JPH05255796A - ニッケルサーメット及びその製法 - Google Patents

ニッケルサーメット及びその製法

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JPH05255796A
JPH05255796A JP4191328A JP19132892A JPH05255796A JP H05255796 A JPH05255796 A JP H05255796A JP 4191328 A JP4191328 A JP 4191328A JP 19132892 A JP19132892 A JP 19132892A JP H05255796 A JPH05255796 A JP H05255796A
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cermet
acid
yttrium
zirconyl
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Thomas P Lockhart
トーマス・ポール・ロックハート
Giampietro Piro
ジャンピエートロ・ピロ
Federica Gagliardi
フェデリカ・ガグリアルディ
Laura Zanibelli
ラウラ・ツァニベーリ
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Eni Tecnologie SpA
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SnamProgetti SpA
Eniricerche SpA
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    • H01M4/905Metals or alloys specially used in fuel cell operating at high temperature, e.g. SOFC
    • H01M4/9066Metals or alloys specially used in fuel cell operating at high temperature, e.g. SOFC of metal-ceramic composites or mixtures, e.g. cermets
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    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

(57)【要約】 【目的】 固状酸化物燃料電池(SOFC)用の負極物質と
して使用されるニッケルサーメット及びその製法を提供
する。 【構成】 本発明によるニッケルサーメットは、金属ニ
ッケル相35−70重量%及びイットリアにより立方体形で
安定化されたジルコニア相65−30重量%を含有し、これ
らの相は、X線回折分析において1μmより小のレベル
で明確にかつ均一に分布していることを示す。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】本発明は、ニッケルサーメット、その製法
及び固状酸化物燃料電池(SOFC)用の負極(anode)物
質としての使用に係る。
【0002】固状酸化物燃料電池は当分野で公知であ
り、該電池は、固状電解質としてイットリア(Y2O3)及
びジルコニア(ZrO2)の混合物を使用し、ニッケル/ジ
ルコニアサーメットでなる負極及びマンガン酸ランタン
(LaMnO3)正極を使用する。かかる電池の一般的説明に
ついては、Ullmann's Encyclopedia of Industrial Che
mistry,Vol.A12,1989年版,p.80−82及び付随の参
考文献を参照する。
【0003】負極物質として使用されるニッケル/ジル
コニアサーメットは、通常、イットリアにより立方体形
で安定化されたジルコニア中における金属ニッケルの分
散体で構成される。かかるサーメットの調製法は、本質
的に、安定化ジルコニア内に酸化ニッケルを機械的に分
散させ、ついで酸化ニッケルを金属ニッケルに還元する
ことによってなる。このようにして(たとえば米国特許
第3,300,344号によれば)、水溶液からの析出によって得
られたジルコニア及びイットリア混合物を、酸化ニッケ
ル及び炭素粉末を添加後成形体となし、高温下、炭素粉
末の作用によって酸化ニッケル還元して金属ニッケルと
する。
【0004】さらに、Morphology and Electrochemistr
y of Porous Nickel/Zirconia Cermets,S.C.Singha
l,Proceedings of the First International Symposiu
m onSolid Oxide Fuel Cells,1989,p.90−98には、
ボールミルにより酸化ニッケル及び安定化ジルコニアを
共摩砕することによって得られた焼結粉末の混合物の水
素による還元が開示されている。他の公知の技術は、た
とえばH.AraiによりInternational Symposium on SOF
C,Nov.13−14th,1989,Nagoya,Japanに記載されて
いるように、C.V.D.(化学蒸気析出)及びP.S.(プ
ラズマスプレー法)に基づくものである。従来技術から
公知の方法によって得られたニッケルサーメットは、主
として、ニッケルに興味ある触媒特性を提供するに充分
に広い活性表面を付与することができないことにより、
燃料電池に関する用途では完全に満足できるものではな
い(A.L.Leeら、Ind.Eng.Chem.Res.,1990,29,7
66−773)。さらに、酸化ニッケルの金属ニッケルへの完
全な還元の実施が困難であることによる他の問題点があ
る。上述のS.C.Singhalの文献には、事実、約3μm
より大きいサイズの粒子は、水素による還元後、NiOコ
アを保有することが報告されている。一方、C.V.D.
