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JP5689100B2 - Raw material zirconia powder for solid oxide fuel cell, zirconia sintered body, electrolyte for solid oxide fuel cell, and solid oxide fuel cell - Google Patents
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Raw material zirconia powder for solid oxide fuel cell, zirconia sintered body, electrolyte for solid oxide fuel cell, and solid oxide fuel cell Download PDF

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Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池用の原料ジルコニア粉末、ジルコニア焼結体、固体酸化物形燃料電池用電解質および固体酸化物形燃料電池に関する。 The present invention, the raw material zirconia powder for a solid oxide fuel cell, the zirconia sintered body, a solid oxide fuel cell electrolyte and relates to a solid oxide fuel cell.

従来からジルコニア粉末を用いたジルコニア焼結体に関する技術は多く提案されているが(特許文献1、特許文献2、非特許文献1他)、粉砕用ジルコニア焼結体はその前駆体を焼成したセラミックスであり、焼成時の焼成収縮により寸法が大きく変化するため寸法精度を保つことが難しく、その結果焼結体の製造歩留まりが低くなる傾向がある。特に、平面性を有する薄膜ジルコニアシートにあってはサブミクロン級の微細なジルコニア粉末を原料として使用するため成形に多量のバインダーを必要とし、その焼成収縮率は大きく焼成後に高度な平面性や平坦性を保つことが難しく、歩留まりの低さは著しいものである。   Many technologies related to zirconia sintered bodies using zirconia powder have been proposed (Patent Literature 1, Patent Literature 2, Non-Patent Literature 1, etc.), but pulverized zirconia sintered bodies are ceramics obtained by firing the precursor. Therefore, it is difficult to maintain the dimensional accuracy because the size changes greatly due to firing shrinkage during firing, and as a result, the production yield of the sintered body tends to be lowered. In particular, a thin film zirconia sheet having flatness requires a large amount of binder for molding because it uses fine zirconia powder of submicron grade as a raw material, and its firing shrinkage is large, and it has high flatness and flatness after firing. It is difficult to maintain the characteristics, and the low yield is remarkable.

また薄膜であるがゆえにハンドリング強度は十分とは言えず、製造時や取扱い時に破損するシートが多く生じることがある。これらの上記の焼結後に生じた不良のジルコニア焼結体シートやその不良品の断片、破片が蓄積するので廃棄上の問題と資源の有効活用が望まれる。一方、ジルコニア焼結体は一旦焼結した後は、化学的に安定で耐薬品性が有り、また、他のセラミックスより高硬度・高強度・高靭性であり、通常の方法により再利用することは非常に困難である。   Moreover, since it is a thin film, it cannot be said that handling strength is sufficient, and many sheets may be damaged during manufacturing or handling. Since the defective zirconia sintered body sheet and the defective fragments and fragments generated after the above-mentioned sintering accumulate, disposal problems and effective utilization of resources are desired. On the other hand, once sintered, the zirconia sintered body is chemically stable and resistant to chemicals, and has higher hardness, strength, and toughness than other ceramics. Is very difficult.

その中で、ジルコニアのリサイクル使用に関して、ジルコニア焼結体を加熱処理により特定結晶系のジルコニア粒子であってかつ平均粒子径が0.5μmから1.5μmの粒子とし、これを再度焼結体の原料とする技術が開示されている(特許文献3)。しかし、この技術に関するジルコニア焼結体は、その結晶系が実質は正方晶ジルコニアであり、正方晶ジルコニアの水熱劣化特性を利用してオートクレーブ中で加熱処理後、さらに粉砕する必要があり、原料と同程度の粒子径のジルコニア粒子とするにはコストが高くなり、リサイクル粉体を使用する利点は少ないものである。   Among them, with regard to the recycling of zirconia, the zirconia sintered body is converted into zirconia particles having a specific crystal system and an average particle diameter of 0.5 μm to 1.5 μm by heat treatment, and this is again used as a sintered body. The technique used as a raw material is disclosed (Patent Document 3). However, the zirconia sintered body related to this technology is substantially tetragonal zirconia, and it is necessary to further pulverize after heat treatment in an autoclave using the hydrothermal deterioration characteristics of tetragonal zirconia. The zirconia particles having the same particle diameter as the above-mentioned particles are expensive, and there are few advantages of using recycled powder.

特開昭58−55373号JP 58-55373 A 特開昭60−191056号JP-A-60-191056 特開平10−218662号JP 10-218662 A

Journal of Materials Science 第20巻 p.1407−1418(1985)Journal of Materials Science Volume 20 p. 1407-1418 (1985)

本発明は、粉砕用ジルコニア焼結体を原料として再利用することによってリサイクルジルコニア粉末を得るとともに、そのリサイクルジルコニア粉末を再利用してジルコニア焼結体、特に、ジルコニア焼結体シートを高品質に得ることができる技術を提供するものである。   The present invention obtains a recycled zirconia powder by reusing the pulverized zirconia sintered body as a raw material, and reusing the recycled zirconia powder to improve the quality of the zirconia sintered body, in particular, the zirconia sintered body sheet. The technology that can be obtained is provided.

本発明は、2〜98質量%のリサイクルジルコニア粉末および98〜2質量%の未使用ジルコニア粉末からなる、固体酸化物形燃料電池用の原料ジルコニア粉末を提供する。The present invention provides a raw material zirconia powder for a solid oxide fuel cell, comprising 2 to 98% by mass of recycled zirconia powder and 98 to 2% by mass of unused zirconia powder.

本発明は、さらに、上記本発明の固体酸化物系燃料電池用の原料ジルコニア粉末を成形して焼成してなる、ジルコニア焼結体を提供する。The present invention further provides a zirconia sintered body obtained by molding and firing the raw material zirconia powder for the solid oxide fuel cell of the present invention.

本発明は、さらに、上記本発明のジルコニア焼結体を含む固体酸化物形燃料電池用電解質を提供する。The present invention further provides an electrolyte for a solid oxide fuel cell comprising the zirconia sintered body of the present invention.

本発明は、さらに、上記本発明のジルコニア焼結体または上記本発明の固体酸化物形燃料電池用電解質を含む固体酸化物形燃料電池を提供する。The present invention further provides a solid oxide fuel cell comprising the zirconia sintered body of the present invention or the electrolyte for a solid oxide fuel cell of the present invention.


本発明は、粉砕用ジルコニア焼結体を一旦粉砕・溶解して得られるリサイクルジルコニア粉末を用いてジルコニア焼結体を得ることで、資源を有効に利用できるとともに、ジルコニア焼結体の強度、靭性を向上させることができるものである。特に、リサイクルジルコニア粉末と未使用ジルコニア粉末とを原料ジルコニア粉末として用いることで、ジルコニア焼結体、特にジルコニア焼結体シートの場合に前記効果はより一層向上するものである。   The present invention provides a zirconia sintered body by using a recycled zirconia powder obtained by pulverizing and dissolving a zirconia sintered body for grinding once, so that resources can be used effectively, and the strength and toughness of the zirconia sintered body can be obtained. Can be improved. In particular, by using recycled zirconia powder and unused zirconia powder as raw material zirconia powder, the effect is further improved in the case of a zirconia sintered body, particularly a zirconia sintered body sheet.

以下に本発明を詳細に説明するが、本発明の趣旨に反しない限り以下のものに限定されるものではない。   The present invention is described in detail below, but is not limited to the following unless it is contrary to the gist of the present invention.

本発明にかかる第一発明は、リサイクルジルコニア粉末の製造方法であり、その製造方法は、粉砕工程、溶解工程、希釈工程、前駆体調製工程、仮焼工程からなる。以下、各工程を詳細に説明する。   1st invention concerning this invention is a manufacturing method of recycled zirconia powder, and the manufacturing method consists of a grinding | pulverization process, a melt | dissolution process, a dilution process, a precursor preparation process, and a calcination process. Hereinafter, each process will be described in detail.

(粉砕工程)
本発明のリサイクルジルコニア粉末を製造するために粉砕用ジルコニア焼結体を粉砕する工程である。粉砕用ジルコニア焼結体とは、その形状が平板状、ディンプル付平板状、円筒状、平板円筒状、リング状、ブロック状、球状等、あるいはそれらの破損品や一部破損品等を挙げることができる。しかしながら、大きさや厚さが1mm以上の三次元形状の粉砕用ジルコニア焼結体は粉砕に多大のエネルギーを消費して粉砕効率が悪くなると共に、粉砕に伴う不純物の混入が問題となる。したがって、粉砕用ジルコニア焼結体としては、厚さが1mm未満、特に厚さが0.5mm以下の平板状、シート状ジルコニア焼結体が好ましい。具体的には、寸法等の規格外ジルコニア焼結体シート、破損したジルコニア焼結体シートの破片等を挙げることができる。
(Crushing process)
This is a step of pulverizing a zirconia sintered body for pulverization in order to produce the recycled zirconia powder of the present invention. The pulverized zirconia sintered body includes a flat plate shape, a flat plate shape with dimples, a cylindrical shape, a flat plate cylindrical shape, a ring shape, a block shape, a spherical shape, or a damaged or partially damaged product thereof. Can do. However, a zirconia sintered body having a three-dimensional shape having a size or thickness of 1 mm or more consumes a lot of energy for pulverization, resulting in poor pulverization efficiency and a problem of contamination due to pulverization. Therefore, as the zirconia sintered body for pulverization, a plate-like or sheet-like zirconia sintered body having a thickness of less than 1 mm, particularly 0.5 mm or less is preferable. Specific examples include non-standard zirconia sintered body sheets such as dimensions, broken pieces of zirconia sintered body sheets, and the like.

粉砕用ジルコニア焼結体の材料は、ジルコニアであれば何れのものであってもよいが、MgO、CaO、SrO、BaO等のアルカリ土類金属酸化物;Y23、La23、CeO2、Pr23、Nd23、Sm23、Eu23、Gd23、Tb23、Dy23、Ho23、Er23、Yb23等の希土類金属酸化物;Sc23、Bi23、In23等その他の金属酸化物など安定化剤として加えたジルコニアが好ましい。これらから1種または2種以上を選択した単独または混合物であってもよい。これらの中でも、燃料電池用の固体電解質として使用する場合の組成は、例えば、3〜10モル%のY23で安定化された90〜97モル%ジルコニア、4〜12モル%のSc23で安定化された88〜96モル%ジルコニア、または4〜15モル%のYb23で安定化された85〜96モル%ジルコニアが好ましく、特に、8〜10モル%のY23、8〜12モル%のSc23または8〜15モル%のYb23で安定化された立方晶系ジルコニアが好適である。さらに上記安定化剤とジルコニアの合計質量に対して0.01〜5質量%程度のAl23、Ga23、SiO2、Bi23、TiO2、CeO2等の添加剤が添加されたジルコニアを例示することができる。さらに、粉砕用ジルコニア焼結体に最初から含まれて不純物としては、酸化物表記でAl23、SiO2、TiO2、Fe23、NaO、KO、SO3等の成分があるが、いずれも、0.3質量%未満、好ましくは0.1質量%未満、特に好ましくは0.01質量%未満である。また、粉砕用ジルコニア焼結体にジルコンサンドおよび/またはバデライトを加えてともに粉砕することも可能である。 The material of the pulverized zirconia sintered body may be any material as long as it is zirconia, but alkaline earth metal oxides such as MgO, CaO, SrO, BaO; Y 2 O 3 , La 2 O 3 , CeO 2, Pr 2 O 3, Nd 2 O 3, Sm 2 O 3, Eu 2 O 3, Gd 2 O 3, Tb 2 O 3, Dy 2 O 3, Ho 2 O 3, Er 2 O 3, Yb 2 Zirconia added as a stabilizer such as rare earth metal oxides such as O 3 ; other metal oxides such as Sc 2 O 3 , Bi 2 O 3 and In 2 O 3 is preferred. One or a mixture selected from one or more of them may be used. Among these, when used as a solid electrolyte for a fuel cell, the composition is, for example, 90 to 97 mol% zirconia stabilized with 3 to 10 mol% Y 2 O 3 , and 4 to 12 mol% Sc 2. Preference is given to 88-96 mol% zirconia stabilized with O 3 or 85-96 mol% zirconia stabilized with 4-15 mol% Yb 2 O 3 , in particular 8-10 mol% Y 2 O. 3 , cubic zirconia stabilized with 8-12 mol% Sc 2 O 3 or 8-15 mol% Yb 2 O 3 is preferred. Furthermore, an additive such as Al 2 O 3 , Ga 2 O 3 , SiO 2 , Bi 2 O 3 , TiO 2 , CeO 2 and the like with respect to the total mass of the stabilizer and zirconia is included. The added zirconia can be illustrated. Further, the impurities contained in the pulverized zirconia sintered body from the beginning include components such as Al 2 O 3 , SiO 2 , TiO 2 , Fe 2 O 3 , NaO, KO, and SO 3 in terms of oxides. , Both are less than 0.3 mass%, preferably less than 0.1 mass%, particularly preferably less than 0.01 mass%. It is also possible to add zirconia sand and / or badelite to the zirconia sintered body for pulverization and pulverize them together.

