JP7374530B2 - Porous ceramic sintered body and applications using it - Google Patents
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Description
本発明は、多孔質セラミックス焼結体およびそれを用いた用途に関する。特に、本発明は、デンプンを造孔剤に用いた酸化物イオン・電子混合伝導体からなる多孔質セラミックス焼結体およびそれを用いた用途に関する。 The present invention relates to a porous ceramic sintered body and uses thereof. In particular, the present invention relates to a porous ceramic sintered body made of an oxide ion/electronic mixed conductor using starch as a pore-forming agent, and uses thereof.
多孔質材料は、吸着材、フィルタ、触媒担体、リアクタ、断熱材、消音材、建材等に使用される。このような多孔質材料の中でも連通孔を有し、気孔率の高いセラミック多孔体(多孔質セラミックスとも称する)の製造方法が知られている(例えば、特許文献1および2を参照)。 Porous materials are used in adsorbents, filters, catalyst carriers, reactors, insulation materials, sound deadening materials, building materials, etc. Among such porous materials, methods for producing ceramic porous bodies (also referred to as porous ceramics) having communicating pores and high porosity are known (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
特許文献1によれば、ゲル化可能な水溶性高分子の水溶液にセラミック粉体を分散したスラリーを、ゲル化、凍結、解凍、乾燥、焼結してセラミック多孔体を製造する方法が開示される。特許文献1によれば、水溶性高分子のゲル化および凍結により、水溶性高分子ゲル中に氷の結晶を生成し、それが乾燥によって除去されて気孔となる。また、特許文献1では、水溶性高分子としてデンプンを使用することを開示しているが、水溶性高分子は一時的にセラミックス粉体等の組織を固定化するに過ぎず、気孔源として機能しない。また、特許文献1では、ゲル化および凍結における氷の結晶のサイズが粗大化するという問題があった。 According to Patent Document 1, a method for manufacturing a ceramic porous body by gelling, freezing, thawing, drying, and sintering a slurry in which ceramic powder is dispersed in an aqueous solution of a gelatable water-soluble polymer is disclosed. Ru. According to Patent Document 1, gelation and freezing of a water-soluble polymer generates ice crystals in the water-soluble polymer gel, which are removed by drying to form pores. Further, Patent Document 1 discloses the use of starch as a water-soluble polymer, but the water-soluble polymer only temporarily fixes the structure of ceramic powder, etc., and functions as a pore source. do not. Furthermore, Patent Document 1 has a problem in that the size of ice crystals becomes coarse during gelation and freezing.
特許文献2によれば、ナトリウムイオン、カリウムイオン、マグネシウムイオン、カルシウムイオン、水酸化物イオン、炭酸イオン等の氷結晶粗大化抑制剤を用いることにより、特許文献1の問題を解決し、細孔のサイズが10μm~300μmで制御された多孔体が製造される。しかしながら、氷結晶粗大化抑制剤として添加したイオンは、除去されず、多孔体中に残るという問題があった。したがって、不要なイオンを含有することなく、細孔径等を制御した多孔体の製造方法が開発されることが望ましい。 According to Patent Document 2, the problem of Patent Document 1 is solved by using an ice crystal coarsening inhibitor such as sodium ion, potassium ion, magnesium ion, calcium ion, hydroxide ion, carbonate ion, etc. A porous body with a controlled size of 10 μm to 300 μm is produced. However, there was a problem in that the ions added as an ice crystal coarsening inhibitor were not removed and remained in the porous body. Therefore, it is desirable to develop a method for producing a porous body that does not contain unnecessary ions and controls the pore diameter and the like.
