JPH10316430A - 高温用充填材料及びその製造方法 - Google Patents

高温用充填材料及びその製造方法

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JPH10316430A
JPH10316430A JP9127171A JP12717197A JPH10316430A JP H10316430 A JPH10316430 A JP H10316430A JP 9127171 A JP9127171 A JP 9127171A JP 12717197 A JP12717197 A JP 12717197A JP H10316430 A JPH10316430 A JP H10316430A
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JP
Japan
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powder
zircon
particle diameter
zirconia
zirconia powder
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Pending
Application number
JP9127171A
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English (en)
Inventor
Kazutaka Mori
一剛 森
Hitoshi Miyamoto
均 宮本
Tsuneaki Matsudaira
恒昭 松平
Koichi Takenobu
弘一 武信
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Publication date
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

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  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】粉粒体を最密充填させ、ガス透過性に低い高温
用充填材料を得ることを課題とする。 【解決手段】ジルコニア粉の粒径が10μm〜40μm
及び1μm〜10μm、ジルコン粉の粒径が0.1μm
〜1.0μmであり、ジルコニア粉とジルコン粉の混合
比率がジルコニア粉:ジルコン粉=75/25〜85/
15であることを特徴とする高温用充填材料。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は高温用充填材料及び
その製造方法に関し、特に固体酸化物燃料電池(SOF
C)あるいは固体酸化物水蒸気電解装置(SOE)等の
シールや接着に使用されるものである。
【0002】
【従来の技術】従来、高温用の充填材料としては、水ガ
ラスにシリカ,アルミナ,ジルコニア等のセラミック粒
子を分散させた高温用接着剤あるいはガラス粉末を軟化
させることによる高温用シール材料、更に金のように酸
化しにくい金属からなるシートを被接着物の間に挟み、
融点まで温度を上げて金属を溶かし、接着する方法等が
知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】高温用の充填材料は、
被接着物を接着すると同時にガスの透過性が低いことが
必要である。また、高温で使用することを考えた場合に
は、温度の上げ、下げにおいて、被接着物の熱膨張の一
致化等の特性が要求される。
【0004】例えば、SOFCへの高温用シールを考え
た発電膜であるイットリア安定化ジルコニア(YSZ)
とインターコネクターであるランタンクロマイトを接着
すると同時に、燃料である水素又は酸化剤である空気の
シールをする必要がある。
【0005】YSZ及びランタンクロマイトは、各々の
熱膨脹係数の値が10.0×10-6-1(室温から10
00℃までの平均値)とほぼ一致させている。接着充填
用材料としては、温度差により構造体を破壊させないと
いう観点から、熱膨脹が一致する必要がある。
【0006】また、SOFCを考えた場合には、作動温
度は約1000℃であり、また電極の耐熱温度が130
0℃程度であるため、融着のための施工温度は1300
℃程度以下であること、及び1000℃では硬化してい
ることが必要である。
【0007】しかしながら、従来の充填用材料では、こ
のような条件を満足させることは困難であった。つま
り、水ガラスにシリカ,アルミナ,ジルコニア等のセラ
ミックス粒子を分散させた充填材料は多孔質であり、完
全なガスシール性を得ることは困難であった。ガラスを
使用する場合には、軟化点が1000℃より高いガラス
を得ることは困難であると同時に、熱膨脹係数が10.
