned on the support 410. 420 can be suppressed from being destroyed.

図4を参照して、本発明の多孔質セラミックス焼結体100の用途として、酸素透過膜400を説明してきたが、本発明の多孔質セラミックス焼結体100は、固体酸化物型燃料電池用の空気極に用いることもできるし、メタン部分酸化メンブレンリアクター、センサーにも使用される。 With reference to FIG. 4, the oxygen permeable membrane 400 has been described as an application of the porous ceramic sintered body 100 of the present invention. It can also be used as an air electrode for methane partial oxidation membrane reactors and sensors.

次に具体的な実施例を用いて本発明を詳述するが、本発明がこれら実施例に限定されないことに留意されたい。 The present invention will now be described in detail using specific examples, but it should be noted that the present invention is not limited to these examples.

[原料の調製]
セラミックス粒子として酸化物イオン・電子混合伝導体であるBa0.5Sr0.5Co0.83-δ(BSCF、有限会社日下レアメタル研究所製、平均粒径:0.5~1.0μm)を、デンプンとしてライススターチ(アミロース:アミロペクチン=20:80(質量比)、粒径:2.0~8.0μm、シグマアルドリッチ製)を用いた。分散媒として、蒸留水および必要に応じてエタノールを用いた。これらを、表1に示す混合物1~7の組成を満たすように混合した(図2のステップS210)。なお、バインダとして、ポリビニルアルコール(PVA)(98%水溶液、シグマアルドリッチ製)を、混合物1~7のBSCF(100重量部)に対して0.2重量部となるよう添加した。また、混合物は、超音波ホモジナイザーで分散させた。
[Preparation of raw materials]
Ba 0.5 Sr 0.5 Co 0.8 O 3-δ (BSCF, manufactured by Kusaka Rare Metal Laboratory Co., Ltd., average particle size: 0.5 to 1 .0 μm), and rice starch (amylose:amylopectin=20:80 (mass ratio), particle size: 2.0-8.0 μm, manufactured by Sigma-Aldrich) was used as starch. Distilled water and, if necessary, ethanol were used as a dispersion medium. These were mixed so as to satisfy the compositions of mixtures 1 to 7 shown in Table 1 (step S210 in FIG. 2). As a binder, polyvinyl alcohol (PVA) (98% aqueous solution, manufactured by Sigma-Aldrich) was added so as to be 0.2 parts by weight with respect to BSCF (100 parts by weight) of mixtures 1-7. Moreover, the mixture was dispersed with an ultrasonic homogenizer.

[加熱、冷蔵、凍結、乾燥]
混合物を表2に示す種々の条件で処理し、成形体を得た。詳細には、表2の条件A、Bにしたがって、混合物を、加熱した後、糊化体を得、それを金属プレート上で鋳込み充填し、冷蔵庫内に静置し、老化体を得た(図2のステップS220~S230)。次いで、冷凍庫中で保持し、乾燥炉を用いて大気圧乾燥/真空凍結乾燥器を用いて真空凍結乾燥(フリーズドライ)をし、成形体を得た(図2のステップS240)。表2の条件Cでは、液体窒素環境下で凍結させ、真空凍結乾燥した以外は、条件Bと同様であった。表2の条件Dは、冷蔵および冷凍を行うことなく、条件Cと同様の凍結、乾燥のみを行った。また、条件Eは、加熱、冷蔵、凍結および乾燥のいずれも何も処理しないものを意味する。
[heating, refrigeration, freezing, drying]
The mixture was treated under various conditions shown in Table 2 to obtain molded bodies. Specifically, the mixture was heated according to the conditions A and B in Table 2 to obtain a gelatinized body, which was cast and filled on a metal plate and left to stand in a refrigerator to obtain an aged body ( Steps S220 to S230 in FIG. 2). Then, it was held in a freezer and dried at atmospheric pressure using a drying oven and vacuum freeze-dried using a vacuum freeze dryer to obtain a compact (step S240 in FIG. 2). Condition C in Table 2 was the same as condition B, except that it was frozen in a liquid nitrogen environment and vacuum freeze-dried. In condition D of Table 2, only freezing and drying as in condition C were performed without refrigeration or freezing. Condition E means that neither heating, refrigeration, freezing nor drying is performed.