また、酸化物イオン・電子混合伝導体からなる多孔質セラミックスを支持層としてその上に酸素分離活性層を備えた酸素分離膜が知られている(例えば、特許文献3を参照)。特許文献3によれば、支持層と酸素分離活性層とが、一般式、
AxA’1-XByB’1-yO3-α
で表されることを開示する。ここで、式中、0<xであり、y<0.5であり、αは、電気的中性を保つための数値であり、Aは、ランタノイド元素、Ca、Sr、およびBaよりなる群の中から選ばれた少なくとも1つの元素であり、A’は、上記Aで選択された元素を除く、ランタノイド元素、Ca、Sr、およびBaよりなる群の中から選ばれた少なくとも1つの元素であり、Bは、Ti、Zr、Ce、Nb、Ta、およびGaよりなる群の中から選ばれた少なくとも1つの元素であり、B’は、Fe、Co、Cr、およびYよりなる群の中から選ばれた少なくとも1つの元素である。
Furthermore, an oxygen separation membrane is known that has a support layer made of porous ceramics made of a mixed oxide ion/electron conductor and an oxygen separation active layer thereon (see, for example, Patent Document 3). According to Patent Document 3, the support layer and the oxygen separation active layer have the general formula:
A x A' 1-X B y B' 1-y O 3-α
Disclose that it is expressed in . Here, in the formula, 0<x, y<0.5, α is a numerical value for maintaining electrical neutrality, and A is a group consisting of lanthanide elements, Ca, Sr, and Ba. A' is at least one element selected from the group consisting of lanthanide elements, Ca, Sr, and Ba, excluding the elements selected in A above. , B is at least one element selected from the group consisting of Ti, Zr, Ce, Nb, Ta, and Ga, and B' is at least one element selected from the group consisting of Fe, Co, Cr, and Y. At least one element selected from
しかしながら、この場合であっても、支持層の連通性は十分ではなく、さらなる改良が求められていた。 However, even in this case, the continuity of the support layer was not sufficient, and further improvements were required.
以上から、本発明の課題は、連通性に優れた酸化物イオン・電子混合伝導体からなる多孔質セラミックス焼結体およびそれを用いた用途を提供することである。 In light of the above, an object of the present invention is to provide a porous ceramic sintered body made of an oxide ion/electronic mixed conductor with excellent connectivity, and applications using the same.
本発明による多孔質セラミックス焼結体は、ランタンストロンチウムマンガン酸化物(LSM)、ランタンストロンチウム鉄酸化物(LSF)、ランタンストロンチウムコバルト酸化物(LSC)、ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物(LSCF)、サマリウムストロンチウムコバルト酸化物(SSC)、ビスマステルニウム酸化物、バリウムストロンチウムコバルト鉄酸化物(BSCF)、ランタンストロンチウムガリウムコバルト酸化物、ランタンストロンチウムガリウム鉄酸化物、ランタンストロンチウムガリウムニッケル酸化物、カルシウムチタン鉄酸化物、セリウムプラセオジム酸化物、ガトリニウムセリウムプラセオジム酸化物、イットリウム安定化ビスマス-銀(BYS/Ag)、エルビウム安定化ビスマス-金(ESB/Au)、ビスマスカルシウム酸化物、ビスマスイットリウム銅酸化物、ビスマスイットリウムサマリウム酸化物、および、ビスマスエルビウム酸化物からなる群から選択される酸化物イオン・電子混合伝導体からなり、連通する気孔を有し、50%以上75%以下の範囲を満たす開気孔率を有し、0.05%以上4.0%以下の範囲を満たす閉気孔率を有し、23%以上50%以下の範囲を満たす相対密度を有し、0.5μm以上20μm以下の範囲を満たす気孔径を有し、これにより上記課題を解決する。
前記酸化物イオン・電子混合伝導体は、バリウムストロンチウムコバルト鉄酸化物(BSCF)であってもよい。
1.5×10-3S・cm-1以上の電気伝導率を有してもよい。
本発明による酸化物イオン・電子混合伝導体を含有する固体酸化物型燃料電池用の空気極は、前記酸化物イオン・電子混合伝導体は、上述の多孔質セラミックス焼結体であり、これにより上記課題を解決する。
本発明による支持体と、支持体上に位置する酸素分離活性層とを備えた酸素透過膜は、前記支持体は、上述の多孔質セラミックス焼結体からなり、前記酸素分離活性層は、前記多孔質セラミックス焼結体を構成する酸化物イオン・電子混合伝導体と同じ酸化物イオン・電子混合伝導体からなり、これにより上記課題を解決する。
前記支持体は、500μm以上1500μm以下の範囲の厚さを有してもよい。
前記酸素分離活性層は、10μm以上500μm以下の範囲の厚さを有してもよい。
The porous ceramic sintered body according to the present invention includes lanthanum strontium manganese oxide (LSM), lanthanum strontium iron oxide (LSF), lanthanum strontium cobalt oxide (LSC), lanthanum strontium cobalt iron oxide (LSCF), samarium strontium Cobalt oxide (SSC), bismuth sternium oxide, barium strontium cobalt iron oxide (BSCF), lanthanum strontium gallium cobalt oxide, lanthanum strontium gallium iron oxide, lanthanum strontium gallium nickel oxide, calcium titanium iron oxide, Cerium praseodymium oxide, Gatrinium cerium praseodymium oxide, Yttrium stabilized bismuth-silver (BYS/Ag), Erbium stabilized bismuth-gold (ESB/Au), Bismuth calcium oxide, Bismuth yttrium copper oxide, Bismuth yttrium It is made of an oxide ion/electronic mixed conductor selected from the group consisting of samarium oxide and bismuth erbium oxide, has communicating pores, and has an open porosity that satisfies the range of 50% to 75%. and has a closed porosity that satisfies the range of 0.05% or more and 4.0% or less, has a relative density that satisfies the range of 23% or more and 50% or less, and satisfies the range of 0.5 μm or more and 20 μm or less. It has a pore size, thereby solving the above problem.