その粉砕方法としては、当該粉砕用ジルコニア焼成体をジョークラッシャー、ハンマークラッシャー、シュレッダ、ロールクラッシャ、ハンマーミル、カッティングミル、ロッドミル、ローラミル、ローターミル、衝撃式粉砕機、ジェット粉砕機、ボールミル、乳鉢等の乾式粉砕機を1種または複数を組み合わせた通常の手段により粉砕して得ることができる。この粉砕では、後に続く溶解工程をスムーズに進行させるために、粗大粒子割合が少なくてなるべく微小な粉砕ジルコニア粉末を効率的に得ることが必要である。具体的には、当該粉砕用ジルコニア焼結体を粉砕して得られる粉砕ジルコニア粉末の平均粒子径は2.0〜2000μm、より好ましくは3.0〜1000μm、更に好ましくは3.0〜500μm、特に好ましくは5.0〜100μmであり、95体積%粒子径は4.0〜4000μmであることが好ましく、より好ましくは5.0〜3000μm、更に好ましくは5.0〜2000μm、特に好ましくは6.0〜300μmである。さらに、最大粒子径は3.0〜5000μmであることが好ましく、より好ましくは3.0〜4000μm、更に好ましくは3.0〜3000μm、特に好ましくは3.0〜500μmである。当該粉砕ジルコニア粉末の平均粒子径が2.0μm未満、95体積%粒子径が4.0μm未満、最大粒子径が3.0μm未満の場合は、後に続く溶解工程において粉砕ジルコニア粉末の溶解が促進され簡便で効率的に進めることが出来るが、その粉砕のために多大なエネルギー、労力、時間が必要になり実用的でなくなる。また、平均粒子径が2000μmを上回り、95体積%粒子径が4000μmを上回り、最大粒子径が5000μmを上回る場合は、後の溶解工程において溶解に時間を要し、完全に溶解するためには高圧加熱のような厳しい溶解条件が必要になるので多大なエネルギー、労力、時間が必要になり実用的でなくなる。   As the pulverization method, the pulverized zirconia fired body is made of jaw crusher, hammer crusher, shredder, roll crusher, hammer mill, cutting mill, rod mill, roller mill, rotor mill, impact pulverizer, jet pulverizer, ball mill, mortar, etc. These dry pulverizers can be obtained by pulverization by ordinary means combining one or more dry pulverizers. In this pulverization, it is necessary to efficiently obtain as fine a pulverized zirconia powder as possible with a small proportion of coarse particles in order to allow the subsequent dissolution process to proceed smoothly. Specifically, the average particle diameter of the pulverized zirconia powder obtained by pulverizing the zirconia sintered body for pulverization is 2.0 to 2000 μm, more preferably 3.0 to 1000 μm, still more preferably 3.0 to 500 μm, Particularly preferably, the particle diameter is 5.0 to 100 μm, and the 95% by volume particle diameter is preferably 4.0 to 4000 μm, more preferably 5.0 to 3000 μm, still more preferably 5.0 to 2000 μm, and particularly preferably 6 0.0 to 300 μm. Furthermore, the maximum particle size is preferably 3.0 to 5000 μm, more preferably 3.0 to 4000 μm, still more preferably 3.0 to 3000 μm, and particularly preferably 3.0 to 500 μm. When the average particle size of the pulverized zirconia powder is less than 2.0 μm, the 95% by volume particle size is less than 4.0 μm, and the maximum particle size is less than 3.0 μm, dissolution of the pulverized zirconia powder is promoted in the subsequent dissolution step. Although it can be carried out simply and efficiently, it requires a great deal of energy, labor, and time for the grinding and becomes impractical. In addition, when the average particle diameter exceeds 2000 μm, the 95 volume% particle diameter exceeds 4000 μm, and the maximum particle diameter exceeds 5000 μm, it takes time to dissolve in the subsequent dissolution step, and high pressure is required for complete dissolution. Since severe dissolution conditions such as heating are required, a great deal of energy, labor, and time are required, making it impractical.

なお、当該平均粒子径、最大粒子径は、レーザー回折/散乱式粒子径分布測定装置(堀場製作所製、商品名「LA−920」)により測定し、各々粒子径が小さいほうから粒子体積を積算して全粒子体積に対して50体積%となる粒子径、粒子径が小さいほうから粒子体積を積算して100体積%となる粒子径の値である。また、95%体積径は、粒子径が小さいほうから粒子体積を積算して全粒子体積に対して95体積%となる粒子径である。   The average particle size and the maximum particle size are measured with a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring device (trade name “LA-920” manufactured by Horiba, Ltd.), and the particle volume is integrated from the smaller particle size. Then, the particle diameter is 50% by volume with respect to the total particle volume, and the particle diameter is 100% by volume when the particle volume is integrated from the smaller particle diameter. The 95% volume diameter is a particle diameter that is 95 volume% with respect to the total particle volume by integrating the particle volume from the smaller particle diameter.

実際の測定は、蒸留水中の分散剤として0.2質量%のメタリン酸ナトリウムを添加した水溶液を分散媒とし、該分散媒約100cm3中に当該粉砕ジルコニア粉末を0.01〜1質量%加え、5分間超音波処理して分散させて測定する。なお、前記方法で当該粉砕ジルコニア粉末が分散されずに沈降してしまう場合には、超深度カラー3D形状測定レーザー光顕微鏡(キーエンス製、商品名「VK−9500」)を用いて粒子画像を取り込み、これを印刷して印刷された粒子をノギスで計測し、その平均値を算出して平均粒子径とし、計測された粒子のうち最大の値を最大粒子径とする。 In actual measurement, an aqueous solution to which 0.2% by mass of sodium metaphosphate was added as a dispersant in distilled water was used as a dispersion medium, and 0.01 to 1% by mass of the pulverized zirconia powder was added to about 100 cm 3 of the dispersion medium. Sonicate for 5 minutes to disperse and measure. When the pulverized zirconia powder settles without being dispersed by the above method, a particle image is captured using an ultra-deep color 3D shape measurement laser light microscope (manufactured by Keyence, trade name “VK-9500”). Then, the printed particles are measured with a caliper, the average value thereof is calculated as the average particle size, and the maximum value among the measured particles is set as the maximum particle size.

上記粉砕は、水、アルコール等の分散媒を使用しないで上記のような乾式粉砕機をもちいた通常の粉砕手段を用いることができる。前記のように粉砕用ジルコニア焼結体シートは高硬度・高強度・高靭性であるので、上記乾式粉砕機の回転刃(粉砕刃)や回転ローター(粉砕ローター)等を高速で回転させて効率的に短時間で粉砕する必要がある。そのためには、回転数が2000〜30000rpmの範囲、好ましくは3000〜20000rpmの範囲で回転できる装置を選択することが好ましい。   For the pulverization, a normal pulverization means using a dry pulverizer as described above can be used without using a dispersion medium such as water or alcohol. As mentioned above, the zirconia sintered sheet for grinding has high hardness, high strength, and high toughness, so the rotating blade (pulverizing blade), rotating rotor (pulverizing rotor), etc. of the dry grinding machine can be rotated at high speed for efficiency. Therefore, it is necessary to grind in a short time. For that purpose, it is preferable to select an apparatus capable of rotating in the range of 2000 to 30000 rpm, preferably 3000 to 20000 rpm.

特に、上記乾式粉砕機のうち1種だけを用いて粉砕用ジルコニア焼結体を粉砕するよりも、回転数の異なる2種以上の乾式粉砕機を用いて1次粉砕、2次粉砕することが、更により粗大粒子割合が少ない粉砕ジルコニア粉末を効率的に短時間で得るために好ましい。具体的には、1次粉砕としてカッティングミルで回転刃を2000〜5000rpmの範囲で回転させて1次粉砕し、平均粒子径が100〜3000μmの1次粉砕ジルコニア粉末を得る。このときに、粗大粒子の混入をさけるための粒度調整用スクリーンとして、たとえば、0.05〜1.5mmの篩、好ましくは0.08〜0.2mmの篩で通過するものを分取することが好ましい。そのときの篩形状は丸孔形、梯子形、ヘリングボーン形等が選択できる。   In particular, rather than pulverizing a zirconia sintered body for pulverization using only one of the dry pulverizers, primary pulverization and secondary pulverization may be performed using two or more dry pulverizers having different rotational speeds. Furthermore, it is preferable for obtaining a pulverized zirconia powder with a smaller proportion of coarse particles efficiently in a short time. Specifically, as the primary pulverization, the cutting blade is rotated in the range of 2000 to 5000 rpm with a cutting mill and the primary pulverization is performed to obtain primary pulverized zirconia powder having an average particle diameter of 100 to 3000 μm. At this time, as a particle size adjusting screen for avoiding the mixing of coarse particles, for example, sorting what passes through a sieve of 0.05 to 1.5 mm, preferably 0.08 to 0.2 mm. Is preferred. The sieve shape at that time can be selected from a round hole shape, a ladder shape, a herringbone shape, and the like.

次いで、当該1次粉砕ジルコニア粉末を、ローターミル等を用いて1次粉砕のときよりも高い5000〜30000rpmの範囲でローターを回転させて粉砕し、平均粒子径2.0〜2000μmの粉末の2次粉砕ジルコニア粉末を得る。このときにも、粗大粒子の混入をさけるための粒度調整用スクリーンとして、たとえば、0.05〜1.5mmの篩で通過するものを分取することが、粉砕効率を高める上で好ましい。また、これら粉砕では、特に2次粉砕では回転刃や回転ローターが高速回転するので、粉砕ジルコニア粉末によって磨耗され、粉砕ジルコニア粉末中に回転刃や回転ローター材質の鉄、クロム等のコンタミネーションを起こすことがある。これを避けるためにはジルコニア製の回転刃や回転ローターを使用することが好ましい。コンタミネーションにより乾式粉砕ジルコニア粉末が灰色等に着色した場合は、磁石や酸洗浄によりコンタミネーション成分を除去する。   Next, the primary pulverized zirconia powder is pulverized by rotating the rotor in a range of 5000 to 30000 rpm, which is higher than that of the primary pulverization using a rotor mill or the like, and 2 of the powder having an average particle size of 2.0 to 2000 μm. Next, a ground zirconia powder is obtained. Also at this time, as a particle size adjusting screen for avoiding the mixing of coarse particles, for example, it is preferable to collect what passes through a sieve of 0.05 to 1.5 mm in order to increase the grinding efficiency. In these pulverizations, especially in the secondary pulverization, the rotating blades and the rotating rotor rotate at high speed, so they are worn by the pulverized zirconia powder and cause contamination of the pulverized zirconia powder such as iron, chromium, etc. Sometimes. In order to avoid this, it is preferable to use a rotary blade or a rotary rotor made of zirconia. When the dry pulverized zirconia powder is colored gray or the like due to contamination, the contamination component is removed by magnet or acid cleaning.

また、次の溶解工程においてジルコニアの溶解をさらに促進させるために、上記のようにして得た粉砕ジルコニア粉末をさらに湿式粉砕して粗大粒子を微小化することも可能である。   In order to further promote the dissolution of zirconia in the next dissolution step, the pulverized zirconia powder obtained as described above can be further wet pulverized to make coarse particles finer.