0×10-6-1と高い値を得ることも困難である。
【0008】更に、金のように酸化しにくい金属のシー
トを被接着物の間に挟み、融点まで温度を上げて金属を
溶融し、接着する方法では、金属の融点を利用するた
め、作業温度範囲が狭い、あるいは使用温度範囲が狭
い、あるいは熱膨張率が大きくなるなどの問題点があ
る。
【0009】本発明はこうした事情を考慮してなされた
もので、所定の粒径をもつジルコニア粉及びジルコン粉
を所定の配合割合で混合することにより、粉粒体を最密
充填させ、ガス透過性に低い高温用充填及びその製造方
法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本願第1の発明は、ジル
コニア粉の粒径が10μm〜40μm及び1μm〜10
μm、ジルコン粉の粒径が0.1μm〜1.0μmであ
り、ジルコニア粉とジルコン粉の混合比率がジルコニア
粉:ジルコン粉=75/25〜85/15であることを
特徴とする高温用充填材料である。
【0011】本願第2の発明は、微細なジルコン粉を予
め分散剤及び分散媒を用いてボールミル等の手法により
分散処理した後、粗粒であるジルコニア粉を混合するこ
とを特徴とする高温用充填材料の製造方法である。
【0012】本発明らは、上記した問題点を解決するた
め鋭意検討したところ、次のような結論に至った。つま
り、充填材料として、3モル%イットリア安定化ジルコ
ニア(熱膨脹係数10.9×10-6-1,3モル%YS
Z)と、熱膨脹係数制御の観点からジルコン(ZrO2
・SiO2 )(熱膨脹係数7.9×10-6-1)の混合
物を使用する。
【0013】基本的には、粗粒のジルコニア粉に対し、
微粒のジルコン粉を添加することにより粒子の最密充填
構造を形成し、緻密で熱膨脹がYSZと合致した充填材
料を提供するものである。
【0014】本特許においては、粒子の最密充填構造を
形成するため、微粉であるジルコン粉の処方につては注
意が必要である。つまり、微粉であるジルコン粉は、通
常乾燥粉として供給され凝集体である。従って、このよ
うな粉をそのまま使用するのでは目標とする特性を得る
ことはできない。
【0015】そこで、ベースとするジルコニア粗粒子に
対し、熱膨脹を制御すると同時に、最密充填する観点か
ら微細なジルコン粒子を添加して、YSZと熱膨脹が一
致して緻密な充填ができるようにする。
【0016】この時、微細なジルコンは充分に分散し、
一次粒子に近い形まで処理したスラリーに、粗粒のジル
コニアを添加し、高固形分濃度でかつ充填性の高いスラ
リーとすることが好ましい。
【0017】高固形分濃度とするために粉体と分散剤,
分散媒の組み合わせが重要であり、分散媒を水とする場
合、分散剤としてはポリカルボン酸、ポリアクリル酸等
が候補として考えられる。また、スラリーを高固形分が
濃度としてた場合には、スラリー混合中に気泡が入り、
それが抜けない状態で固定されるため、使用時には予め
真空脱泡処理することが好ましい。このようにして得た
充填材料は、接合部に塗布後,乾燥することにより、強
い付着力と高いシール性能を示す。
【0018】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図面を
参照して説明する。充填材料の主材として、YSZ(3
モル%イットリア安定化ジルコニア)の粗粉を使用し
た。このYSZの熱膨脹係数は10.9×10-6-1
ある。また、原粉の粒径は平均粒径50μm(10μm
〜80μm)であり、粉砕することにより、大粒(10
μm〜40μm)と中粒(1μm〜10μm)とした。
更に、使用するジルコン粉は微粒で比表面積10m2
g(平均粒径0.3μm)であるが、乾燥粉であり、強
く凝集している。また、ジルコンの熱膨脹係数は、7.
9×10-6℃である。このように、粒径を変化させるの
は、粒子が充填時最密充填構造をとるようにするために
決めたものである。
【0019】ジルコニア粉に対するジルコン粉の添加量
による熱膨脹係数の変化を図1に示す。図1において、
横軸はジルコン粉の含有量(wt%)であり、縦軸は室
温から1000℃までの平均熱膨脹係数である。ジルコ
ニアの熱膨脹係数は10.9×10-6-1と比較的高い
ものの、ジルコン粉を添加することにより小さくするこ
とが可能である。
【0020】また、20wt%のジルコン粉を添加した
ものは10.0×10-6-1程度の値となり、SOFC
用の固体電解質として使用される,8モル%イットリア
安定化ジルコニア(10.2×10-6-1)の値ととほ
ぼ一致する。従って、ジルコニア粉とジルコン粉の比は
熱膨脹の値を8モル%イットリア安定化ジルコニアから
大きく変化させない観点から、75/25〜85/15
が好ましい。
【0021】更に、大粒ジルコニア粉(10μm〜40
μm)40wt%,中粒ジルコニア粉(1μm〜10μ
m)40wt%,及び微粒ジルコン粉(0.1μm〜
1.0μm)20wt%について、分散剤の有無による
差を検討した。ボールミルに分散媒としての水及び分散
剤の有無による差を確認するため、それぞれの条件でス
ラリー化したスラリーを乾燥固化した後、水銀圧入式ポ
ロシメータを用いて、微細径及び細孔容積を測定した。
なお、この時、分散剤としてはポリカルボン酸アンモニ