The oxide ionic/electronic mixed conductor may be barium strontium cobalt iron oxide (BSCF).
It may have an electrical conductivity of 1.5×10 −3 S·cm −1 or more.
In the air electrode for a solid oxide fuel cell containing a mixed oxide ion and electron conductor according to the present invention, the mixed oxide ion and electron conductor is the above-mentioned porous ceramic sintered body. Solve the above issues.
An oxygen permeable membrane comprising a support according to the present invention and an oxygen separation active layer located on the support, wherein the support is made of the above-mentioned porous ceramic sintered body, and the oxygen separation active layer is made of the above-mentioned porous ceramic sintered body. It is made of the same oxide ion/electron mixed conductor as the oxide ion/electron mixed conductor constituting the porous ceramic sintered body, thereby solving the above problem.
The support may have a thickness in the range of 500 μm or more and 1500 μm or less.
The oxygen separation active layer may have a thickness of 10 μm or more and 500 μm or less.
本発明の多孔質セラミックス焼結体は、上述の酸化物イオン・電子混合伝導体からなり、連通する気孔を有し、50%以上75%以下の範囲を満たす開気孔率を有し、0.05%以上4.0%以下の範囲を満たす閉気孔率を有し、23%以上50%以下の範囲を満たす相対密度を有し、0.5μm以上20μm以下の範囲を満たす気孔径を有するので、通気性および取り扱いに優れる。このような多孔質セラミックス焼結体は、酸化物イオン・電子混合伝導体からなり、通気性に優れるので、燃料電池の空気極に有利である。また、本発明の多孔質セラミックス焼結体は、高い通気性を有しつつ、強度を維持するので、その上に酸素分離活性層を形成する支持体として機能し、全体として強度に優れた酸素透過膜を提供できる。 The porous ceramic sintered body of the present invention is made of the above-mentioned oxide ion/electron mixed conductor, has communicating pores, has an open porosity that satisfies the range of 50% to 75%, and has an open porosity of 50% to 75%. It has a closed porosity that satisfies the range of 0.5% or more and 4.0% or less, a relative density that satisfies the range of 23% or more and 50% or less, and a pore diameter that satisfies the range of 0.5 μm or more and 20 μm or less. , excellent breathability and handling. Such a porous ceramic sintered body is made of a mixed oxide ion/electronic conductor and has excellent air permeability, so it is advantageous for the air electrode of a fuel cell. In addition, the porous ceramic sintered body of the present invention maintains strength while having high air permeability, so it functions as a support for forming an oxygen separation active layer thereon, and the porous ceramic sintered body has excellent strength as a whole. Can provide a permeable membrane.
本発明の酸化物イオン・電子混合伝導体からなり、連通する気孔を有する多孔質セラミックスを製造する方法は、酸化物イオン・電子混合伝導体であるセラミックスの粒子と、デンプンとを、少なくとも水を含有する分散媒中で混合するステップと、その混合物を50℃以上150℃以下の温度範囲で加熱し、デンプンを糊化させるステップと、その糊化体を-5℃以上10℃以下の温度範囲を満たす第1の条件で保持し、次いで、-10℃以下の温度範囲を満たす第2の条件で保持し、デンプンを老化させるステップと、その老化体を乾燥させ、分散媒を除去するステップと、その成形体を焼成するステップとを包含する。このようなステップにより、デンプンが造孔剤として機能し、デンプンの糊化および老化現象を利用し、連通した気孔を有する多孔質セラミックスを製造できる。 The method of manufacturing porous ceramics made of an oxide ion/electronic mixed conductor and having communicating pores according to the present invention involves mixing ceramic particles, which are oxide ion/electronic mixed conductors, and starch with at least water. mixing in a dispersion medium containing the starch, heating the mixture at a temperature range of 50°C to 150°C to gelatinize the starch, and heating the gelatinized product at a temperature range of -5°C to 10°C. a step of aging the starch by holding it under a first condition satisfying a temperature range of −10° C. or lower; and a step of drying the aged product and removing the dispersion medium. , and firing the molded body. Through these steps, starch functions as a pore-forming agent, and by utilizing the gelatinization and aging phenomena of starch, it is possible to produce porous ceramics having communicating pores.