湿式粉砕とは、水、アルコール等の分散媒を使用した通常の湿式粉砕として用いられる手段を用いることがでる。そのための装置としてはボールミル、ビーズミル、遊星ミル、湿式ジェットミル、コロイドミル、ホモジナイザー等が例示される。具体的には、上記乾式粉砕機で得られた粉砕ジルコニア粉末を、水、アルコール等の分散媒、ジルコニア製のボールやビーズ等の粉砕媒体とともに攪拌回転させて粉砕し、次いで、分散媒を除去、乾燥して本発明に使用される溶解に好適な粉砕ジルコニア粉末を得る。このときの粉砕ジルコニア粉末の平均粒子径は2.0〜1000μmの範囲、最大粒子径は3〜3000μmの範囲であり、上記乾式粉砕機のみを使用した場合に比べて得られる粉砕ジルコニア粉末の平均粒子径の上限値や最大粒子径の上限値が1/2〜3/5になって、粗大粒子の微小化が図られる。   The wet pulverization can be performed by means used as a normal wet pulverization using a dispersion medium such as water or alcohol. Examples of the apparatus for this purpose include a ball mill, a bead mill, a planetary mill, a wet jet mill, a colloid mill, and a homogenizer. Specifically, the pulverized zirconia powder obtained by the dry pulverizer is pulverized by stirring and rotating together with a dispersion medium such as water and alcohol, and a grinding medium such as balls and beads made of zirconia, and then the dispersion medium is removed. And dried to obtain a pulverized zirconia powder suitable for dissolution used in the present invention. The average particle size of the pulverized zirconia powder at this time is in the range of 2.0 to 1000 μm, the maximum particle size is in the range of 3 to 3000 μm, and the average of the pulverized zirconia powder obtained compared to the case where only the dry pulverizer is used. The upper limit value of the particle diameter and the upper limit value of the maximum particle diameter become 1/2 to 3/5, and the coarse particles can be miniaturized.

なお、当該粉砕ジルコニア粉末は、粉末自体がすでに焼き締まったジルコニア焼結体を粉砕して得られるものであるので、得られる粉体中には気孔等がほとんどなく、また比表面積も非常に小さく、さらに凝集も少なく単分散に近い状態で存在しており、市販のジルコニア粉末のような未使用粉末とは大きく異なるものである。従って、当該粉砕ジルコニア粉末はその粒子径が小さければ小さいほど後に続く溶解工程が容易になる。   The pulverized zirconia powder is obtained by pulverizing a zirconia sintered body in which the powder has already been baked, so that the obtained powder has almost no pores and a very small specific surface area. In addition, it is present in a state of almost agglomeration with little aggregation, which is very different from an unused powder such as a commercially available zirconia powder. Accordingly, the smaller the particle size of the pulverized zirconia powder, the easier the subsequent dissolution step.

(溶解工程)
上記粉砕工程で得られた粉砕ジルコニア粉末を酸で溶解する工程であり、酸分解法、加圧分解法、融解法等の公知の方法によりジルコニア溶解液やペースト状のジルコニア融解物を得ることができる。
(Dissolution process)
It is a step of dissolving the pulverized zirconia powder obtained in the above pulverization step with an acid, and it is possible to obtain a zirconia solution or a paste-like zirconia melt by a known method such as an acid decomposition method, a pressure decomposition method, or a melting method. it can.

酸分解法とは、塩酸、硝酸、硫酸、過塩素酸、リン酸、フッ化水素酸およびこれらの混酸酸を当該粉砕ジルコニア粉末ともに開放容器に入れ、100〜400℃に加熱して溶解する方法である。加圧分解法とは、これら酸と粉砕ジルコニア粉末をポリテトラフルオロエチレン樹脂製の加圧分解容器に入れ、この容器をさらに金属製の耐圧容器に入れて加熱・加圧下でジルコニア粉末を溶解する方法である。融解法とは、炭酸ナトリウム、水酸化ナトリウム、過酸化ナトリウム、ホウ酸ナトリウム、メタホウ酸ナトリウム、硫酸アンモニウム、ピロ硫酸カリウム、炭酸ナトリウム+ホウ酸、炭酸リチウム+ホウ酸、硫酸アンモニウム+硫酸等を融剤として当該粉砕ジルコニア粉末とよく混合し、電気炉等で200〜1200℃1〜10時間加熱して強熱融解して得られる融成物を上記の塩酸、硝酸、硫酸などの溶解させる方法である。   The acid decomposition method is a method in which hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, perchloric acid, phosphoric acid, hydrofluoric acid and mixed acid thereof are put in an open container together with the pulverized zirconia powder and heated to 100 to 400 ° C. to dissolve. It is. In the pressure decomposition method, these acids and pulverized zirconia powder are put in a pressure decomposition vessel made of polytetrafluoroethylene resin, and this vessel is further put in a metal pressure vessel to dissolve the zirconia powder under heating and pressure. Is the method. The melting method is sodium carbonate, sodium hydroxide, sodium peroxide, sodium borate, sodium metaborate, ammonium sulfate, potassium pyrosulfate, sodium carbonate + boric acid, lithium carbonate + boric acid, ammonium sulfate + sulfuric acid, etc. This is a method of dissolving the above-mentioned hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid and the like in a melt obtained by mixing well with the pulverized zirconia powder, heating in an electric furnace or the like for 1 to 10 hours at 200 to 1200 ° C. and igniting with high heat.

本発明では、より溶解を簡便かつ効率的に行うために、当該粉砕ジルコニア粉末に酸と融剤を加え、常圧下150〜350℃、好ましくは200〜300℃で分解させる酸分解法と融解法を組み合せた方法が好適である。そのときの当該酸の濃度は10〜98%好ましくは30〜97%であり、当該粉砕ジルコニア粉末1kgに対して、酸を1〜20L、好ましくは1〜10L加え、融剤を1〜10kg、好ましくは2〜8kg加え、これらの混合物を20〜180分間、好ましくは30〜120分間、溶解させることが好ましい。温度が150℃を下回る場合や使用する酸の濃度が10%を下回る場合は、粉砕ジルコニア粉末が完全に溶解できず未溶解の粉砕ジルコニア粉末として残渣になり、回収率が低下することになる。一方、温度が350℃を上回る場合や酸濃度が98%を上回る場合は、設定条件が非常に厳しくなる割には溶解効率が格段によくなるものではなく過剰条件となる。また、使用する酸の量が1Lを下回り、融剤の量が1kgを下回り、溶解時間が20分を下回る場合には、同様に、粉砕ジルコニア粉末が完全に溶解できず未溶解の粉砕ジルコニア粉末として残渣になり、回収率が低下することになる。一方、酸の量が20Lを上回り、融剤の量が10kgを上回り、溶解時間が180分を上回る場合にも、同様に、溶解効率が格段によくなるものではなく過剰条件となる。使用する酸の中で好ましいものは硫酸、融剤の中で好ましいものは硫酸アンモニウム、炭酸ナトリウム、特に好ましいものは硫酸アンモニウムである。なお、本溶解工程で未溶解のまま残った粉砕ジルコニア粉末は、ろ過等で除去する。   In the present invention, in order to perform dissolution more simply and efficiently, an acid decomposition method and a melting method in which an acid and a flux are added to the pulverized zirconia powder and decomposed at 150 to 350 ° C., preferably 200 to 300 ° C. under normal pressure. A combination of these is preferred. The concentration of the acid at that time is 10 to 98%, preferably 30 to 97%, and 1 kg of acid is added to 1 kg of the pulverized zirconia powder, preferably 1 to 10 L, and 1 to 10 kg of flux is added. It is preferable to add 2 to 8 kg and dissolve these mixtures for 20 to 180 minutes, preferably 30 to 120 minutes. When the temperature is lower than 150 ° C. or when the concentration of the acid used is lower than 10%, the pulverized zirconia powder cannot be completely dissolved and becomes a residue as an undissolved pulverized zirconia powder, and the recovery rate decreases. On the other hand, when the temperature is higher than 350 ° C. or the acid concentration is higher than 98%, the dissolution efficiency does not become much higher for the setting conditions to be very strict, but is an excessive condition. Similarly, when the amount of acid used is less than 1 L, the amount of flux is less than 1 kg, and the dissolution time is less than 20 minutes, similarly, the pulverized zirconia powder cannot be completely dissolved and the undissolved pulverized zirconia powder As a residue, the recovery rate decreases. On the other hand, when the amount of acid exceeds 20 L, the amount of flux exceeds 10 kg, and the dissolution time exceeds 180 minutes, the dissolution efficiency does not become much worse but is an excessive condition. Among the acids used, sulfuric acid is preferable, and among the fluxes, ammonium sulfate and sodium carbonate are preferable, and ammonium sulfate is particularly preferable. Note that the pulverized zirconia powder remaining undissolved in the main dissolution step is removed by filtration or the like.

(希釈工程)
上記溶解工程で得られた溶解液を水で希釈する工程である。得られた溶解液や融解物はpHが2以下、多くの場合pHが1以下の強酸であるので、当該希釈により次の前駆体調製工程で扱いやすいようにpHが4.0〜7.0の希釈液とするものである。希釈液の好ましいpHは5.0〜7.0、より好ましくは6.0〜7.0である。希釈に際しては、希釈による急激な発熱を避けるために、水中に当該溶解液を攪拌させながら徐々に滴下することが好ましい。
(Dilution process)
In this step, the solution obtained in the dissolution step is diluted with water. Since the obtained solution or melt is a strong acid having a pH of 2 or less, and in many cases a pH of 1 or less, the pH is 4.0 to 7.0 so that it can be easily handled in the next precursor preparation step by the dilution. This is a diluted solution. The preferred pH of the diluent is 5.0 to 7.0, more preferably 6.0 to 7.0. In dilution, it is preferable to gradually drop the solution while stirring the solution in water in order to avoid sudden heat generation due to dilution.

また、当該希釈工程において、希釈によるジルコニア濃度の低下を防ぎリサイクルジルコニア粉末の生産性を高めることを目的に、水の代わりにジルコニウム塩水溶液、ジルコニアゾル、ジルコニア分散液を用いて希釈することも可能である。さらには、水で希釈した後さらに、下記のように定義される未使用ジルコニア粉末、ジルコニア水酸化物、ジルコニア含水物を添加することも可能である。このとき、粉砕用ジルコニア材料の組成と同じになるように、当該ジルコニウム塩、ジルコニアゾル、未使用ジルコニア粉末の組成に前記のようなSc23、Yb23、Y23を安定化剤として加えられているもの、あるいは安定化剤を別途単独で加えることが好ましい。 In addition, in the dilution process, it is possible to dilute using an aqueous solution of zirconium salt, zirconia sol, or zirconia dispersion instead of water in order to prevent the decrease in zirconia concentration due to dilution and increase the productivity of recycled zirconia powder. It is. Furthermore, after diluting with water, it is also possible to add unused zirconia powder, zirconia hydroxide, and hydrated zirconia as defined below. At this time, Sc 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Y 2 O 3 as described above is stabilized in the composition of the zirconium salt, zirconia sol, and unused zirconia powder so as to be the same as the composition of the pulverizing zirconia material. It is preferable to add a stabilizer added alone or as a stabilizer separately.

(前駆体調製工程)
上記希釈工程で得られた希釈液を、中和法、均一沈殿法、共沈法、加水分解法、水熱合成法または噴霧乾燥法等の公知の方法によりジルコニア粉末前駆体を調製する工程である。中和法とは、水酸化物が生成するpH領域に酸またはアルカリ溶液(本発明ではアルカリ溶液)を添加して水酸化物として沈殿させることにより粉体を合成する方法である。均一沈殿法とは、沈殿剤を溶液内で徐々に生成させ、沈殿剤の局所的不均一性をなくして沈殿物を生成させることにより粉体を合成する方法である。共沈法とは、2種の生成物を同時に液相中で生成・沈殿させることにより粉体を合成する方法であり、加水分解法とは、金属塩、金属イオンや金属アルコキシドを含む溶液に水を加えて、水酸化物や、H+またはOH-との配位化合物を合成する方法である。水熱合成法とは、気密容器または加圧装置の内部において、熱水、高圧水蒸気の雰囲気中で、酸化物を溶解した溶解液の反応性を利用して粉体合成する方法であり、噴霧乾燥法とは、粉体原料を含む溶液を高温中に噴霧し、瞬間的に熱分解反応をさせて粉体を得る方法である。
(Precursor preparation step)
In the step of preparing the zirconia powder precursor by a known method such as neutralization method, uniform precipitation method, coprecipitation method, hydrolysis method, hydrothermal synthesis method, spray drying method, etc. is there. The neutralization method is a method of synthesizing a powder by adding an acid or an alkali solution (in the present invention, an alkali solution) to a pH region where a hydroxide is generated and precipitating it as a hydroxide. The homogeneous precipitation method is a method of synthesizing a powder by gradually forming a precipitating agent in a solution and eliminating a local non-uniformity of the precipitating agent to generate a precipitate. The coprecipitation method is a method of synthesizing powder by simultaneously producing and precipitating two kinds of products in a liquid phase, and the hydrolysis method is a solution containing a metal salt, a metal ion or a metal alkoxide. In this method, water is added to synthesize a hydroxide or a coordination compound with H + or OH . The hydrothermal synthesis method is a method of synthesizing powder in the atmosphere of a hermetic container or a pressurizing apparatus using the reactivity of a dissolved solution in which oxide is dissolved in an atmosphere of hot water or high-pressure steam. The drying method is a method of obtaining a powder by spraying a solution containing a powder raw material into a high temperature and instantaneously performing a thermal decomposition reaction.