及びP.S.技術に関しては、得られる物質の品質及び該
技術を中電力電池及び高電力電池に応用する際に直面す
る困難性についての問題点がある。
【0005】発明者らは、本発明によって、2つの明確
な相をなす酸化ニッケル及び安定化ジルコニアでなり、
1μmより小のレベルの相分布を有する固状物質を得る
ことが可能な方法を見出した。さらに、かかる固状物質
に含有される酸化ニッケルは、水素によって完全に又は
実質的に完全に還元され、サブミクロンの相分布及び広
い活性ニッケル表面積を有するニッケルサーメット(該
ニッケルサーメットは、これら性質のため、固状酸化物
燃料電池用材料としての使用に特に好適なものとなる)
を生成できるとの知見を得ている。従って、1態様によ
れば、本発明は、金属ニッケル相35−70重量%及びイッ
トリアにより立方体形として安定化されたジルコニア相
65−30重量%でなり、X線回折分析において、これら両
相が1μmより小のレベルで明確にかつ均一に分布して
いることを示すニッケルサーメットであって、該ニッケ
ルサーメットは、パルスされた技術による水素化学吸着
テストに供される際、ニッケルの分散率0.2ないし2.0及
び比表面積2ないし12m2/g(ニッケル)及び1ないし
4m2/g(サーメット)を示すことを特徴とするニッケ
ルサーメットに係る。かかるニッケルサーメットは、通
常、その表面の一部がニッケルで被覆されており、この
被覆部分は全表面積の4−30%又はそれ以上である。
【0006】他の態様によれば、本発明は、上述の特性
を有するニッケルサーメットの製法にも係り、該製法
は、(a)水溶性、熱分解性のジルコニル、イットリウ
ム及びニッケルの塩、及び有機ヒドロキシ酸又はアミノ
酸、又はポリ(アクリル酸)を含有する水溶液を調製
し、(b)前記工程(a)で調製した溶液から、分解現
象の不存在下又は実質的に不存在下で水を除去して、多
孔性の固状物質を分離し、(c)前記工程(b)で分離
した多孔性の固状物質を酸化条件下でか焼して、酸化ニ
ッケル及びイットリアにより立方体形で安定化されたジ
ルコニアの2つの明確な相を含有すると共に、1μmよ
り小のレベルの相分布を有する固状物質を生成し、及び
(d)前記工程(c)から得られた固状物質内で酸化ニ
ッケルを金属ニッケルに還元させてニッケルサーメット
を得ることを特徴とする。本発明の方法の工程(a)に
おいて溶液を調製するに当たり使用する水溶性、熱分解
性のジルコニル、イットリウム及びニッケルの塩は、カ
ルボン酸塩及び硝酸塩の中から選ばれる。特に好適な塩
は、硝酸ジルコニル、酢酸ジルコニル、酢酸イットリウ
ム、硝酸ニッケル及び酢酸ニッケルである。本発明での
使用に適するヒドロキシ酸は、脂肪族又は芳香族ヒドロ
キシ酸(たとえばクエン酸、乳酸、グリコール酸、酒石
酸及びマンデル酸)の中から選ばれる。これらの中でも
クエン酸が好適である。好適なアミノ酸はグリシン及び
アラニンである。目的によっては、ポリ(アクリル酸)
も使用できる。好適には、最終生成物として得られるニ
ッケルサーメットにおいて金属ニッケル含量35−70重量
%及びジルコニア100モル当たりイットリア5−20モル
で安定化されたジルコニア65−30重量%となる相対比で
塩を含有するジルコニル、イットリウム及びニッケルの
塩の水溶液を調製する。さらに、有機ヒドロキシ酸又は
アミノ酸の量はジルコニウム1モル当たり2−4モルの
範囲内である。これら条件下では、溶液のpHは通常2−
5の範囲内である。この溶液は、室温で操作して、塩及
び有機ヒドロキシ酸を水に溶解させることにより調製さ
れる。より高い温度で操作することにより溶解を促進で
きる。反応体の添加の順序は問題ではない。しかしなが
ら、有機ヒドロキシ酸の水溶液を調製し、この溶液にジ
ルコニル、イットリウム及びニッケルの塩を添加するこ
とが好ましい。
【0007】本発明によれば、工程(b)に当たり、分
解現象の発生を阻止し、又は実質的に阻止できる温度条
件下で操作することによって、得られた溶液から水を除
去する。特に、かかる水の除去は、減圧下、約80℃以下
の温度において、たとえば回転エバポレーターを使用し
て水を蒸発させることによって行われる。他の操作法に
よれば、スプレー乾燥法に従い、不活性ガス(たとえば
窒素又は空気)による並流又は向流スプレー乾燥装置
に、微粒状物質の濃度約5−約30%(重量/重量)を有
する溶液を供給することによって水を除去する。一般
に、スプレードライヤーに導入されるガス流は、温度15