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、同様の要素には同様の番号を付し、その説明を省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that similar elements are given similar numbers and their explanations will be omitted.
(実施の形態1)
実施の形態1では、本発明の多孔質セラミックス焼結体およびその製造方法を説明する。
(Embodiment 1)
In Embodiment 1, a porous ceramic sintered body of the present invention and a method for manufacturing the same will be described.
図1は、本発明の多孔質セラミックス焼結体を模式的に示す図である。 FIG. 1 is a diagram schematically showing a porous ceramic sintered body of the present invention.
本発明の多孔質セラミックス焼結体100は、酸化物イオン・電子混合伝導体110からなる。酸化物イオン・電子混合伝導体110は任意の混合伝導体であってよいが、ペロブスカイト型混合伝導体、蛍石型混合伝導体、サーメット型混合伝導体、スピネル型酸化物等が知られている。具体的には、ランタンストロンチウムマンガン酸化物(LSM)、ランタンストロンチウム鉄酸化物(LSF)、ランタンストロンチウムコバルト酸化物(LSC)、ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物(LSCF)、サマリウムストロンチウムコバルト酸化物(SSC)、ビスマステルニウム酸化物、バリウムストロンチウムコバルト鉄酸化物(BSCF)、ランタンストロンチウムガリウムコバルト酸化物、ランタンストロンチウムガリウム鉄酸化物、ランタンストロンチウムガリウムニッケル酸化物、カルシウムチタン鉄酸化物、セリウムプラセオジム酸化物、ガトリニウムセリウムプラセオジム酸化物、イットリウム安定化ビスマス-銀(BYS/Ag)、エルビウム安定化ビスマス-金(ESB/Au)、ビスマスカルシウム酸化物、ビスマスイットリウム銅酸化物、ビスマスイットリウムサマリウム酸化物、および、ビスマスエルビウム酸化物からなる群から選択される。これらは、酸化物イオン・電子混合伝導体として公知の材料であり、本発明の多孔質セラミックス焼結体を製造する原料としても入手容易である。用途に応じて選択されるが、例えば、本発明の多孔質セラミックス焼結体を酸素透過膜や燃料電池の空気極に使用する場合には、酸素透過性に優れたBSCFが好ましい。中でも、Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(δは電気的中性を示すための数値であり、0.2<δ<0.6)がよい。 The porous ceramic sintered body 100 of the present invention is composed of an oxide ion/electronic mixed conductor 110. The oxide ion/electronic mixed conductor 110 may be any mixed conductor, but perovskite type mixed conductors, fluorite type mixed conductors, cermet type mixed conductors, spinel type oxides, etc. are known. . Specifically, lanthanum strontium manganese oxide (LSM), lanthanum strontium iron oxide (LSF), lanthanum strontium cobalt oxide (LSC), lanthanum strontium cobalt iron oxide (LSCF), and samarium strontium cobalt oxide (SSC). , bismuth sternium oxide, barium strontium cobalt iron oxide (BSCF), lanthanum strontium gallium cobalt oxide, lanthanum strontium gallium iron oxide, lanthanum strontium gallium nickel oxide, calcium titanium iron oxide, cerium praseodymium oxide, trinium cerium praseodymium oxide, yttrium stabilized bismuth-silver (BYS/Ag), erbium stabilized bismuth-gold (ESB/Au), bismuth calcium oxide, bismuth yttrium copper oxide, bismuth yttrium samarium oxide, and selected from the group consisting of bismuth erbium oxide; These materials are known as oxide ion/electronic mixed conductors, and are easily available as raw materials for producing the porous ceramic sintered body of the present invention. Although it is selected depending on the intended use, for example, when the porous ceramic sintered body of the present invention is used for an oxygen permeable membrane or an air electrode of a fuel cell, BSCF having excellent oxygen permeability is preferable. Among these, Ba 0.5 Sr 0.5 Co 0.8 Fe 0.2 O 3-δ (δ is a numerical value indicating electrical neutrality, 0.2<δ<0.6) is preferable.
