JPH09132459A - 多孔質セラミックス焼結体 - Google Patents

多孔質セラミックス焼結体

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JPH09132459A
JPH09132459A JP28953295A JP28953295A JPH09132459A JP H09132459 A JPH09132459 A JP H09132459A JP 28953295 A JP28953295 A JP 28953295A JP 28953295 A JP28953295 A JP 28953295A JP H09132459 A JPH09132459 A JP H09132459A
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JP
Japan
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formula
open porosity
sintered body
regulated
average particle
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JP28953295A
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English (en)
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Yukio Kobayashi
幸夫 小林
Yasunori Kato
泰範 加藤
Akihiko Yoshida
明彦 吉田
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Shin Etsu Chemical Co Ltd
Original Assignee
Shin Etsu Chemical Co Ltd
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00474Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00
    • C04B2111/00853Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 in electrochemical cells or batteries, e.g. fuel cells

Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 固体電解質型燃料電池の空気極用として有用
とされる、ペロブスカイト型結晶構造のランタン・スト
ロンチウム・マンガナイト粉末からなる多孔質セラミッ
クス焼結体を提供する。 【解決手段】 本発明の多孔質セラミックス焼結体は、
式La1-xSrxMnO3(ここでxは 0.1〜 0.2)で表わされる
ペロブスカイト型結晶構造で、開気孔率が20〜30%で、
平均気孔例が1〜3μmであることを特徴とするもので
ある。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は多孔質セラミックス
焼結体、特には固体電解質型燃料電池の空気極用として
有用とされる多孔質セラミックス焼結体に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】固体電解質型燃料電池(以下SOFCと
略記する)の開発においては、高温で安定な材料の選定
が重要であり、現在SOFCの空気極材料としてはラン
タン・マンガナイトLaMnO3(一般式ABO3)の焼結体が有
望とされているが、このランタン・マンガナイトについ
ては特にAサイトの一部が欠損し、かつAサイトのLa
の一部をSrで置換したランタン・ストロンチウム・マ
ンガナイト(LaSrMnO3)からなる焼結体がSOFCの空
気極の材料として最有望とされている。
【0003】SOFCの空気極については空気などのガ
ス透過性の優れていることが要求されるが、これには燃
料電池の作動温度が 900〜 1,000℃という高温であるこ
とから、高温での寸法安定性に優れていることも要求さ
れる。そのため、最近では空気の透過抵抗を減少させる
ため、さらにはコストダウンのために、空気極自体に固
体電解質体や燃料電極膜の支持体(基材)の機能を持た
せた電池構造の検討も進められている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、この多孔質焼
結体にSOFCの作動温度である 1,000℃と室温との間
で熱サイクルをかけると、空気極とその基材上に熔射法
で構成される他の電極材料との間で剥離やクラックが発
生して、燃料電池の発電性能が低下したり、電池が破壊
されるという問題が発生して、長期運転(サイクル寿
命)に大きな障害となっている。