本発明では、希釈液が酸性であることから、アンモニア水等のアルカリ性溶液による中和法や共沈法や尿素等による均一沈殿法等が好適に選択され、特に、特許公報1613619号に開示されているようなアンモニア水による沈殿生成物を流通式反応方法で反応時中のpHを一定に保ちつつ連続的に行うことにより沈殿を形成させる方法が好ましい。これら方法によってジルコニア水酸化物等の沈殿物を生成し、該沈殿物を通常のろ過や限外ろ過によって沈殿物をフィルタープレス等で脱水しながら分離回収し、これをさらに60〜100℃で乾燥してリサイクルジルコニア粉末前駆体を得る。該沈殿物には溶解工程で使用された酸のCl-、NO3 -、SO4 2-、融剤のNa+、K+、NH4 -等のイオンが不純物として含まれているので、それらを十分に洗浄、除去するために限外ろ過することが好ましい。 In the present invention, since the diluting solution is acidic, a neutralization method using an alkaline solution such as aqueous ammonia, a coprecipitation method, a uniform precipitation method using urea or the like is preferably selected, and particularly disclosed in Japanese Patent No. 1613619. It is preferable to form a precipitate by continuously performing a precipitation product of ammonia water as described above by a flow reaction method while keeping the pH during the reaction constant. A precipitate such as zirconia hydroxide is produced by these methods, and the precipitate is separated and recovered by dehydration with a filter press or the like by normal filtration or ultrafiltration, and further dried at 60 to 100 ° C. Thus, a recycled zirconia powder precursor is obtained. The precipitate contains ions such as Cl , NO 3 , SO 4 2− of the acid used in the dissolution process, Na + , K + , NH 4 − of the flux, and the like as impurities. In order to sufficiently wash and remove, ultrafiltration is preferable.

(仮焼工程)
上記前駆体調製工程で得られた前駆体を仮焼する工程である。仮焼の条件、特にその温度は求めるリサイクルジルコニア粉末の比表面積によって決定されるが、一般的に500〜1100℃、ハンドリングに適した比表面積である3〜30m2/gに調整するためには好ましくは600〜1000℃である。また、仮焼時間は、1〜20時間であり、好ましくは2〜10時間である。仮焼の雰囲気は、酸素濃度が1〜21%の酸化性ガス雰囲気であり、好ましくは空気雰囲気である。
(Calcination process)
In this step, the precursor obtained in the precursor preparation step is calcined. The calcining conditions, especially the temperature, is determined by the specific surface area of the recycled zirconia powder to be obtained. In general, in order to adjust to 500 to 1100 ° C., the specific surface area suitable for handling is 3 to 30 m 2 / g. Preferably it is 600-1000 degreeC. The calcining time is 1 to 20 hours, preferably 2 to 10 hours. The calcination atmosphere is an oxidizing gas atmosphere having an oxygen concentration of 1 to 21%, preferably an air atmosphere.

以上の工程を順に行うことにより当該リサイクルジルコニア粉体を得ることができるが、適宜各工程の間に他の工程を加えてもよい。例えば、仮焼後のリサイクルジルコニア粉末を、その後の取扱いをさらに容易にするために、噴霧乾燥して球状に弱く凝集した粉末にすることが好ましい。   The recycled zirconia powder can be obtained by sequentially performing the above steps, but other steps may be appropriately added between the respective steps. For example, it is preferable that the recycled zirconia powder after calcination is spray-dried into a spherically weakly agglomerated powder in order to further facilitate subsequent handling.

本発明の第二発明は、上記第一発明の方法で製造される平均粒子径が0.01〜1μm、比表面積が3〜30m2/gであることを特徴とするリサイクルジルコニア粉末である。当該リサイクルジルコニア粉末の平均粒子径は0.1〜0.8μmがさらに好ましく、0.2〜0.7μmが特に好ましい。また、当該リサイクルジルコニア粉末の比表面積は公知のBET法により測定したものであり、5〜20m2/gがさらに好ましく、7〜15m2/gが特に好ましい。 A second invention of the present invention is a recycled zirconia powder characterized by having an average particle diameter of 0.01 to 1 μm and a specific surface area of 3 to 30 m 2 / g produced by the method of the first invention. The average particle size of the recycled zirconia powder is more preferably 0.1 to 0.8 μm, particularly preferably 0.2 to 0.7 μm. The specific surface area of the recycled zirconia powder are those measured by a known BET method, more preferably 5~20m 2 / g, 7~15m 2 / g is particularly preferred.

当該リサイクルジルコニア粉末の組成・組成比は、その原料となる粉砕用ジルコニア焼結体と同組成・同組成比であることが好ましく、その場合には上記に記載したように、MgO、CaO、SrO、BaO等のアルカリ土類金属酸化物;Y23、La23、CeO2、Pr23、Nd23、Sm23、Eu23、Gd23、Tb23、Dy23、Ho23、Er23、Yb23等の希土類金属酸化物;Sc23、Bi23、In23等その他の金属酸化物など安定化剤として加えたジルコニアが好ましい。これらから1種または2種以上を選択した単独または混合物であってもよい。これらの中でも、燃料電池用の固体電解質として使用する場合の組成は、例えば、3〜10モル%のY23、4〜12モル%のSc23または4〜15モル%のYb23で安定化されたジルコニアが好ましく、特に、8〜10モル%のY23、8〜12モル%のSc23または8〜15モル%のYb23で安定化された立方晶系ジルコニアが好適である。さらに0.01〜5質量%程度のAl23、Ga23、SiO2、Bi23、TiO2、CeO2等が添加されたジルコニアを例示することができる。なお、本発明のリサイクルジルコニア中に含まれる不純物には、粉砕用ジルコニア焼結体に最初から含まれている酸化物表記でAl23、SiO2、TiO2、Fe23、NaO等の成分や、前記粉砕工程で混入するSO3、Cl、WO3、CoO、Fe23、Cr23、NaO、KO等の成分があるが、いずれも、0.3質量%未満、好ましくは0.1質量%未満、特に好ましくは0.01質量%未満である。 The composition / composition ratio of the recycled zirconia powder is preferably the same composition / composition ratio as that of the pulverized zirconia sintered body used as the raw material. In that case, as described above, MgO, CaO, SrO Alkaline earth metal oxides such as BaO; Y 2 O 3 , La 2 O 3 , CeO 2 , Pr 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Eu 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Tb Rare earth metal oxides such as 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Er 2 O 3 , Yb 2 O 3 ; Other metal oxides such as Sc 2 O 3 , Bi 2 O 3 , In 2 O 3 Zirconia added as a stabilizer is preferred. One or a mixture selected from one or more of them may be used. Among these, the composition when used as a solid electrolyte for a fuel cell is, for example, 3 to 10 mol% Y 2 O 3 , 4 to 12 mol% Sc 2 O 3, or 4 to 15 mol% Yb 2. Zirconia stabilized with O 3 is preferred, especially stabilized with 8-10 mol% Y 2 O 3 , 8-12 mol% Sc 2 O 3 or 8-15 mol% Yb 2 O 3 . Cubic zirconia is preferred. Can be exemplified further Al 2 O 3 of 0.01 to 5 wt%, Ga 2 O 3, SiO 2, Bi 2 O 3, zirconia TiO 2, CeO 2 or the like is added. Incidentally, the impurities contained in the recycled zirconia of the present invention include Al 2 O 3 , SiO 2 , TiO 2 , Fe 2 O 3 , NaO, etc. in the form of oxides contained in the pulverized zirconia sintered body from the beginning. And components such as SO 3 , Cl, WO 3 , CoO, Fe 2 O 3 , Cr 2 O 3 , NaO, and KO mixed in the pulverization step, all of which are less than 0.3% by mass, Preferably it is less than 0.1% by weight, particularly preferably less than 0.01% by weight.

また、希釈工程において、ジルコニウム塩水溶液、ジルコニアゾル、ジルコニア分散液を添加して得た希釈液の場合や、水で希釈した後さらに、未使用ジルコニア粉末、ジルコニア水酸化物、ジルコニア含水物を添加した場合、得られたリサイクルジルコニア粉末の組成比は、粉砕用ジルコニア焼結体の組成比から外れることがある。リサイクルジルコニア粉末としての使用目的に合えば、粉砕用ジルコニア焼結体の組成比から外れても格段問題はないが、粉砕用ジルコニア焼結体が固体酸化物形燃料電池用の電解質として使用されたもので有り、これを再利用して得たリサイクルジルコニア粉末を固体酸化物形燃料電池用の電解質の原料粉末として使用する場合には、粉砕用ジルコニア焼結体の組成比に会うように調整する必要がある。この場合、前記のようなSc23、Yb23、Y23を安定化剤として別途単独で加えたり、これらの塩の水溶液、ゾル、分散液を上記ジルコニウム塩水溶液、ジルコニアゾル、ジルコニア分散液に添加することが好ましい。 In addition, in the dilution process, in the case of a diluted solution obtained by adding an aqueous solution of zirconium salt, zirconia sol, zirconia dispersion, or after dilution with water, add unused zirconia powder, zirconia hydroxide, zirconia hydrate In this case, the composition ratio of the obtained recycled zirconia powder may deviate from the composition ratio of the pulverized zirconia sintered body. There is no problem even if the composition ratio of the zirconia sintered body for pulverization deviates from that of the recycled zirconia powder, but the zirconia sintered body for pulverization was used as an electrolyte for solid oxide fuel cells. When using recycled zirconia powder obtained by recycling it as a raw material powder for electrolytes for solid oxide fuel cells, adjust the composition ratio to meet the zirconia sintered compact for grinding. There is a need. In this case, Sc 2 O 3 , Yb 2 O 3 , and Y 2 O 3 as described above are separately added separately as stabilizers, or an aqueous solution, sol, or dispersion of these salts is added to the above-mentioned zirconium salt aqueous solution, zirconia sol. It is preferable to add to the zirconia dispersion.

本発明の第三発明は、第二発明により得られるリサイクルジルコニア粉末を原料ジルコニア粉末として、あるいは当該リサイクルジルコニア粉末と未使用ジルコニア粉末とからなる粉末を原料ジルコニア粉末としてジルコニア焼結体を製造するものである。好ましくは、原料ジルコニア粉末をドクターブレード法または押出成形法でシート状に成形したジルコニア焼結体シートの製造方法である。   The third invention of the present invention is to produce a zirconia sintered body using the recycled zirconia powder obtained by the second invention as a raw material zirconia powder, or using a powder comprising the recycled zirconia powder and an unused zirconia powder as a raw material zirconia powder. It is. Preferably, it is a method for producing a zirconia sintered body sheet obtained by forming a raw material zirconia powder into a sheet by a doctor blade method or an extrusion method.