[焼成]
次いで、処理後の成形体を、表3に示す種々の条件で焼成し、焼結体を得た(図2のステップS250)。焼成に先立って、デンプンの乾燥および除去を行った。詳細には、デンプンを乾燥させるために200℃(昇温速度:0.2℃/分)で2時間保持し、さらにデンプンを乾燥させるために350℃(昇温速度:0.25℃/分)で2時間保持し、次いで、デンプンを焼失除去させるために500℃(昇温速度:0.5℃/分)で1時間保持した。なお、条件dは、焼成をしていないものを意味する。
[Firing]
Next, the molded body after the treatment was fired under various conditions shown in Table 3 to obtain a sintered body (step S250 in FIG. 2). Drying and removal of starch was performed prior to calcination. Specifically, the starch was held at 200°C (heating rate: 0.2°C/min) for 2 hours, and the starch was further dried at 350°C (heating rate: 0.25°C/min). ) for 2 hours and then at 500° C. (heating rate: 0.5° C./min) for 1 hour to burn off the starch. In addition, condition d means that it is not sintered.

Figure 0007184270000001
Figure 0007184270000001

Figure 0007184270000002
Figure 0007184270000002

Figure 0007184270000003
Figure 0007184270000003

[例1~33]
表4の試料条件にしたがって、成形体または焼結体の試料1~33を作製した。表4の試料条件について説明する。例えば、例1の試料は、試料条件1-A-aによって作製されたことを示す。詳細には、「1」は、表1の混合物の組成1を表し、「A」は、表2の加熱、冷蔵、凍結および乾燥の条件Aを表し、「a」は、表3の焼成条件の条件aを表しており、例1の試料は、これらの組み合わせによって得られた試料である。
[Examples 1 to 33]
According to the sample conditions in Table 4, samples 1 to 33 of compacts or sintered bodies were produced. The sample conditions in Table 4 will be explained. For example, the sample of Example 1 indicates that it was made according to sample condition 1-Aa. Specifically, "1" represents mixture composition 1 of Table 1, "A" represents heating, refrigerating, freezing and drying conditions A of Table 2, and "a" represents the firing conditions of Table 3. and the sample of Example 1 is a sample obtained by a combination of these conditions.

Figure 0007184270000004
Figure 0007184270000004

焼成前の成形体および焼結体の微細構造を、走査型電子顕微鏡(SEM、JEOL製JSM-SEM-6510)によって観察した。このとき動作電圧は15.0kVであった。成形体および焼結体の相対密度および開気孔率を、簡易比重測定装置によって測定した。このとき、溶媒としてケロシン(密度:0.789g/cm)を用いた。なお、閉気孔率は、アルキメデス法によって算出した。また、焼結体の電気伝導率を、室温にて直流2端子法によって測定した。これらの結果を図5~図10および表5~表6に示す。 The microstructures of the compact and sintered body before firing were observed with a scanning electron microscope (SEM, JSM-SEM-6510 manufactured by JEOL). At this time, the operating voltage was 15.0 kV. The relative density and open porosity of the compact and sintered body were measured with a simple specific gravity measuring device. At this time, kerosene (density: 0.789 g/cm 3 ) was used as a solvent. The closed porosity was calculated by the Archimedes method. Also, the electrical conductivity of the sintered body was measured at room temperature by a DC two-probe method. These results are shown in FIGS. 5-10 and Tables 5-6.

図5は、例16、例19、例23および例27の成形体の破断面のSEM像を示す図である。 FIG. 5 is a diagram showing SEM images of fracture surfaces of molded articles of Examples 16, 19, 23 and 27. FIG.

図5(A)~(C)によれば、原料に用いたデンプンはもはや粒状を有しておらず、互いにつながった様態をしていた。一方、図5(D)によれば、原料に用いたデンプンは粒状を維持していた。このことから、表2に示す条件でデンプンを加熱し、冷蔵・凍結することにより、原料に用いたデンプンは粒状の形態から互いにつながった形態へと変化し、糊化および老化現象が適切に生じることが示された。 According to FIGS. 5(A)-(C), the starch used as the raw material no longer had a granular shape, but was in a state of being connected to each other. On the other hand, according to FIG. 5(D), the starch used as the raw material maintained its granular form. Therefore, by heating, refrigerating, and freezing the starch under the conditions shown in Table 2, the starch used as the raw material changes from a granular form to a mutually connected form, and the gelatinization and aging phenomena appropriately occur. was shown.