0−300℃、好ましくは180−200℃を有するべきであり、
該ドライヤーを出るガス流は温度90−200℃、好ましく
は130−170℃を有するべきである。いずれの場合にも、
この乾燥工程からは、利用した温度に応じて一般に緑−
黄土色のもろい多孔性固状物が得られる。
【0008】本発明によれば、このようにして得られた
固状物質を、本発明の方法の工程(c)において、高温
条件下、酸化雰囲気中で操作することによるか焼に供す
る。特に、好適なか焼温度は一般に800−1000℃の範囲
内であり、か焼時間は一般に1−10時間の範囲内であ
る。好適な1具体例によれば、か焼は、温度約900℃に
おいて3−5時間で行われる。酸化雰囲気は酸素、空気
又は酸素富有空気で構成される。これら条件下で操作す
ることによって、固状物質から可燃性又は分解性のフラ
クションが除去され、存在する金属の酸化物が生成す
る。驚くべきことには、かかる固状物質は酸化ニッケル
及びイットリアにより立方体形で安定化されたジルコニ
アでなり、1μmより小のレベルの相分離を有すること
が観察された。該方法の工程(d)において、上記固状
物質を水素による処理に供して、酸化ニッケルを金属ニ
ッケルに還元し、ニッケルサーメットを得る。特に、該
還元は、温度20−1000℃で操作して、か焼した固状物質
を水素ガスと接触させることによって行われ、酸化ニッ
ケルの金属ニッケルへの完全な又は実質的に完全な還元
が達成される。有効な還元時間は約1−3時間である。
このようにして、一般に金属ニッケル相35−70重量%及
びイットリアにより立方体形で安定化されたジルコニア
相65−30重量%を含有し、上述の如く他の特性を発揮す
る本発明によるニッケルサーメットが得られる。
【0009】本発明の他の態様によれば、本発明は、そ
の負極として上述の特性を有するニッケルサーメットを
含有してなる固状酸化物燃料電池に係る。特に、かかる
負極は、公知の技術により、本発明のニッケルサーメッ
トを、イットリアにより安定化させたジルコニアの固状
電解質に塗布することによって得られる。固状電解質の
好適な1具体例によれば、本発明による方法の工程
(c)におけるか焼の後に得られた金属酸化物の粉末を
塗布し、つづいて、「その場」での還元によって酸化ニ
ッケルを金属ニッケルとする。
【0010】本発明をさらに説明するため、いくつかの
実施例を例示する。 実施例1 脱塩水330ml中に、室温でクエン酸・1水和物(C6H8O7
・H2O)100.07gを溶解させ、ついで硝酸ジルコニル水
和物(ZrO(NO3)2・xH2O;ジルコニウム含量32.71重量
%)15.605g、酢酸イットリウム・4水和物(Y(CH3CO
O)3・4H2O;イットリウム26.8重量%)4.332g及び硝
酸ニッケル・6水和物(Ni(NO3)2・6H2O;ニッケル20.
18重量%)25.46gを溶解させた。溶液を回転エバポレ
ーターに充填し、70℃、74mmHgで操作することによって
溶媒を蒸発させた。緑色のもろい多孔性の固状残渣146
gを回収した。マッフル炉において、流動する空気流
下、900℃、4時間で固状物質をか焼した。粉末X線回
折分析において、酸化ニッケル及びイットリアで安定化
されたジルコニアでなり、他の検知される結晶相が存在
しないことを示す固状物質16.38gを得た。固状生成物
におけるニッケル含量は35.14重量%であった。さら
に、か焼した固状物質をX線マッピング(STEM)(サンプ
ル中に存在する結晶相の分布をサブミクロンレベルで測
定できる)に供した。これにより、イットリアで安定化
されたジルコニアマトリックス全体にわたって、1μm
より小のレベルで酸化ニッケルが均一に分布しているこ
とが測定された。か焼した固状物質をTPR(サーマル・
プログラムド・リダクション)法による還元に供した。
さらに詳述すれば、サンプル(粒径20−40メッシュ)50mgを
管状の石英反応器に充填し、流量2.2ml/分で流動し、
ヘリウム(ガスの純度99.999%)17ml/分で希釈した水
素流にさらした。サンプルを、管状炉により、直線温度
勾配10℃/分で30℃から900℃まで加熱した。反応器か
らの流出流を四重極質量分析計によって分析した。還元
テストの結果を後述の表1に示す。水素化したサンプル
を、パルス化された技術による水素の化学吸着のテスト
に供した。かかるテストから、ニッケルの分散率
(%)、ニッケルの比表面積(m2/g)、サーメットの比
表面積(m2/g);全表面に対する被覆された表面積の
割合(%)の各値を得た。これらのデータを後述の表2