本発明で言う未使用ジルコニア粉末とは、当該ジルコニア焼結体の製造用の粉末として用いていないものであり、ジルコニアを含むものであれば何れのものであっても良く、ジルコニアのみならず、含水物や水酸化物等を乾燥または焼成しジルコニア粉末となるものであっても良いが、好ましくはジルコニア粉末である。未使用ジルコニア粉末の組成・組成比は、粉砕用ジルコニア焼結体と同一であることが好ましい。これらジルコニア粉末、ジルコニア含水物、ジルコニア水酸化物等は市販のものを使用することができる。未使用のジルコニア粉末は、平均粒子径が0.01〜2μm、好ましくは0.1〜1μmであり、比表面積は、3〜30m2/g、好ましくは5〜20m2/gである。原料ジルコニア粉末が、当該リサイクルジルコニア粉末と未使用ジルコニア粉末とからなる場合、その割合は特に限定されないが、原料粉末中のリサイクルジルコニア粉末が2〜98質量%、未使用ジルコニア粉末が98〜2質量%、好ましくはリサイクルジルコニア粉末が5〜50質量%、未使用ジルコニア粉末が95〜50質量%、特に好ましくはリサイクルジルコニア粉末が10〜30質量%、未使用ジルコニア粉末が90〜70質量%である。 The unused zirconia powder referred to in the present invention is not used as a powder for producing the zirconia sintered body, and any zirconia-containing powder may be used, not only zirconia, A hydrated product, a hydroxide, or the like may be dried or fired to form a zirconia powder, but a zirconia powder is preferable. The composition and composition ratio of the unused zirconia powder is preferably the same as that of the pulverized zirconia sintered body. Commercially available zirconia powder, hydrated zirconia, zirconia hydroxide and the like can be used. The unused zirconia powder has an average particle diameter of 0.01 to 2 μm, preferably 0.1 to 1 μm, and a specific surface area of 3 to 30 m 2 / g, preferably 5 to 20 m 2 / g. When the raw material zirconia powder is composed of the recycled zirconia powder and the unused zirconia powder, the ratio is not particularly limited, but the recycled zirconia powder in the raw material powder is 2 to 98% by mass, and the unused zirconia powder is 98 to 2% by mass. %, Preferably 5 to 50% by weight of recycled zirconia powder, 95 to 50% by weight of unused zirconia powder, particularly preferably 10 to 30% by weight of recycled zirconia powder, and 90 to 70% by weight of unused zirconia powder .

以下、ジルコニア焼結体として、ジルコニアシートの製造方法についてその工程を詳細に説明する。   Hereinafter, the process is demonstrated in detail about the manufacturing method of a zirconia sheet as a zirconia sintered compact.

(1)原料スラリーまたは原料混練物の調製
先ず、当該原料ジルコニア粉末、溶媒、バインダー、可塑剤等を混合し、原料スラリーまたは原料混練物を調製する。原料スラリーまたは原料混練物に用いられるバインダーの種類にも格別の制限はなく、従来から知られた有機質のバインダーを適宜選択して使用することができる。有機質バインダーとしては、例えばエチレン系共重合体、スチレン系共重合体、アクリレート系およびメタクリレート系共重合体、酢酸ビニル系共重合体、マレイン酸系共重合体、ビニルブチラール系樹脂、ビニルアセタール系樹脂、ビニルホルマール系樹脂、ビニルアルコール系樹脂、ワックス類、エチルセルロース等のセルロース類等が例示される。これらの中でも、ジルコニアグリーンシートの成形性や打抜き加工性、強度、焼成時の収縮率バラツキを抑制する観点から、熱可塑性で、且つ数平均分子量が20,000〜250,000、より好ましくは50,000〜200,000の(メタ)アクリレート系共重合体が好ましいものとして推奨される。
(1) Preparation of raw material slurry or raw material kneaded material First, the raw material zirconia powder, a solvent, a binder, a plasticizer and the like are mixed to prepare a raw material slurry or a raw material kneaded material. There is no particular limitation on the type of binder used in the raw material slurry or the raw material kneaded material, and conventionally known organic binders can be appropriately selected and used. Examples of organic binders include ethylene copolymers, styrene copolymers, acrylate and methacrylate copolymers, vinyl acetate copolymers, maleic acid copolymers, vinyl butyral resins, and vinyl acetal resins. And vinyl formal resins, vinyl alcohol resins, waxes, celluloses such as ethyl cellulose, and the like. Among these, from the viewpoint of suppressing the moldability, punching workability, strength, and shrinkage ratio variation during firing of the zirconia green sheet, it is thermoplastic and has a number average molecular weight of 20,000 to 250,000, more preferably 50. 1,000 to 200,000 (meth) acrylate copolymers are recommended as preferred.

原料ジルコニア粉末とバインダーの使用比率は、前者100質量部に対して後者5〜30質量部が好ましく、より好ましくは後者10〜20質量部の範囲である。バインダーの使用量が不足する場合は、ジルコニアグリーンシートの成形性が低下し、また、強度や柔軟性が不十分となる。逆に多過ぎる場合はスラリーの粘度調節が困難になるばかりでなく、脱脂・焼結時のバインダー成分の分解放出が多く且つ激しくなって収縮率のバラツキも大きくなり、寸法バラツキの小さなシートが得られ難くなり、また、バインダーの熱分解が不十分となり、バインダー成分の一部が残留カーボンとして残留し易くなる。   The use ratio of the raw material zirconia powder and the binder is preferably 5 to 30 parts by mass, more preferably 10 to 20 parts by mass with respect to the former 100 parts by mass. When the amount of the binder used is insufficient, the moldability of the zirconia green sheet is lowered, and the strength and flexibility are insufficient. On the other hand, if the amount is too large, not only will it be difficult to adjust the viscosity of the slurry, but the decomposition and release of the binder component during degreasing and sintering will increase and become severe, resulting in large variations in shrinkage ratio, resulting in a sheet with small dimensional variations. Further, the thermal decomposition of the binder becomes insufficient, and a part of the binder component tends to remain as residual carbon.

使用される溶媒としては、水;メタノール、エタノール、2−プロパノール、1−ブタノール、1−ヘキサノール等のアルコール類;アセトン、2−ブタノン等のケトン類;ペンタン、ヘキサン、ヘプタン等の脂肪族炭化水素類;ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン等の芳香族炭化水素類;酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル等の酢酸エステル類等が挙げられ、これらから適宜選択して使用する。これらの溶媒も単独で使用し得る他、2種以上を適宜混合して使用することができる。これら溶媒の使用量は、ジルコニアグリーンシート成形時におけるスラリーの粘度を加味して適当に調節するのがよく、好ましくはスラリー粘度が1〜50Pa・s、より好ましくは2〜20Pa・sの範囲となる様に調整するのがよい。   Solvents used include water; alcohols such as methanol, ethanol, 2-propanol, 1-butanol and 1-hexanol; ketones such as acetone and 2-butanone; aliphatic hydrocarbons such as pentane, hexane and heptane. Aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, xylene, and ethylbenzene; and acetates such as methyl acetate, ethyl acetate, and butyl acetate, and the like. These solvents can also be used alone, or two or more of them can be appropriately mixed and used. The amount of these solvents used should be appropriately adjusted in consideration of the viscosity of the slurry at the time of forming the zirconia green sheet, and preferably the slurry viscosity is in the range of 1 to 50 Pa · s, more preferably 2 to 20 Pa · s. It is better to adjust as follows.

原料スラリーまたは原料混練物の調製に当たっては、ジルコニア原料粉末の解膠や分散を促進するため、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸アンモニウム等の高分子電解質;クエン酸、酒石酸等の有機酸;イソブチレンまたはスチレンと無水マレイン酸との共重合体およびそのアンモニウム塩あるいはアミン塩;ブタジエンと無水マレイン酸との共重合体およびそのアンモニウム塩等からなる分散剤;セラミックグリーンシートに柔軟性を付与するためのフタル酸ジブチル、フタル酸ジオクチル等のフタル酸エステル類;プロピレングリコール等のグリコール類やグリコールエーテル類;フタル酸系ポリエステル、アジピン酸系ポリエステル、セバチン酸系ポリエステル等のポリエステル系からなる可塑剤など;さらには界面活性剤や消泡剤などを必要に応じて添加することができる。   In preparing the raw slurry or raw material kneaded material, polymer electrolytes such as polyacrylic acid and ammonium polyacrylate; organic acids such as citric acid and tartaric acid; isobutylene or styrene are used to promote peptization and dispersion of the zirconia raw material powder. Copolymer of styrene and maleic anhydride and ammonium salt or amine salt thereof; Dispersant comprising copolymer of butadiene and maleic anhydride and ammonium salt thereof; phthalic acid for imparting flexibility to ceramic green sheet Phthalic acid esters such as dibutyl and dioctyl phthalate; Glycols such as propylene glycol and glycol ethers; Plasticizers made of polyester such as phthalic polyester, adipic acid polyester, and sebacic acid polyester; Activators and antifoams It can be added as needed.

原料スラリーまたは原料混練物は、上記成分を適量混合することにより調製する。その際、各粒子の微細化や粒子径を均一化するために、ボールミル等により粉砕しつつ混合してもよい。また、各成分の添加の順番は特に制限されず、従来方法に従えばよい。   The raw material slurry or the raw material kneaded material is prepared by mixing an appropriate amount of the above components. At that time, in order to make each particle fine and uniform the particle diameter, the particles may be mixed while being pulverized by a ball mill or the like. Moreover, the order of addition of each component is not particularly limited, and may be according to a conventional method.

(2)ジルコニアグリーンシートの製造
次に、上記のようにして得られた原料スラリーまたは原料混練物を成形する。成形方法は特に制限されないが、ドクターブレード法や押出成形法を用いて、適切な厚さのシートとすることが好ましい。その後、乾燥することによりジルコニアグリーンシートとする。乾燥条件は特に制限されず、例えば室温〜150℃の一定温度で乾燥してもよいし、50℃、80℃、120℃の様に順次連続的に昇温して加熱乾燥してもよい。
(2) Production of zirconia green sheet Next, the raw material slurry or raw material kneaded material obtained as described above is molded. Although a shaping | molding method is not restrict | limited in particular, It is preferable to set it as a sheet | seat of appropriate thickness using a doctor blade method or an extrusion molding method. Then, it is set as a zirconia green sheet by drying. Drying conditions are not particularly limited, and for example, drying may be performed at a constant temperature of room temperature to 150 ° C., or heating may be performed by successively raising the temperature in the order of 50 ° C., 80 ° C., and 120 ° C.

得られたジルコニアグリーンシートは、任意の方法で適当な大きさに打抜き若しくは切断加工してもよい。このグリーンシートの形状としては、円形、楕円形、角形、R(アール)を持った角形など何れでもよく、これらのシート内に同様の円形、楕円形、角形、Rを持った角形などの穴を1つもしくは2つ以上有するものであってもよい。また、グリーンシート厚も特に制限されるものではないが、例えば35〜1000μm程度とすることがきる。   The obtained zirconia green sheet may be punched or cut into an appropriate size by any method. The green sheet may have any shape such as a circle, an ellipse, a square, or a square with R (R), and a similar circle, ellipse, square, or square with an R in the sheet. One or two or more may be included. Also, the thickness of the green sheet is not particularly limited, but can be about 35 to 1000 μm, for example.

なお、ジルコニアグリーンシートの表面粗さは、使用する原料ジルコニア粉末や原料スラリー、原料混練物等の粒度分布に依存するが、ドクターブレード法によるテープキャスティングの場合、必要に応じて比較的容易に調整することができる。例えば、粗化したPETフィルム上にキャスティング等や、キャスティング後に表面を粗くした粗化用シートあるいは金型をグリーンシートに押圧すればよい。押出成形法によりセラミックグリーンシートを得た場合でも同様である。なお、セラミックグリーンシートの表面粗さとしては、一般的には、Raで0.01〜6μmの範囲が好適である。 The surface roughness of the zirconia green sheet depends on the particle size distribution of the raw material zirconia powder, raw material slurry, raw material kneaded material, etc., but it can be adjusted relatively easily if necessary in the case of tape casting by the doctor blade method. can do. For example, casting or the like on a roughened PET film, or a roughening sheet or mold whose surface is roughened after casting may be pressed against the green sheet. The same applies when a ceramic green sheet is obtained by an extrusion method. As the surface roughness of the ceramic green sheet, in general, the range of 0.01~6μm by R a are suitable.

(3)グリーンシートの焼成
ジルコニアグリーンシートを焼成する際には、1枚づつ棚板に当該グリーンシートを載置して焼成することも可能であるが、量産化のために当該ジルコニアグリーンシートと多孔質スペーサーシートとを交互に積み重ねた積層体として焼成することが好ましい。通常は再下段にスペーサーシートを置き、その上にジルコニアグリーンシートとスペーサーシートを交互に積み重ね、再上段にはスペーサーシートを載せる。再下段のスペーサーシートはジルコニアグリーンシートと棚板との接合を防ぎ、再上段のスペーサーシートは重しとなりジルコニアグリーンシートの反りやうねりの発生を低減する。
(3) Firing of green sheets When firing zirconia green sheets, the green sheets can be placed and fired on a shelf board one by one. For mass production, the zirconia green sheets It is preferable to fire as a laminated body in which porous spacer sheets are alternately stacked. Usually, a spacer sheet is placed on the lower stage, and zirconia green sheets and spacer sheets are alternately stacked thereon, and a spacer sheet is placed on the upper stage. The lower-stage spacer sheet prevents the zirconia green sheet and the shelf from being joined, and the upper-stage spacer sheet serves as a weight to reduce the occurrence of warpage and undulation of the zirconia green sheet.