図6は、種々の例の焼結体の破断面のSEM像を示す図である。
図7は、別の種々の例の焼結体の破断面のSEM像を示す図である。
図8は、さらに別の例の焼結体の破断面のSEM像を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing SEM images of fracture surfaces of sintered bodies of various examples.
FIG. 7 is a diagram showing SEM images of fracture surfaces of sintered bodies of various other examples.
FIG. 8 is a diagram showing an SEM image of a fracture surface of a sintered body of still another example.

表5に例1~例33の成形体または焼結体の特性をまとめて示す。 Table 5 summarizes the properties of the compacts or sintered bodies of Examples 1 to 33.

Figure 0007184270000005
Figure 0007184270000005

図2を参照して説明した、第1および第2の条件でデンプンの糊化・老化を行った図6(A)~(H)と、第1の条件を行わず第2の条件のみでデンプンの糊化・老化を行った図6(I)~(K)とを比較すると、例13~15、17、18、20~22の焼結体は、例24~26の焼結体に比べて、連通した気孔を多く示した。焼結温度ごとに比較すれば、例13~15、17、18、20~22の焼結体の開気孔率は、例24~26の焼結体のそれに比べて、全体に高く、第1の条件の過程を導入することがデンプンの糊化・老化現象に有効であることが示された。 6 (A) to (H) in which gelatinization and retrogradation of starch were performed under the first and second conditions described with reference to FIG. 2, and only in the second condition without performing the first condition 6 (I) to (K) in which starch was gelatinized and aged, the sintered bodies of Examples 13 to 15, 17, 18, and 20 to 22 were compared to the sintered bodies of Examples 24 to 26. In comparison, it showed more interconnected pores. When compared for each sintering temperature, the open porosity of the sintered bodies of Examples 13-15, 17, 18, and 20-22 is generally higher than that of the sintered bodies of Examples 24-26. It was shown that the introduction of the process under the condition of 1 was effective for starch gelatinization and retrogradation.

また、図6(A)~(C)と、図6(D)~(H)とを焼結温度で比較すると、例13~15の焼結体の開気孔率は、例17、18、20~22の焼結体それに比べて、全体に高かった。このことは、成形体中の分散媒を除去する際に真空凍結乾燥を行うことによって、デンプン以外にも分散媒も造孔剤として機能したことを示唆する。 Also, when comparing FIGS. 6A to 6C with FIGS. Compared to that of the sintered bodies No. 20 to 22, it was high as a whole. This suggests that not only the starch but also the dispersion medium functioned as a pore-forming agent by performing vacuum freeze-drying when removing the dispersion medium from the molded article.

気孔径に着目すると、図6(A)~(C)に示されるように、大気圧乾燥を行えば、均一かつ小さな気孔径(0.5μ~1μm)を有する連通した気孔が得られることが分かった。一方、図6(F)~(H)に示されるように、真空凍結乾燥を行えば、デンプンに加えて分散媒も造孔剤として機能することから、均一かつ比較的大きな気孔径(1μm~5μm)を有する連通した気孔が得られることが分かった。 Focusing on the pore diameter, as shown in FIGS. 6(A) to 6(C), atmospheric pressure drying can provide continuous pores having uniform and small pore diameters (0.5 μm to 1 μm). Do you get it. On the other hand, as shown in FIGS. 6(F) to (H), when vacuum freeze-drying is performed, not only the starch but also the dispersion medium functions as a pore-forming agent. 5 μm) are obtained.