に示す。
【0011】実施例2 脱塩水250ml中に、室温でクエン酸・1水和物(C6H8O7
・H2O)38.8gを溶解させ、ついで硝酸ジルコニル水和
物(ZrO(NO3)2・xH2O;ジルコニウム含量32.71重量%)
3.91g、酢酸イットリウム・4水和物(Y(CH3COO)3・4
H2O;イットリウム26.8重量%)1.08g及び硝酸ニッケ
ル・6水和物(Ni(NO3)2・6H2O;ニッケル20.18重量
%)12.73gを溶解させた。溶液を回転エバポレーター
に充填し、70℃、74mmHgで操作することによって溶媒を
蒸発させた。緑色のもろい多孔性の固状残渣56.55gを
回収し、マッフル炉において、流動する空気流下、900
℃、4時間で固状物質をか焼した。粉末X線回折分析に
おいて、酸化ニッケル及びイットリアで安定化されたジ
ルコニアでなり、他の検知される結晶相が存在しないこ
とを示す固状物質5.73gを得た。固状生成物におけるニ
ッケル含量は44.7重量%であった。さらに、か焼した固
状物質をX線マッピング(STEM)(サンプル中に存在する
結晶相の分布をサブミクロンレベルで測定できる)に供
した。これにより、イットリアで安定化されたジルコニ
アマトリックス全体にわたって、1μmより小のレベル
で酸化ニッケルが均一に分布していることが測定され
た。か焼した固状物質のサンプル(粒径20−40メッシュ)50
mgを実施例1と同じ条件下で水素によって処理した。テ
ストの結果を後述の表1に示す。
【0012】実施例3 脱塩水250ml中に、室温でクエン酸・1水和物(C6H8O7
・H2O)27.07gを溶解させ、ついで硝酸ジルコニル水和
物(ZrO(NO3)2・xH2O;ジルコニウム含量32.71重量%)
1.95g、酢酸イットリウム・4水和物(Y(CH3COO)3・4
H2O;イットリウム26.8重量%)0.54g及び硝酸ニッケ
ル・6水和物(Ni(NO3)2・6H2O;ニッケル20.18重量
%)8.54gを溶解させた。溶液の重量を蒸留水の添加に
よって500gに調整した。得られた溶液を、温度215℃の
ガス流を流入させ、温度150℃のガス流が排出されるス
プレードライヤーに供給した。緑色のもろい多孔性の固
状残渣38.1gを回収し、マッフル炉において、流動する
空気流下、900℃、4時間で固状物質をか焼した。粉末
X線回折分析において、酸化ニッケル及びイットリアで
安定化されたジルコニアでなり、他の検知される結晶相
が存在しないことを示す固状物質3.78gを得た。固状生
成物におけるニッケル含量は55.70重量%であった。さ
らに、か焼した固状物質をX線マッピング(STEM)(サン
プル中に存在する結晶相の分布をサブミクロンレベルで
測定できる)に供した。これにより、イットリアで安定
化されたジルコニアマトリックス全体にわたって、1μ
mより小のレベルで酸化ニッケルが均一に分布している
ことが測定された。か焼した固状物質のサンプル(粒径
20−40メッシュ)50mgを実施例1と同じ条件下において水素
で処理した。このテストから得られた結果を表1に示
す。水素化したサンプル0.4548gを、実施例1に記載の
化学吸着のテストに供した。結果を表2に示す。
【表1】 実施例 還元の開始時 還元の終了時 還元速度が最大となる (番号) 温度 (℃) 温度 (℃) 際の温度 (℃) 1 322 454 398 2 288 468 398 3 305 498 405
【表2】 実施例 分散率 ニッケルの 固状物の 被覆された 比表面積 比表面積 表面 (番号) (Ni%) (m2/g) (m2/g) (%) 1 1.4903 9.9278 3.4886 21.05 2 0.5122 3.4121 1.900 18.55 3 0.8708 5.808 2.7670 19.60
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トーマス・ポール・ロックハート イタリー国ローディ市コルソ・マッジーニ 45 (72)発明者 ジャンピエートロ・ピロ イタリー国ミラノ市ビア・サン・ツァンバ ルディ1 (72)発明者 フェデリカ・ガグリアルディ イタリー国カステルランザ市ビア・ドン・ テストーリ38 (72)発明者 ラウラ・ツァニベーリ イタリー国ミラノ市ビア・ペッレグリー ノ・ロッシ15

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】金属ニッケル相35−70重量%及びイットリ