具体的な焼成の条件は特に制限されず、常法によればよい。例えば、当該ジルコニアグリーンシートからバインダーや可塑剤等の有機成分を除去するために150〜600℃、好ましくは250〜500℃で5〜80時間程度処理する。次いで、1000〜1600℃、好ましくは1200〜1500℃で2〜10時間保持焼成することによりジルコニア粉末を焼結し、本発明の厚さが0.03〜0.5mmのジルコニア焼結体シートを得る。その全面積は5〜2000cm2、好ましくは50〜1000cm2、さらに好ましくは100〜500cm2である。 Specific firing conditions are not particularly limited, and may be based on a conventional method. For example, in order to remove organic components such as a binder and a plasticizer from the zirconia green sheet, the treatment is performed at 150 to 600 ° C., preferably 250 to 500 ° C. for about 5 to 80 hours. Next, the zirconia powder is sintered by holding and firing at 1000 to 1600 ° C., preferably 1200 to 1500 ° C. for 2 to 10 hours, and the zirconia sintered body sheet of the present invention having a thickness of 0.03 to 0.5 mm is obtained. obtain. The total area is 5 to 2000 cm 2 , preferably 50 to 1000 cm 2 , more preferably 100 to 500 cm 2 .

かくして得られる本発明のジルコニア焼結体シートは、厚さが0.03〜0.5mmであり、理論密度に対するアルキメデス法で測定した密度の相対密度が93%以上、好ましくは95%以上であり、3点曲げ強度も、ジルコニアの結晶構造が正方晶系のものは、800MPa以上、好ましくは900MPa以上、特に好ましくは1000MPa以上であり、立方晶系のものは、300MPa以上、好ましくは350MPa以上、特に好ましくは400MPa以上であり、未使用ジルコニア粉末を用いて製造したジルコニア焼結体シートと同等の強度を有するものである。   The zirconia sintered body sheet of the present invention thus obtained has a thickness of 0.03 to 0.5 mm, and the relative density of the density measured by the Archimedes method with respect to the theoretical density is 93% or more, preferably 95% or more. The three-point bending strength is 800 MPa or more, preferably 900 MPa or more, particularly preferably 1000 MPa or more when the crystal structure of zirconia is a tetragonal system, and 300 MPa or more, preferably 350 MPa or more, for a cubic system. Particularly preferably, it is 400 MPa or more, and has a strength equivalent to that of a zirconia sintered body sheet produced by using unused zirconia powder.

本発明の第五発明は、第四発明で得られたジルコニア焼結体を、固体酸化物形燃料電池用電解質として用いたものである。固体酸化物形燃料電池用電解質は、シート状である場合にはその厚さが0.03〜0.5mmであり、その全面積は5〜2000cm2、好ましくは50〜1000cm2、さらに好ましくは100〜500cm2である。固体酸化物形燃料電池用電解質として使用されるときには、当該電解質の一方の面に燃料極、他方の面に空気極が形成され、また、必要に応じて、電解質材料と燃料極材料または電解質材料と空気極材料との反応を防止するために、電解質の一方の面あるいは両方の面に中間層が形成されるのが一般的である。そこで、電解質と燃料極、空気極、中間層との接合力を高めそれらの電解質からの剥離を防止するために、当該固体酸化物形燃料電池用電解質表面にアンカー効果を付与する表面粗さをもたせることが好ましく、その粗さはRaで0.1〜3μm、好ましくは0.3〜2μm、さらに好ましくは0.5〜1.5μmである。 In a fifth aspect of the present invention, the zirconia sintered body obtained in the fourth aspect is used as an electrolyte for a solid oxide fuel cell. When the electrolyte for a solid oxide fuel cell is in the form of a sheet, the thickness is 0.03 to 0.5 mm, and the total area is 5 to 2000 cm 2 , preferably 50 to 1000 cm 2 , more preferably. 100-500 cm 2 . When used as an electrolyte for a solid oxide fuel cell, a fuel electrode is formed on one surface of the electrolyte, and an air electrode is formed on the other surface, and an electrolyte material and a fuel electrode material or an electrolyte material as necessary In general, an intermediate layer is formed on one surface or both surfaces of the electrolyte in order to prevent the reaction between the electrode material and the air electrode material. Therefore, in order to increase the bonding force between the electrolyte, the fuel electrode, the air electrode, and the intermediate layer and prevent the separation from the electrolyte, the surface roughness that gives an anchor effect to the surface of the solid oxide fuel cell electrolyte is set. Preferably, the roughness is Ra in the range of 0.1 to 3 μm, preferably 0.3 to 2 μm, and more preferably 0.5 to 1.5 μm.

本発明の第六発明は、第四発明にかかるジルコニア焼結体または第五発明にかかる固体酸化物形燃料電池用電解質を用いた固体酸化物形燃料電池である。当該ジルコニア焼結体または固体酸化物形燃料電池用電解質を用いて燃料電池とする一般的な手段を用いることができるが、好ましくは、ジルコニア焼結体シートまたは当該固体酸化物形燃料電池用電解質の一面に、燃料極材料となるNi、Co、Ru等と上記の安定化ジルコニアおよび/またはイットリア、サマリア、ガドリア等でドープされたセリア系酸化物のサーメットが好適に使用される。特に好ましくは、Niと9〜12モル%Sc23安定化ジルコニアからなるサーメットである。これら燃料極材料をエチルセルロース等のバインダー、α−テルピネオール等の溶剤とともに混練して燃料極ペーストを、あるいはミリングして燃料極スラリーを調製し、これをスクリーン印刷法、コーティング法などで被覆・乾燥・焼成することで燃料極を得ることができる。次いで、ジルコニア焼結体または当該固体酸化物形燃料電池用電解質の燃料極と反対の面に、空気極材料となるランタンマンガナイト、ランタンコバルタイトやランタンフェライトのランタンの一部が、セリウム、サマリウム、プラセオジウムなどの他の希土類元素やストロンチウム、カルシウム、バリウム、マグネシウムなどのアルカリ土類元素などで置換された、および/またはマンガン、コバルト、鉄の一部が銅、ニッケルなどで置換されたペロブスカイト構造酸化物、さらには、これらペロブスカイト型酸化物に、Gd23、Y23およびSm23から選択される少なくとも1種の酸化物を10〜35モル%含むセリア系酸化物、または、8〜10モル%のY23を含むイットリア安定化ジルコニアもしくは9〜12モル%のSc23を含むスカンジア安定化ジルコニア加えた混合物が好適に使用される。上記燃料極の場合と同様に、空気極ペーストあるいは空気極スラリーを調製し、これをスクリーン印刷法、コーティング法などで被覆・乾燥・焼成することで空気極を得ることができる。当該ジルコニア焼結体または固体酸化物形燃料電池用電解質と空気極と燃料極とにより固体酸化物形燃料電池が形成される。なお、燃料極、空気極の製造の順は特には限定されるものではない。また、固体電解質と空気極との間に、これらの固相反応防止のために、上記セリア系酸化物がそれらの中間層として存在していてもよい。さらには、燃料極とセパレータとの間に生じる隙間を埋めて両者間の密着度を向上させ、これにより接触抵抗を減じ、集電効率を向上させるなどの目的で、Ni粉体、Ni合金粉体、Pt粉体、Pt合金粉体、Ag粉体、Ag合金粉体、Au粉体、Au合金粉体などからなる燃料極コンタクト層や、同じく空気極とセパレータとの間に生じる隙間を埋めて両者間の密着度を向上させ、これにより接触抵抗を減じ、集電効率を向上させるなどの目的で、Ag粉体もしくはAg合金粉体および/または上記ぺロブスカイト型酸化物などからなる空気極コンタクト層や形成されていてもよい。 A sixth invention of the present invention is a solid oxide fuel cell using the zirconia sintered body according to the fourth invention or the electrolyte for a solid oxide fuel cell according to the fifth invention. A general means for forming a fuel cell by using the zirconia sintered body or the solid oxide fuel cell electrolyte can be used. Preferably, the zirconia sintered sheet or the solid oxide fuel cell electrolyte is used. On the other hand, a cermet of ceria oxide doped with Ni, Co, Ru or the like as a fuel electrode material and the above-mentioned stabilized zirconia and / or yttria, samaria, gadria or the like is preferably used. Particularly preferred is a cermet comprising Ni and 9-12 mol% Sc 2 O 3 stabilized zirconia. These fuel electrode materials are kneaded with a binder such as ethyl cellulose and a solvent such as α-terpineol to prepare a fuel electrode paste, or milling to prepare a fuel electrode slurry, which is coated, dried, screened, coated, etc. A fuel electrode can be obtained by baking. Next, lanthanum manganite, lanthanum cobaltite and lanthanum ferrite lanthanum, which are air electrode materials, are formed on the surface opposite to the anode of the zirconia sintered body or the solid oxide fuel cell electrolyte. Perovskite structure substituted with other rare earth elements such as praseodymium, alkaline earth elements such as strontium, calcium, barium, magnesium, etc. and / or partially substituted with manganese, cobalt, iron, etc. An oxide, and a ceria-based oxide containing 10 to 35 mol% of at least one oxide selected from Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 and Sm 2 O 3 in the perovskite oxide, or , 8-10 mol% of Y 2 O 3 and comprises yttria stabilized zirconia or a 9-12 mole% c mixture was added scandia-stabilized zirconia containing 2 O 3 is preferably used. As in the case of the fuel electrode, an air electrode can be obtained by preparing an air electrode paste or an air electrode slurry, and coating, drying, and baking it by a screen printing method, a coating method, or the like. A solid oxide fuel cell is formed by the zirconia sintered body or the solid oxide fuel cell electrolyte, the air electrode, and the fuel electrode. The order of manufacturing the fuel electrode and the air electrode is not particularly limited. In addition, the ceria-based oxide may be present as an intermediate layer between the solid electrolyte and the air electrode in order to prevent these solid phase reactions. Furthermore, Ni powder, Ni alloy powder are used for the purpose of filling the gap generated between the fuel electrode and the separator to improve the adhesion between them, thereby reducing the contact resistance and improving the current collecting efficiency. Body, Pt powder, Pt alloy powder, Ag powder, Ag alloy powder, Au powder, Au alloy powder, etc., and the gap formed between the air electrode and the separator is also filled An air electrode made of Ag powder or Ag alloy powder and / or the perovskite oxide for the purpose of improving the adhesion between the two, thereby reducing contact resistance and improving current collection efficiency. A contact layer or may be formed.

上記のように当該ジルコニア焼結体シートまたは固体酸化物形燃料電池用電解質と空気極と燃料極とにより固体酸化物形燃料電池が形成される。なお、燃料極、空気極の製造の順は特には限定されるものではない。   As described above, a solid oxide fuel cell is formed by the zirconia sintered body sheet or the solid oxide fuel cell electrolyte, the air electrode, and the fuel electrode. The order of manufacturing the fuel electrode and the air electrode is not particularly limited.

以下に本発明を実施例及び比較例を用いて詳細に説明するが、本発明の趣旨に反しない限り以下の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples and Comparative Examples. However, the present invention is not limited to the following Examples unless it is contrary to the gist of the present invention.

<参考例1>
粉砕用ジルコニア焼結体シートの製造
市販の8モル%イットリア安定化ジルコニア粉末(東ソー株式会社製、商品名「TZ−8YS」、平均粒子径:0.52μm、比表面積:8.5m2/g、以下8YSZと記す)100質量部、溶媒であるトルエン/イソプロパノール混合液(トルエン/イソプロパノール質量比=3/2)50質量部、および分散剤であるソルビタン脂肪酸エステル系界面活性剤2質量部との混合物を、ボールミルを用いて粉砕しつつ混合した。当該混合物へ、バインダーとしてメタクリレート系共重合体(数平均分子量:100,000、ガラス転位温度:−8℃、固形分濃度:50%)を固形分換算で15質量部と、可塑剤であるジブチルフタレート3質量部を添加し、さらにボールミルにより混合してスラリーとした。得られたスラリーを濃縮脱泡し、25℃での粘度を3Pa・sに調整し、塗工用スラリーとした。
<Reference Example 1>
Production of Zirconia Sintered Sheet for Grinding Commercial 8 mol% yttria stabilized zirconia powder (trade name “TZ-8YS”, manufactured by Tosoh Corporation, average particle size: 0.52 μm, specific surface area: 8.5 m 2 / g , Hereinafter referred to as 8YSZ), 100 parts by mass, 50 parts by mass of a toluene / isopropanol mixed solution (toluene / isopropanol mass ratio = 3/2) as a solvent, and 2 parts by mass of a sorbitan fatty acid ester surfactant as a dispersant. The mixture was mixed while being pulverized using a ball mill. A methacrylate copolymer (number average molecular weight: 100,000, glass transition temperature: −8 ° C., solid content concentration: 50%) as a binder and 15 parts by mass in terms of solid content and dibutyl as a plasticizer are added to the mixture. 3 parts by mass of phthalate was added and further mixed by a ball mill to form a slurry. The obtained slurry was concentrated and degassed, and the viscosity at 25 ° C. was adjusted to 3 Pa · s to obtain a slurry for coating.