アを使用した。
【0022】図2に細孔の比較データを示す。分散剤の
有無により得られる多孔体の特性,つまり平均径および
細孔容積は大きく変化することが分かる。平均細孔径を
小さく、また細孔容積を小さくするためには、粉体の最
密充填を行うことが必要であり、そのためには分散条件
が重要であることがわかった。
【0023】このような多孔体を直径20mm,厚さ5
mmのディスク状に加工し、ガスの透過速度を測定し
た。ガス種類は空気とし、両面で差圧をつけた状態で透
過量を測定した。その結果を図3に示す。図3におい
て、横軸は差圧,縦軸は透過流量で相対的に示してあ
る。図3より、分散剤を使用した場合には使用しない場
合に比べ、1/20程度の透過におさえられていること
がわかる。充填材料として良好なものは、細孔径が小さ
く、細孔容積が小さいものである。
【0024】同様に、分散剤を使用して、異なる配合で
粉体を調合し、スラリーを調製した後、乾燥して乾燥体
を作り、その乾燥体の細孔径及び細孔容積を測定した。
その結果を図4に示す。図4より、大粒,中粒,微粒の
配合により、同じようにスラリーを形成してもその値は
変化することが判明した。充填材料としてガスの透過を
極小にするために最密充填するように,最適な配合を求
める必要がある。この試験結果からは中粒(ジルコニア
粉)80wt%,微粒(ジルコン粉)20wt%の配合
が最良と考えられる。
【0025】又、大粒ジルコニア(10μm〜40μ
m)は、40μmより大きくなると、粗すぎてハンドリ
ング性が悪くなり、実用にはならない。また、微粒ジル
コン粉(0.1μm〜1.0μm)は、0.1μmより
小さいものは小さすぎて分散が悪く、現実的に使用でき
るものではない。
【0026】このように上記実施例によれば、大粒(粒
径10μm〜40μm)と中粒(粒径1μm〜10μ
m)の8wt%イットリア安定化ジルコニアと、粒径
0.1〜1.0μmのアルミナを混合比率(75/25
〜85/15)で充填材料を構成することにより、粉体
の最密充填の充填材料が得られる。また、熱膨脹率がY
SZと合致した充填材料が得られる。
【0027】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、所
定の粒径をもつジルコニア粉及びジルコン粉を所定の配
合割合で混合することにより、粉粒体を最密充填させ、
ガス透過性が低九、かつ熱膨脹率が固体電解質である8
モル%イットリア安定化ジルコニアと合致した高温用充
填材料及びその製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係るジルコニアとジルコン
の混合比による熱膨脹の変化を示す特性図。
【図2】本発明の一実施例に係る高温用充填材料におけ
る平均細孔径,細孔容積と分散剤の有無との関係を示す
特性図。
【図3】分散剤の有無の場合の透過流量と差圧との関係
を示す特性図。
【図4】本発明の実施例に係る高温用充填材料における
大粒,中粒,微粒の分散剤の配合割合と平均細孔径,細
孔容積との関係を示す特性図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 武信 弘一 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目1番1 号 三菱重工業株式会社神戸造船所内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ジルコニア粉の粒径が10μm〜40μ
    m及び1μm〜10μm、ジルコン粉の粒径が0.1μ
    m〜1.0μmであり、ジルコニア粉とジルコン粉の混
    合比率がジルコニア粉:ジルコン粉=75/25〜85
    /15であることを特徴とする高温用充填材料。
  2. 【請求項2】 微細なジルコン粉を予め分散剤及び分散
    媒を用いてボールミル等の手法により分散処理した後、
    粗粒であるジルコニア粉を混合することを特徴とする高
    温用充填材料の製造方法。
JP9127171A 1997-05-16 1997-05-16 高温用充填材料及びその製造方法 Pending JPH10316430A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010073680A (ja) * 2008-08-21 2010-04-02 Ngk Insulators Ltd 固体酸化物型燃料電池の薄板体、及び固体酸化物型燃料電池
JP2017171812A (ja) * 2016-03-24 2017-09-28 朝日化学工業株式会社 耐熱シール材料
CN114181631A (zh) * 2021-11-17 2022-03-15 深圳市斯太尔汽车技术有限公司 陶瓷材料用高温胶及其制备方法和应用

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JP2017171812A (ja) * 2016-03-24 2017-09-28 朝日化学工業株式会社 耐熱シール材料
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20030902