【0005】この原因の一つは、空気極とその基材上に
熔射などで積層される電解質膜(YSZ)および燃料極
膜(Ni−YSZ)などのそれぞれの熱膨張係数の差に
よって、高温時に各電極材料膜の界面に新たに熱応力が
発生する。また、熔射法のように局部加熱を伴う製造プ
ロセスでは残留応力が基材内部に発生し易く、この残留
応力を温存したままSOFCの空気極材料として高温加
熱に使用すると、他の電極材料との熱膨張係数の差によ
る熱応力が新たに加わって、クラックや破壊が発生し易
くなると考えられる。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明はこのような不
利、問題点を解決したSOFCの空気極用として有用と
される多孔質セラミックス焼結体に関するものであり、
これは、式La1-xSrxMnO3(ここでxは 0.1〜 0.2)で表
わされるペロブスカイト型結晶構造で、開気孔率が20〜
30%で、平均気孔径が1〜3μmであることを特徴とす
るものである。
【0007】この多孔質セラミックス焼結体となるラン
タン・ストロンチウム・マンガナイトについては、式La
1-xSrxMnO3で表わされるもので、ここでxは 0.1〜0.2
の値とするもので、xをこの範囲とする理由は、他の電
極材料との熱膨張係数差を小さくするために有効的とさ
れるもので、xが 0.1〜0.2 の範囲外では反りなどの変
形を起す恐れがある。これによって他の電極材料のYS
ZやNi−YSZとの熱膨張係数の差を小さくすると高
温作動中に新たに発生する熱応力が小さくなるし、又高
温−室温間の線収縮率も低減され反りなどの変形も生じ
難くなるということが見出された。
【0008】多孔質セラミックス焼結体のガス透過性と
強度の両特性をバランスよく満足させるには、原料粉末
となる上記ランタン・ストロンチウム・マンガナイト粉
を焼結した焼結体中の開気孔率と気孔の大きさ(気孔
径)が大きく寄与することを見出し、これについて検討
を進めた結果、これの開気孔率についてはこれが20%未
満では十分なガス透過性が得られないという不利があ
り、30%を越えると強度の低下という問題点が発生する
ので、これは20〜30%とすることがよく、この気孔径に
ついてはこれが1μm未満では小さすぎてガスの透過抵
抗が増大するという不利が生じ、3μmを越えると応力
集中が起こりやすいという問題点が発生するので1〜3
μmとすることがよく、したがってこれを開気孔率が20
〜30%で気孔径が1〜3μmのものとすればこのものが
高温において最も寸法安定性の優れたものになり、強度
も大きく、さらに前記した反りなどの変形も少なくなる
ことを見出した。
【0009】他方、この焼結体のガス透過性について
は、焼結体中の開気孔率とそれを構成する気孔径により
支配されることが知られており、したがって平均気孔径
の大きいほどガスの透過性が向上し、燃料電池の発電特
性が良くなるが、この場合には焼結体の強度が弱くな
り、電池製作上の取り扱いが困難になる。また、気孔径
が大きいと 1,000℃の高温作動中に焼結が進行して空気
極が収縮したり、変形を生じ易いが、このような空気極
の収縮やそれに伴う反りなどの変形は、その基材上に熔
射などの方法で積層される他の電極材料膜の剥離やクラ
ックなどによって接触抵抗を増大させ、燃料電池の発電
性能の低下や破壊を生じさせるので、この気孔径は前記
したように1〜3μmとすることが必要とされる。
【0010】この多孔質セラミックス焼結体を製造する
ための原料粉末としてのランタン・ストロンチウム・マ
ンガナイト粉末は平均粒径が小さいほど焼結体の線収縮
率が大きくなる傾向があり、これは粉末の平均粒径の大
小による結合剤の添加量や粒度分布によって若干異なっ
てくるが、好ましくは成形性およびハンドリング性を考
慮して平均粒径が5μm以上とすることがよい。しか
し、これは目的とする多孔質セラミックス焼結体が前記
したように開気孔率20〜30%で平均気孔率が1〜3μm
とすることが必要とされることから、造孔材としての炭
素粉末と有機バインダーを添加して加熱焼結することが
必要とされる。
【0011】ここに使用する造孔材としての炭素粉末は
500〜 600℃と比較的低温で均一な酸化反応が容易に進
行し易いことから、平均粒径が1〜10μmの高純度微粉
末(灰分1%以下)とすればよいが、これは比表面積が
200m2/g以下では酸化反応が不十分となって安定した均
一な気孔径分布が得られず、また 300m2/g以上とすると
水分やガスなどの吸着が起り易く、湿式混合でも均一に
分散せず、均一な気孔率分布が得られ難いので、これは
完全酸化反応の指標となる比表面積が 200〜300m2/g の
ものが好ましい。なお、ここに使用される有機バインダ
ーは特に限定されないが、これは公知のポリビニルアル
コール、メチルセルロースなどとすればよい。
【0012】本発明の多孔性セラミックス焼結体は前記
したタンタル・ストロンチウム・マンガナイト粉末に上
記した造孔材としての炭素粉末と有機バインダーを添加
し、これを高温で焼結することによって製造されるが、