この塗工用スラリーをドクターブレード法によりPETフィルム上に塗工し、塗工部に続く乾燥機(50℃、80℃、110℃の3ゾーン)中を0.2m/分の速度で通過させて乾燥し、スリッターで切断して幅150mm、長さ200m、厚さ320μmの長尺ジルコニアグリーンシートを得た。この長尺グリーンシートを120mm角づつに切断して、120mm角のジルコニアグリーンシート1800枚を得た。   This coating slurry is applied onto a PET film by the doctor blade method, and is passed through a dryer (3 zones of 50 ° C., 80 ° C. and 110 ° C.) following the coating portion at a speed of 0.2 m / min. And dried with a slitter to obtain a long zirconia green sheet having a width of 150 mm, a length of 200 m, and a thickness of 320 μm. This long green sheet was cut into 120 mm squares to obtain 1800 120 mm square zirconia green sheets.

次いで、アルミナ多孔質シート(気孔率:45%、厚さ:0.2mm、寸法:15cm角)を2枚重ねて載置した焼成用棚板上に、上記で得たジルコニアグリーンシートを1枚重ね、その上にスペーサーとして多孔質シートを重ね、同様にしてさらに交互に9枚ずつジルコニアグリーンシートと多孔質シートを重ね合わせ、最後に最上層のスペーサーの上にムライト・アルミナ製の重し用治具(気孔率60%、嵩比重:1.3)を載置した。このようにしてジルコニアグリーンシートを9枚重ね合わせたものを合計1800枚大気雰囲気下で、1425℃で3時間焼成し、約90mm角、厚さ270μmの8YSZ焼結体シートを得た。   Next, one piece of the zirconia green sheet obtained above was placed on a baking shelf on which two alumina porous sheets (porosity: 45%, thickness: 0.2 mm, dimensions: 15 cm square) were placed and placed. Stack a porous sheet as a spacer on top of it, and then stack 9 sheets of zirconia green sheets and porous sheets alternately in the same way, and finally use a mullite / alumina weight over the top spacer. A jig (porosity 60%, bulk specific gravity: 1.3) was placed. A total of 1800 zirconia green sheets stacked in this way were fired at 1425 ° C. for 3 hours in an air atmosphere to obtain an 8YSZ sintered body sheet of about 90 mm square and a thickness of 270 μm.

参考に、当該8YSZ焼結体シートの物性を測定すると、シート理論密度に対するアルキメデス法による密度から求めた気孔率は97.2%、JIS−1601に準拠した焼結体シートの3点曲げ強度試験による強度の20枚の平均値は348MPaであった。   For reference, when the physical properties of the 8YSZ sintered body sheet were measured, the porosity determined from the density by the Archimedes method with respect to the sheet theoretical density was 97.2%, and the three-point bending strength test of the sintered body sheet in accordance with JIS-1601 The average value of the strength of 20 sheets was 348 MPa.

<実施例1>
a)粉砕工程
上記参考例1で得られた8YSZ焼結体シートを、カッティングミル(フリッチュ社製、型式「P−25」、篩目:0.75mm梯形目)に順次投入し、回転数2800rpmで回転刃付きローターを回転させて1次粉砕し、受け皿にジルコニア粉末を回収した。この時の回収率は98%であった。得られた1次粉砕ジルコニア粉末の平均粒子径、95体積%粒子径、最大粒子径をレーザー回折/散乱粒度分布測定装置(堀場製作所製:型式「LA―920」)を用いて測定した。
<Example 1>
a) Grinding step The 8YSZ sintered body sheet obtained in the above Reference Example 1 is sequentially put into a cutting mill (model “P-25”, sieve mesh: 0.75 mm trapezoidal mesh, manufactured by Fritsch), and the rotational speed is 2800 rpm. Then, the rotor with a rotary blade was rotated for primary pulverization, and zirconia powder was recovered in a tray. The recovery rate at this time was 98%. The average particle size, 95 volume% particle size, and maximum particle size of the obtained primary pulverized zirconia powder were measured using a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring device (Horiba Seisakusho: Model “LA-920”).

次いで、1次粉砕ジルコニア粉末を、振動式試料供給装置から連続的に高速ローターミル(フリッチュ社製、型式「P−14」、篩目:0.12mm梯形目)に投入し、回転数20000rpmで12枚刃のローターを回転させて粉砕し、ジルコニア粉末を回収した。この時の回収率は96%であった。得られた2次粉砕ジルコニア粉末の平均粒子径は 6.9μm、95体積%粒子径は15.7μm、最大粒子径は30μmであった。   Next, the primary pulverized zirconia powder was continuously charged from a vibrating sample supply device into a high-speed rotor mill (manufactured by Fritsch, model “P-14”, sieve mesh: 0.12 mm trapezoidal mesh) at a rotational speed of 20000 rpm. A 12-blade rotor was rotated and pulverized to recover zirconia powder. The recovery rate at this time was 96%. The obtained secondary pulverized zirconia powder had an average particle size of 6.9 μm, a 95 volume% particle size of 15.7 μm, and a maximum particle size of 30 μm.

b)溶解工程
上記粉砕工程で得られた粉砕ジルコニア粉末100gを平底白金皿に入れ、次いで、市販の硫酸(98%)500mLと市販の硫酸アンモニウムを200g入れた。これに上蓋をして250℃で1時間加熱してペースト状の融解物を得た。これを10%硫酸で洗い流して溶解液を得た。この溶解液中のジルコニア固形分濃度は10%、そのpHは1以下であった。
b) Dissolution Step 100 g of the pulverized zirconia powder obtained in the above pulverization step was placed in a flat bottom platinum dish, and then 500 mL of commercially available sulfuric acid (98%) and 200 g of commercially available ammonium sulfate were added. This was covered with an upper lid and heated at 250 ° C. for 1 hour to obtain a paste-like melt. This was washed with 10% sulfuric acid to obtain a solution. The zirconia solid content concentration in this solution was 10%, and its pH was 1 or less.

c)希釈工程
攪拌機付き反応槽に蒸留水を入れ、シールレスポンプによりオーバーフロー管を通し循環させた。この反応層に上記溶解工程で得られた溶解液を徐々に滴下してジルコニアとしての濃度が0.5モル/Lまで希釈した。
c) Dilution process Distilled water was put into a reaction tank equipped with a stirrer and circulated through an overflow pipe by a sealless pump. The solution obtained in the dissolution step was gradually added dropwise to the reaction layer to dilute the concentration as zirconia to 0.5 mol / L.

d)前駆体調製工程
希釈工程で使用した反応槽とは別の攪拌機付き反応槽に蒸留水を入れ、シールレスポンプによりオーバーフロー管を通し循環させた。これに硫酸を加えてpH5.5とした。上記希釈工程で得られた希釈液を毎分50mLの割合で、またアンモニア水(28質量%水溶液)を毎分40mLの割合でそれぞれ攪拌中の反応槽に定量ポンプで注入しながらオーバーフロー管より反応液の一部を流出させる流通方式によって反応槽内のpHは5.5±0.5に保ちつつ中和沈殿生成反応を行った。流出液中の水酸化物を限外ろ過機でろ過分離し水洗することによって硫酸アンモニウム等を除去した後、ロータリーフィルタープレス機で水分を除去して、120℃で20時間乾燥してジルコニア前駆体を調製した。
d) Precursor preparation step Distilled water was put into a reaction vessel with a stirrer different from the reaction vessel used in the dilution step, and was circulated through an overflow pipe by a sealless pump. Sulfuric acid was added to adjust the pH to 5.5. Reaction from the overflow pipe while injecting the diluted solution obtained in the above dilution step at a rate of 50 mL / min and ammonia water (28 mass% aqueous solution) at a rate of 40 mL / min with a metering pump into the stirring reaction tank. The neutralization precipitation reaction was carried out while maintaining the pH in the reaction tank at 5.5 ± 0.5 by a flow system in which a part of the liquid was allowed to flow out. After removing the ammonium sulfate and the like by filtering and washing the hydroxide in the effluent with an ultrafiltration machine and washing with water, the moisture is removed with a rotary filter press machine and dried at 120 ° C. for 20 hours to obtain a zirconia precursor. Prepared.

e)仮焼工程
上記前駆体調製工程で得られたジルコニア前駆体を800℃で5時間仮焼することにより比表面積が12m2/g、平均粒子径が0.3μm、95体積%径が1.0μm、最大粒子径が1.5μmの8YSZリサイクルジルコニア粉末を得た。
e) Calcination Step The zirconia precursor obtained in the precursor preparation step is calcined at 800 ° C. for 5 hours to obtain a specific surface area of 12 m 2 / g, an average particle diameter of 0.3 μm, and a 95 volume% diameter of 1. An 8YSZ recycled zirconia powder having 0 μm and a maximum particle size of 1.5 μm was obtained.

<参考例2>
粉砕用ジルコニア焼結体シートの製造
市販のスカンジア安定化ジルコニア粉末(第一稀元素化学工業製、商品名「10Sc1CeSZ」、平均粒子径:0.60μm、比表面積:10.8m2/g、以下10Sc1CeSZと記す)を用い、バインダー量を16質量部とした以外は実施例1と同様にして、約90mm角、厚さ約240μmの10Sc1CeSZ焼結体シートを1800枚製造した。
参考に、当該10Sc1CeSZ焼結体シートの物性を測定すると、シート理論密度に対するアルキメデス法による密度から求めた気孔率は97.9%、JIS−1601に準拠した焼結体シートの3点曲げ強度試験による強度の20枚の平均値は381MPaであった。
<Reference example 2>
Production of zirconia sintered sheet for grinding Commercially available scandia-stabilized zirconia powder (manufactured by Daiichi Elemental Chemical Co., Ltd., trade name “10Sc1CeSZ”, average particle size: 0.60 μm, specific surface area: 10.8 m 2 / g, below 1800 sheets of 10Sc1CeSZ sintered sheets having a size of about 90 mm square and a thickness of about 240 μm were produced in the same manner as in Example 1 except that the amount of the binder was 16 parts by mass using 10Sc1CeSZ.
For reference, when the physical properties of the 10Sc1CeSZ sintered body sheet were measured, the porosity determined from the density by Archimedes method with respect to the sheet theoretical density was 97.9%, and the three-point bending strength test of the sintered body sheet according to JIS-1601 The average value of the strength by 20 sheets was 381 MPa.

<実施例2>
a)粉砕工程
得られたシートを、カッティングミル(フリッチュ社製、型式「P−25」、篩目:0.75mm梯形目)に順次投入し、回転数2800rpmで回転刃付きローターを回転させて粉砕し、受け皿に1次粉砕ジルコニア粉末を回収した。この時の回収率は94%であった。このジルコニア粉末の平均粒子径、95体積%粒子径、最大粒子径を測定した。
さらに、回収した1次粉砕ジルコニア粉末を振動式試料供給装置から連続的に高速ローターミル(フリッチュ社製、型式「P−14」、篩目:0.12mm梯形目)に投入し、回転数20000rpmで12枚刃のローターを回転させて粉砕し、ジルコニア粉末を回収した。この時の回収率は93%であった。得られた2次粉砕ジルコニア粉末の平均粒子径、95体積%粒子径、最大粒子径を同様に測定した。
<Example 2>
a) Grinding step The obtained sheet is sequentially put into a cutting mill (model “P-25” manufactured by Fritsch, sieve mesh: 0.75 mm trapezoidal), and the rotor with a rotating blade is rotated at a rotational speed of 2800 rpm. After grinding, primary ground zirconia powder was collected in a saucer. The recovery rate at this time was 94%. The average particle diameter, 95 volume% particle diameter, and maximum particle diameter of this zirconia powder were measured.
Further, the recovered primary pulverized zirconia powder is continuously fed from a vibrating sample supply device to a high-speed rotor mill (manufactured by Fritsch, model “P-14”, sieve mesh: 0.12 mm trapezoidal mesh) and rotated at 20000 rpm. Then, a 12-blade rotor was rotated and ground to recover zirconia powder. The recovery rate at this time was 93%. The average particle diameter, 95 volume% particle diameter, and maximum particle diameter of the obtained secondary pulverized zirconia powder were measured in the same manner.