    アにより立方体形として安定化されたジルコニア相65−
    30重量%でなり、X線回折分析において、これら両相が
    1μmより小のレベルで明確にかつ均一に分布している
    ことを示すニッケルサーメットであって、該ニッケルサ
    ーメットは、パルスされた技術による水素化学吸着テス
    トに供される際、ニッケルの分散率0.2ないし2.0及び比
    表面積2ないし12m2/g(ニッケル)及び1ないし4m2
    /g(サーメット)を示すことを特徴とする、ニッケル
    サーメット。
  2. 【請求項2】請求項1記載のニッケルサーメットの製法
    において、(a)水溶性、熱分解性のジルコニル、イッ
    トリウム及びニッケルの塩、及び有機ヒドロキシ酸又は
    アミノ酸、又はポリ(アクリル酸)を含有する水溶液を
    調製し、(b)前記工程(a)で調製した溶液から、分
    解現象の不存在下又は実質的に不存在下で水を除去し
    て、多孔性の固状物質を分離し、(c)前記工程(b)
    で分離した多孔性の固状物質を酸化条件下でか焼して、
    酸化ニッケル及びイットリアにより立方体形で安定化さ
    れたジルコニアの2つの明確な相を含有すると共に、1
    μmより小のレベルの相分布を有する固状物質を生成
    し、及び(d)前記工程(c)から得られた固状物質内
    で酸化ニッケルを金属ニッケルに還元させてニッケルサ
    ーメットを得ることを特徴とする、ニッケルサーメット
    の製法。
  3. 【請求項3】請求項2記載の製法において、前記工程
    (a)での溶液の調製に使用する水溶性、熱分解性のジ
    ルコニル、イットリウム及びニッケルの塩が、カルボン
    酸塩及び硝酸塩の中から選ばれるものである、ニッケル
    サーメットの製法。
  4. 【請求項4】請求項3記載の製法において、前記ジルコ
    ニル、イットリウム及びニッケルの塩が、硝酸ジルコニ
    ル、酢酸ジルコニル、酢酸イットリウム、硝酸ニッケル
    及び酢酸ニッケルである、ニッケルサーメットの製法。
  5. 【請求項5】請求項2記載の製法において、有機ヒドロ
    キシ酸がクエン酸、乳酸、グリコール酸、酒石酸及びマ
    ンデル酸の中から選ばれるものであり、有機アミノ酸が
    グリシン及びアラニンから選ばれるものである、ニッケ
    ルサーメットの製法。
  6. 【請求項6】請求項5記載の製法において、ヒドロキシ
    酸がクエン酸である、ニッケルサーメットの製法。
  7. 【請求項7】請求項2−6のいずれか1項記載の製法に
    おいて、前記工程(a)に当たり、最終生成物として得
    られるニッケルサーメットにおいて金属ニッケル含量35
    −70重量%及びジルコニア100モル当たりイットリア5
    −20モルで安定化されたジルコニア65−30重量%となる
    相対比で塩を含有し、有機ヒドロキシ酸又はアミノ酸の
    量がジルコニウム、イットリウム及びニッケルの塩のモ
    ル当たり2−4モルであり、pHが2−5の範囲であるジ
    ルコニル、イットリウム及びニッケルの塩の水性溶液を
    調製する、ニッケルサーメットの製法。
  8. 【請求項8】請求項2記載の製法において、前記工程
    (b)に当たり、減圧下、約80℃以下の温度で操作する
    ことにより、又はスプレー乾燥によって溶液から水を除
    去する、ニッケルサーメットの製法。
  9. 【請求項9】請求項2記載の製法において、前記工程
    (c)に当たり、か焼を、温度800−1000℃、時間1−1
    0時間の条件下、酸素、空気又は酸素富有空気雰囲気中
    で行う、ニッケルサーメットの製法。
  10. 【請求項10】請求項9記載の製法において、前記か焼
    を、約900℃、3−5時間で行う、ニッケルサーメット
    の製法。
  11. 【請求項11】請求項2記載の製法において、前記工程
    (d)に当たり、温度20−1000℃で操作して、か焼した
    固状物質を水素と接触させることにより還元を行う、ニ
    ッケルサーメットの製法。
  12. 【請求項12】固状酸化物燃料電池(SOFC)用のアノー
    ド物質としての請求項1記載のニッケルサーメットの使
    用法。
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