この焼結温度は 1,400℃未満では気孔径が大きくなる
し、焼結体の密度も低くなって十分な強度が確保できな
くなり、 1,500℃を越えると強度は向上するが開気孔率
が低下するので、開気孔率および気孔径を考慮して 1,4
00〜 1,500℃とすることが好ましい。
【0013】本発明者らは多孔質セラミックス焼結体に
SOFCの作動温度である 1,000℃と室温との間で熱サ
イクルをかけたときの上記した不具合の発生原因をしら
べたところ、これには基材となる空気極を構成する多孔
質焼結体については、製造する焼結時間と多孔質焼結体
の寸法収縮または反り変形との間に明確な関係のあるこ
とを知り、上記の焼結温度範囲において、焼結温度を一
定とした場合には焼結時間の増加に伴なって多孔質焼結
体の線収縮率、反りが次第に飽和して一定になるという
ことを見出した。すなわち、この焼結時間は10時間未満
では線収縮率および重量減少が飽和せず、開気孔率およ
び気孔径が一定にならず、安定しないので10時間以上、
好ましくは10〜12時間とすることが良い。
【0014】
【発明の実施の形態】つぎに本発明の実施の形態を実施
例および比較例にもとづいて説明する。
【0015】
【実施例】
実施例1 ペロブスカイト型結晶構造に合成された式La0.85Sr0.15
MnO3で示される、平均粒径 5.6μmのランタン・ストロ
ンチウム・マンガナイト粉末75重量%に、造孔材として
の平均粒径が 7.0μmで比表面積が 280m2/gの高純度炭
素粉末23重量%と有機バインダーとしてのポリビニルア
ルコール2重量%を添加し、これらをボールミル中で混
合し、乾燥造粒して成形したのち、酸化性雰囲気で 1,4
50℃まで加熱し、この温度で10時間焼結したところ、直
径 300mm、厚さ3mmの平板型の多孔質セラミックス焼結
体が得られたので、この物性をしらべたところ、反りも
なく、開気孔率が26%で平均気孔径が 1.2μmであり、
曲げ強度は57MPaであった。なお、開気孔率は水銀圧
入法、平均気孔径は水銀圧入法、曲げ強度は3点曲げ試
験法によりそれぞれ測定した(以下同じ)。
【0016】実施例2 ペロブスカイト型結晶構造に合成された式La0.80Sr0.20
MnO3で示される、平均粒径が 7.0μmのランタン・スト
ロンチウム・マンガナイト粉末73重量%に、造孔材とし
ての平均粒径が 3.0μmで比表面積が 280m2/gの高純度
カーボンブラック粉末20重量%と有機バインダーとして
のメチルセルロース7重量%を添加し、これらをボール
ミルで混合し、乾燥造粒して成形したのち、酸化性雰囲
気で 1,400℃まで加熱し、この温度で12時間焼結したと
ころ、直径 300mm、厚さ3mmの平板状の多孔質セラミッ
クス焼結体が得られたので、この物性をしらべたとこ
ろ、これには反りもなく開気孔率が22%で平均気孔径が
2.9μmであり、曲げ強度は52MPaであった。
【0017】比較例 ペロブスカイト型結晶構造に合成された式La0.95Sr0.05
MnO3で示される、平均粒径が 3.5μmのランタン・スト
ロンチウム・マンガナイト粉末75重量%に、造孔材とし
ての平均粒径が 5.0μmで比表面積が 210m2/gの高純度
炭素粉末22重量%と、有機バインダーとしてのポリビニ
ルアルコール3重量を添加し、これらをボールミルで混
合し、乾燥造粒して成形したのち、酸化性雰囲気中で
1,300℃まで加熱し、この温度で7時間焼結したとこ
ろ、直径 300mm、厚さ3mmの平板型の多孔質セラミック
ス焼結体が得られたが、これは焼結温度が 1,300℃と低
く、焼結時間が7時間と短いために開気孔率が33%と高
く、平均気孔径が 4.8μmと大きいことから、曲げ強度
も35MPaに低下しており、反りも認められた。
【0018】
【発明の効果】本発明は多孔質セラミックス焼結体に関
するものであるが、これはペロブスカイト型結晶構造に
合成されたLa1-xSrxMnO3で示されるランタン・ストロン
チウム・マンガナイト粉末に造孔材としての炭素粉末と
有機バインダーを添加し、高温で焼成して開気孔率が20
〜30%で、平均気孔径が1〜3μmとしたものであり、
高温における寸法安定性が優れており、強度も大きく、
反りなどの変形も少ないことから、固体電解質型燃料電
池(SOFC)の空気極用として有用とされるものであ
る。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 式La1-xSrxMnO3(ここでxは 0.1〜 0.
    2)で表わされるペロブスカイト型結晶構造で、開気孔
    率が20〜30%で、平均気孔径が1〜3μmであることを
    特徴とする多孔質セラミックス焼結体。
JP28953295A 1995-11-08 1995-11-08 多孔質セラミックス焼結体 Pending JPH09132459A (ja)

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