次いで、2次粉砕ジルコニア粉末を、5mmφジルコニアビーズが入った500mLのジルコニア製ポットに100g入れ、さらに蒸留水150gを入れて、遊星ミル(フリッチュ社製、型式「P−5」)に装着し、300rpmで30分間回転させて、1次湿式粉砕した。さらに、5mmφジルコニアビーズを1mmφジルコニアビーズに取り替えて同様に300rpmで30分間回転させて2次湿式粉砕を行った。粉砕後、ガラスフィルターを通して粉砕ジルコニア粉末を分離・回収し、さらに、80℃で5時間乾燥させてリサイクルジルコニア粉末を得た。得られた粉末の平均粒子径は0.9μm、95体積%粒子径は6.1μm、最大粒子径は10μm、比表面積は2.3m2/gであった。 Next, 100 g of the secondary pulverized zirconia powder was put into a 500 mL zirconia pot containing 5 mmφ zirconia beads, 150 g of distilled water was further added, and mounted on a planetary mill (model “P-5” manufactured by Fritsch). The mixture was rotated at 300 rpm for 30 minutes and subjected to primary wet pulverization. Further, the 5 mmφ zirconia beads were replaced with 1 mmφ zirconia beads, and the mixture was similarly rotated at 300 rpm for 30 minutes to perform secondary wet grinding. After pulverization, the pulverized zirconia powder was separated and collected through a glass filter, and further dried at 80 ° C. for 5 hours to obtain recycled zirconia powder. The average particle size of the obtained powder was 0.9 μm, the 95% by volume particle size was 6.1 μm, the maximum particle size was 10 μm, and the specific surface area was 2.3 m 2 / g.

b)溶解工程
上記粉砕工程で得られた粉砕ジルコニア粉末200gを平底白金皿に入れ、次いで、市販の硫酸(98%)500mLと市販の硫酸アンモニウムを200g入れた。これに上蓋をして250℃で1時間加熱してペースト状の融解物を得た。これを10%硫酸で洗い流して溶解液を得た。この溶解液中のジルコニア固形分濃度は10%、そのpHは1以下であった。
b) Dissolution Step 200 g of the pulverized zirconia powder obtained in the above pulverization step was placed in a flat bottom platinum dish, and then 500 mL of commercially available sulfuric acid (98%) and 200 g of commercially available ammonium sulfate were added. This was covered with an upper lid and heated at 250 ° C. for 1 hour to obtain a paste-like melt. This was washed with 10% sulfuric acid to obtain a solution. The zirconia solid content concentration in this solution was 10%, and its pH was 1 or less.

c)希釈工程〜e)仮焼工程
希釈工程〜前駆体調製工程は実施例1と同様に行った。仮焼工程は上記前駆体調製工程で得られたジルコニア前駆体を950℃で2時間仮焼し、その仮焼粉体をスプレードライ機で噴霧乾燥して弱く凝集したほぼ球状で、比表面積が8.8m2/g、平均粒子径が0.6μm、95体積%径が1.1μm、最大粒子径が1.4μmの10Sc1CeSZリサイクルジルコニア粉末を得た。
c) Dilution step to e) Calcination step The dilution step to the precursor preparation step were performed in the same manner as in Example 1. The calcination step is a calcination of the zirconia precursor obtained in the precursor preparation step at 950 ° C. for 2 hours, and the calcined powder is spray-dried with a spray dryer to form a weakly agglomerated spherical shape with a specific surface area. A 10Sc1CeSZ recycled zirconia powder having 8.8 m 2 / g, an average particle diameter of 0.6 μm, a 95 volume% diameter of 1.1 μm, and a maximum particle diameter of 1.4 μm was obtained.

<実施例3>
実施例1で得た8YSZリサイクルジルコニア粉末を原料ジルコニア粉末として用いた以外は、参考例1の粉砕用ジルコニア焼結体シートの製法と全く同様にして8YSZ焼結体シート200枚を製造した。当該8YSZ焼結体シートの物性を測定すると、シート理論密度に対するアルキメデス法による密度から求めた気孔率は96.6%、JIS−1601に準拠した焼結体シートの3点曲げ強度試験による強度の20枚の平均値は335MPaであり、参考例1の未使用ジルコニア粉末を原料粉末とした焼結体シートとほぼ同性能であった。
<Example 3>
200 sheets of 8YSZ sintered body sheets were manufactured in exactly the same manner as the method for producing a zirconia sintered body sheet for grinding in Reference Example 1 except that the 8YSZ recycled zirconia powder obtained in Example 1 was used as a raw material zirconia powder. When the physical properties of the 8YSZ sintered body sheet were measured, the porosity determined from the density by Archimedes method with respect to the sheet theoretical density was 96.6%, and the strength of the sintered body sheet according to JIS-1601 was determined by the three-point bending strength test. The average value of 20 sheets was 335 MPa, which was almost the same performance as that of a sintered body sheet using unused zirconia powder of Reference Example 1 as a raw material powder.

<実施例4>
原料ジルコニア粉末として、実施例2で得た10Sc1CeSZリサイクルジルコニア粉末を用いた以外は参考例2の粉砕用ジルコニア焼結体シートの製法と全く同様にして10Sc1CeSZ焼結体シート200枚を製造した。当該10Sc1CeSZ焼結体シートの物性を測定すると、シート理論密度に対するアルキメデス法による密度から求めた気孔率は98.2%、JIS−1601に準拠した焼結体シートの3点曲げ強度試験によ強度の20枚の平均値は401MPaであり、参考例2の未使用ジルコニア粉末を原料粉末とした焼結体シートとほぼ同性能であった。
<Example 4>
As the raw material zirconia powder, 200 10Sc1CeSZ sintered body sheets were produced in exactly the same manner as in the method for producing the pulverized zirconia sintered body sheet of Reference Example 2 except that the 10Sc1CeSZ recycled zirconia powder obtained in Example 2 was used. When the physical properties of the 10Sc1CeSZ sintered body sheet were measured, the porosity determined from the density by the Archimedes method with respect to the sheet theoretical density was 98.2%, and the strength was determined by the three-point bending strength test of the sintered body sheet according to JIS-1601. The average value of 20 sheets was 401 MPa, which was almost the same performance as that of a sintered body sheet made from the unused zirconia powder of Reference Example 2 as a raw material powder.

<実施例5>
実施例1で得たリサイクルジルコニア粉末50質量%と、参考例1の粉砕用ジルコニア焼結体シートの製造に用いた未使用の8YSZ粉末50質量%とを原料ジルコニア粉末とした以外は、参考例1と全く同様にして8YSZ焼結体シート200枚を製造した。シート理論密度に対するアルキメデス法による密度から求めた気孔率は97.1%、JIS−1601に準拠した焼結体シートの3点曲げ強度試験による強度の20枚の平均値は347MPaであった。
<Example 5>
Reference Example, except that 50% by mass of recycled zirconia powder obtained in Example 1 and 50% by mass of unused 8YSZ powder used in the production of the pulverized zirconia sintered body sheet of Reference Example 1 were used as raw material zirconia powder. In the same manner as in No. 1, 200 sheets of 8YSZ sintered body were produced. The porosity determined from the density by the Archimedes method with respect to the sheet theoretical density was 97.1%, and the average value of 20 sheets of the strength by the three-point bending strength test of the sintered body sheet according to JIS-1601 was 347 MPa.

<実施例6>
原料ジルコニア粉末として、実施例2のリサイクルジルコニア粉末10質量%と、参考例2の粉砕用ジルコニア焼結体シートの製造に用いた未使用の10Sc1CeSZ粉末90質量%を原料ジルコニア粉末とした以外は、参考例2と全く同様にして10Sc1CeSZ焼結体シート200枚を製造した。シート理論密度に対するアルキメデス法による密度から求めた相対密度は98.4%、JIS−1601に準拠した焼結体シートの3点曲げ強度試験による強度の20枚の平均値は410MPaであった。
<Example 6>
As raw material zirconia powder, except that 10% by weight of recycled zirconia powder of Example 2 and 90% by weight of unused 10Sc1CeSZ powder used in the production of the pulverized zirconia sintered body sheet of Reference Example 2 were used as raw material zirconia powder, In the same manner as in Reference Example 2, 200 10Sc1CeSZ sintered sheets were produced. The relative density calculated | required from the density by the Archimedes method with respect to a sheet | seat theoretical density was 98.4%, and the average value of 20 sheets of the intensity | strength by the three-point bending strength test of the sintered compact sheet | seat based on JIS-1601 was 410 MPa.

本発明は、ジルコニア焼結体の製造後に生じるジルコニア焼結体の再利用し、ジルコニア焼結体の製造に関するものである。   The present invention relates to the production of a zirconia sintered body by reusing the zirconia sintered body produced after the production of the zirconia sintered body.

Claims (5)

10〜30質量%のリサイクルジルコニア粉末および90〜70質量%の未使用ジルコニア粉末からなり、
前記リサイクルジルコニア粉末が、
(1)粉砕用ジルコニア焼結体を、粉砕してジルコニア粒子とする工程(粉砕工程)
(2)粉砕工程で得られたジルコニア粒子を、酸で溶解する工程(溶解工程)
(3)溶解工程で得られた溶解液を、水で希釈する工程(希釈工程)
(4)希釈工程で得られた希釈液を用いて、共沈法、加水分解法、水熱合成法または噴霧乾燥法によりジルコニア粉末前駆体を調製する工程(前駆体調製工程)
(5)前駆体調製工程で得られた前駆体を、乾燥・仮焼してリサイクルジルコニア粉末とする工程(仮焼工程)
を用いる製造方法によって製造されたものである、固体酸化物形燃料電池用の原料ジルコニア粉末。
Ri Do from 10 to 30 mass% of recycled zirconia powder and 90 to 70% by weight of virgin zirconia powder,
The recycled zirconia powder is
(1) A step of crushing a zirconia sintered body for crushing into zirconia particles (crushing step)
(2) Step of dissolving zirconia particles obtained in the pulverization step with an acid (dissolution step)
(3) Step of diluting the solution obtained in the dissolution step with water (dilution step)
(4) A step of preparing a zirconia powder precursor by a coprecipitation method, a hydrolysis method, a hydrothermal synthesis method or a spray drying method using the diluted solution obtained in the dilution step (precursor preparation step)
(5) Step of drying and calcining the precursor obtained in the precursor preparation step to make recycled zirconia powder (calcination step)
Der those produced by the manufacturing method using a Ru raw material zirconia powder for a solid oxide fuel cell.
前記リサイクルジルコニア粉末の平均粒子径が0.01〜1μmおよび比表面積が3〜20m2/gであり、
前記未使用ジルコニア粉末の平均粒子径が0.01〜2μmおよび比表面積が3〜30m2/gである、
請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池用の原料ジルコニア粉末。
The recycled zirconia powder has an average particle size of 0.01 to 1 μm and a specific surface area of 3 to 20 m 2 / g,
The unused zirconia powder has an average particle size of 0.01 to 2 μm and a specific surface area of 3 to 30 m 2 / g.
The raw material zirconia powder for a solid oxide fuel cell according to claim 1.
請求項1又は2に記載の固体酸化物系燃料電池用の原料ジルコニア粉末を成形して焼成してなる、ジルコニア焼結体。 A zirconia sintered body formed by molding and firing the raw material zirconia powder for a solid oxide fuel cell according to claim 1. 請求項3に記載のジルコニア焼結体を含む、固体酸化物形燃料電池用電解質。 An electrolyte for a solid oxide fuel cell, comprising the zirconia sintered body according to claim 3. 請求項3に記載のジルコニア焼結体または請求項4に記載の固体酸化物形燃料電池用電解質を含む固体酸化物形燃料電池。 A solid oxide fuel cell comprising the zirconia sintered body according to claim 3 or the electrolyte for a solid oxide fuel cell according to claim 4.
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