図7(A)~(C)はいずれも焼結温度は同じ(900℃)であるが、分散媒中のエタノールの含有量が異なる。同様に、図7(D)~(F)はいずれも焼結温度は同じ(1100℃)であるが、分散媒中のエタノールの含有量が異なる。図7(A)および(D)によれば、分散媒が水を含有しない場合、連通した気孔を有しないことが分かった。このことから、デンプンの糊化・老化現象を利用する場合には、分散媒は少なくとも水を含有する必要があることが示された。 7A to 7C, the sintering temperature is the same (900° C.), but the content of ethanol in the dispersion medium is different. Similarly, in FIGS. 7(D) to (F), the sintering temperature is the same (1100° C.), but the content of ethanol in the dispersion medium is different. According to FIGS. 7A and 7D, it was found that when the dispersion medium does not contain water, it does not have communicating pores. This indicates that the dispersion medium should contain at least water when utilizing the gelatinization/aging phenomenon of starch.

図7(E)と(F)とを比較すると、分散媒中のエタノールの含有量が少ない方が、開気孔率が高くなる傾向が示された。図7(B)と(C)も同様である。このことから、分散媒における水とアルコールとの量を調整することによって、開気孔率を制御できることが示唆される。 Comparing FIGS. 7E and 7F, a tendency was shown that the lower the ethanol content in the dispersion medium, the higher the open porosity. The same applies to FIGS. 7B and 7C. This suggests that the open porosity can be controlled by adjusting the amounts of water and alcohol in the dispersion medium.

図7(B)、(E)と、図8(A)~(B)とを比較すると、セラミックス粒子に対するデンプンの量を増大させた例31~32の開気孔率は、例1、3のそれと比較して増大する傾向を示した。このことからも、デンプンの糊化・老化現象を利用した造孔剤が有効であることが示される。さらに、図8(C)によれば、分散媒が水単独であっても、その傾向は同様であった。 Comparing FIGS. 7B and 7E with FIGS. 8A and 8B, the open porosity of Examples 31 and 32, in which the amount of starch relative to the ceramic particles is increased, is lower than that of Examples 1 and 3. It showed a tendency to increase compared with that. This also indicates that a pore-forming agent utilizing the gelatinization/aging phenomenon of starch is effective. Furthermore, according to FIG. 8(C), the tendency was the same even when the dispersion medium was water alone.

図9は、分散媒中の水の含有量と開気孔率および相対密度との関係を示す図である。 FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the water content in the dispersion medium, the open porosity, and the relative density.

図9(A)によれば、分散媒中の水の含有量が増大するにつれて、開気孔率が増大した。図9(B)によれば、分散媒中の水の含有量が増大するにつれて、相対密度が低下した。このことからも、分散媒中の水とアルコールとの量を調整することによって、開気孔率および相対密度を制御できることが示された。 According to FIG. 9(A), the open porosity increased as the water content in the dispersion medium increased. According to FIG. 9(B), the relative density decreased as the content of water in the dispersion medium increased. This also indicates that the open porosity and relative density can be controlled by adjusting the amounts of water and alcohol in the dispersion medium.

図10は、焼成温度と開気孔率との関係を示す図である。 FIG. 10 is a diagram showing the relationship between firing temperature and open porosity.

焼成温度が増大するにつれて、開気孔率は低下し、分散媒中の水の含有量が多いほど、開気孔率は増大する傾向を示した。このことから、焼成温度および分散媒中の水の含有量を適宜選択することによって、用途に応じた開気孔率を有する多孔質セラミックス焼結体が提供できることが示された。 As the firing temperature increased, the open porosity decreased, and the higher the water content in the dispersion medium, the higher the open porosity. From this, it was shown that a porous ceramic sintered body having an open porosity suitable for the application can be provided by appropriately selecting the sintering temperature and the content of water in the dispersion medium.

表6は、例22、26および30の焼結体の電気伝導率の一覧を示す。デンプンの糊化・老化を行った例22の焼結体の電気伝導率は、デンプンの糊化・老化を行っていない例26、30の焼結体のそれよりも大きくなった。このことから、デンプンの糊化・老化現象の利用は、連通した気孔の生成のみならず、焼結によってセラミックス粒子の接触を促進できることが示唆される。 Table 6 lists the electrical conductivity of the sintered bodies of Examples 22, 26 and 30. The electrical conductivity of the sintered body of Example 22, in which the starch was gelatinized and aged, was greater than that of the sintered bodies of Examples 26 and 30, in which the starch was not gelatinized and aged. From this, it is suggested that the use of the gelatinization/aging phenomenon of starch can promote not only the formation of interconnected pores but also the contact of ceramic particles by sintering.

Figure 0007184270000006
Figure 0007184270000006

本発明による多孔質セラミックス焼結体は、高い開気孔率を有し、通気性および取り扱いに優れるので、燃料電池の空気極や酸素透過膜の支持体として使用できる。本発明の製造方法は、分散媒、焼結温度等を調整するだけで、開気孔率、相対密度および気孔径が制御された多孔質セラミックス焼結体を提供できるので、酸素透過膜、固体酸化物型燃料電池用の空気極、メタン部分酸化メンブレンリアクター、センサー等に優位に利用され得る。 The porous ceramic sintered body according to the present invention has a high open porosity, is excellent in air permeability and handling, and can be used as an air electrode of a fuel cell or a support for an oxygen permeable membrane. The production method of the present invention can provide a porous ceramic sintered body with controlled open porosity, relative density and pore size simply by adjusting the dispersion medium, sintering temperature and the like. It can be advantageously used in air electrodes for solid fuel cells, methane partial oxidation membrane reactors, sensors, and the like.

100 多孔質セラミックス焼結体
110 酸化物イオン・電子混合伝導体
120、392 連通する気孔(気孔連通構造)
130 気孔径
310 セラミックス粒子
320 デンプン
330 分散媒
350 糊化したデンプン
360 糊化体
370 再結晶化されたデンプン
380 凍結した水
390 老化体
391 成形体
400 酸素透過膜
410 支持体
420 酸素分離活性層
REFERENCE SIGNS LIST 100 Porous ceramic sintered body 110 Oxide ion/electron mixed conductor 120, 392 Communicating pores (continuous pore structure)
130 Pore diameter 310 Ceramic particles 320 Starch 330 Dispersion medium 350 Gelatinized starch 360 Gelatinized product 370 Recrystallized starch 380 Frozen water 390 Aged product 391 Molded product 400 Oxygen permeable membrane 410 Support 420 Oxygen separation active layer

Claims (13)

酸化物イオン・電子混合伝導体からなり、0.5μm以上100μm以下の範囲を満たす気孔径を有し、連通する気孔を有する多孔質セラミックス焼結体を製造する方法であって、
前記酸化物イオン・電子混合伝導体であるセラミックス粒子と、造孔剤としてデンプンとを、少なくとも水を含有する分散媒中で混合するステップと、
前記混合するステップで得られた混合物を50℃以上150℃以下の温度範囲で加熱し、前記デンプンを糊化させるステップと、
前記加熱し、糊化させるステップで得られた糊化体を-5℃以上10℃以下の温度範囲を満たす第1の条件で保持し、次いで、-10℃以下の温度範囲を満たす第2の条件で保持し、前記デンプンを老化させるステップと、
前記老化させるステップで得られた老化体を乾燥させ、前記分散媒を除去するステップと、
前記除去するステップで得られた成形体を焼成するステップと
を包含する、方法。
A method for producing a porous ceramic sintered body composed of an oxide ion/electron mixed conductor, having a pore diameter satisfying the range of 0.5 μm or more and 100 μm or less and having communicating pores,
a step of mixing the ceramic particles as the oxide ion/electron mixed conductor and starch as a pore-forming agent in a dispersion medium containing at least water;
heating the mixture obtained in the mixing step in a temperature range of 50° C. or higher and 150° C. or lower to gelatinize the starch;
The gelatinized body obtained in the heating and gelatinizing step is held under a first condition that satisfies a temperature range of −5° C. or higher and 10° C. or lower, and then held under a second condition that satisfies a temperature range of −10° C. or lower. holding at conditions to retrograde said starch;
drying the aged body obtained in the aging step to remove the dispersion medium;
and firing the compact obtained in the removing step.
前記混合するステップは、100重量部の前記セラミックス粒子に対して、20重量部以上75重量部以下の範囲の前記デンプンを、前記分散媒中で混合する、請求項1に記載の方法。 2. The method according to claim 1, wherein said mixing step mixes 20 parts by weight or more and 75 parts by weight or less of said starch in said dispersion medium with respect to 100 parts by weight of said ceramic particles. 前記混合するステップは、前記分散媒中の前記セラミックス粒子および前記デンプンの濃度が0.2g/mL以上0.6g/mL以下を満たすように混合する、請求項1または2に記載の方法。 3. The method according to claim 1 or 2 , wherein the mixing step is performed so that the concentration of the ceramic particles and the starch in the dispersion medium is 0.2 g/mL or more and 0.6 g/mL or less. 前記混合するステップにおいて、分散媒はアルコールを含有し、
前記アルコールと前記水とは、質量%で、0:100~70:30の割合で混合されている、請求項1~3のいずれかに記載の方法。
In the mixing step, the dispersion medium contains an alcohol,
The method according to any one of claims 1 to 3 , wherein the alcohol and the water are mixed at a ratio of 0:100 to 70:30 in mass%.
前記混合するステップにおいて、前記デンプンは、アミロースとアミロペクチンとを含有し、前記アミロペクチンは前記アミロースよりも質量%で多く含有する、請求項1~4のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 4, wherein in the mixing step, the starch contains amylose and amylopectin, and the amylopectin contains more mass% than the amylose. 前記アミロースと前記アミロペクチンとは、質量%で、アミロース:アミロペクチン=5:95~40:60を満たす、請求項5に記載の方法。 6. The method according to claim 5 , wherein the amylose and the amylopectin satisfy an amylose:amylopectin ratio of 5:95 to 40:60 in mass %. 前記アミロースと前記アミロペクチンとは、質量%で、アミロース:アミロペクチン=15:85~25:75を満たす、請求項6に記載の方法。 The method according to claim 6 , wherein the amylose and the amylopectin satisfy an amylose:amylopectin ratio of 15:85 to 25:75 in mass%. 前記混合するステップにおいて、前記セラミックスの粒子は、0.3μm以上1μm以下の範囲の粒径を有し、前記デンプンは、1μmより大きく50μm以下の範囲の粒径を有する、請求項1~7のいずれかに記載の方法。 In the mixing step, the ceramic particles have a particle size in the range of 0.3 μm or more and 1 μm or less, and the starch has a particle size in the range of 1 μm or more and 50 μm or less. Any method described. 前記糊化させるステップは、前記混合物を、100℃以上130℃以下の温度範囲で30分以上2時間以下の時間、攪拌しながら加熱する、請求項1~8のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 8, wherein the gelatinizing step heats the mixture at a temperature in the range of 100°C to 130°C for 30 minutes to 2 hours while stirring. 前記老化させるステップにおいて、前記第1の条件は、前記糊化体を、-2℃以上5℃以下の温度範囲で30分以上2.5時間以下の時間保持する、請求項1~9のいずれかに記載の方法。 10. Any one of claims 1 to 9 , wherein in the aging step, the first condition is to hold the gelatinized product in a temperature range of -2°C or higher and 5°C or lower for 30 minutes or longer and 2.5 hours or shorter. The method described in Crab. 前記老化させるステップにおいて、前記第2の条件は、前記糊化体を、-200℃以上-100℃以下の温度範囲で5秒以上10秒以下の時間保持するか、または、-100℃より高く-15℃以下の温度範囲で1時間以上24時間以下の時間保持する、請求項1~10のいずれかに記載の方法。 In the aging step, the second condition is that the gelatinized product is held in a temperature range of -200°C or higher and -100°C or lower for 5 seconds or longer and 10 seconds or shorter, or higher than -100°C. 11. The method according to any one of claims 1 to 10 , wherein the temperature range is -15°C or less for 1 hour or more and 24 hours or less. 前記分散媒を除去するステップは、大気圧乾燥または真空凍結乾燥によって行われる、請求項1~11のいずれかに記載の方法。 A method according to any preceding claim , wherein the step of removing the dispersion medium is performed by atmospheric pressure drying or vacuum freeze-drying. 前記分散媒を除去するステップは、前記老化体から40%以上90%以下の範囲を有する開気孔率を有する成形体が得られるまで行う、請求項1~12のいずれかに記載の方法。
The method according to any one of claims 1 to 12 , wherein the step of removing the dispersion medium is carried out from the aged body until a molded body having an open porosity ranging from 40% to 90% is obtained.
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