本発明の多孔質セラミックス焼結体100は、連通する気孔120(気孔連通構造とも呼ぶ)を有する。気孔連通構造120を有することにより通気性を向上できる。気孔連通構造120は、走査型電子顕微鏡等による顕微鏡観察によって確認される。例えば、気孔連通構造120は、多孔質セラミックス内を貫通する気孔や、球状の気孔が互いに数珠状に連なって構成される気孔として観察される。 The porous ceramic sintered body 100 of the present invention has communicating pores 120 (also referred to as a pore communication structure). By having the pore communication structure 120, air permeability can be improved. The pore communication structure 120 is confirmed by microscopic observation using a scanning electron microscope or the like. For example, the pore communication structure 120 is observed as pores penetrating the porous ceramic or pores formed by spherical pores connected to each other in a beaded manner.
本発明の多孔質セラミックス焼結体100は、上述する気孔連通構造120を有するが、さらに、19%以上81%以下の範囲を満たす開気孔率(焼結体の外形容積を1とした場合のこの中に占める開気孔部分の容積の百分率)を有する。後述する製造方法における条件を制御することによって、所望の開気孔率を有する多孔質セラミックス焼結体が提供される。開気孔率は、アルキメデス法、重量気孔率法、水銀気孔率法等によって測定される。 The porous ceramic sintered body 100 of the present invention has the above-mentioned pore communication structure 120, but also has an open porosity (when the external volume of the sintered body is 1) that satisfies the range of 19% to 81%. (percentage of the volume of open pores in this). By controlling the conditions in the manufacturing method described below, a porous ceramic sintered body having a desired open porosity can be provided. The open porosity is measured by the Archimedes method, gravimetric porosity method, mercury porosity method, or the like.
本発明の多孔質セラミックス焼結体100は、19%以上80%以下の範囲の相対密度を有する。この範囲の相対密度を有せば、多孔質セラミックス焼結体が脆く壊れることなく、取り扱いに優れる。相対密度は、アルキメデス法によって測定される焼結体の密度と、理論密度との比率から算出される。 The porous ceramic sintered body 100 of the present invention has a relative density in the range of 19% to 80%. If the relative density is within this range, the porous ceramic sintered body will not become brittle and break, making it easy to handle. The relative density is calculated from the ratio between the density of the sintered body measured by the Archimedes method and the theoretical density.
本発明の多孔質セラミックス焼結体100は、上述する気孔連通構造120を有するが、気孔径130は、0.5μm以上100μm以下の範囲を満たす。ここで、本明細書における気孔径130とは、連通した気孔120の短手方向の長さを意図し、吸脱着等温線から細孔径分布を求めてもよいが、簡易的には、顕微鏡観察によって得られた画像から気孔径を100個ほど算出し、平均してもよい。この範囲の気孔径を有すれば、通気性に優れる。 The porous ceramic sintered body 100 of the present invention has the above-mentioned pore communication structure 120, but the pore diameter 130 satisfies the range of 0.5 μm or more and 100 μm or less. Here, the pore diameter 130 in this specification is intended to be the length of the communicating pores 120 in the transverse direction, and the pore diameter distribution may be obtained from an adsorption/desorption isotherm, but it is simply observed by microscopic observation. The diameters of about 100 pores may be calculated from the images obtained by the method and averaged. Having a pore diameter within this range provides excellent air permeability.
本発明の多孔質セラミックス焼結体100は、後述する製造方法によって得られるので、特許文献2に記載のナトリウムイオン、カリウムイオン、マグネシウムイオン、カルシウムイオン、水酸化物イオン、炭酸イオン等の氷結晶粗大化抑制剤を使用することなく、上述の気孔径130を制御できる。その結果、不要なイオンを含有しない多孔質セラミックス焼結体を提供でき、酸化物イオン・電子混合伝導体110本来の特性を発揮できる。 Since the porous ceramic sintered body 100 of the present invention is obtained by the manufacturing method described below, ice crystals of sodium ions, potassium ions, magnesium ions, calcium ions, hydroxide ions, carbonate ions, etc. described in Patent Document 2 are used. The above-mentioned pore diameter 130 can be controlled without using a coarsening inhibitor. As a result, a porous ceramic sintered body containing no unnecessary ions can be provided, and the original characteristics of the oxide ion/electronic mixed conductor 110 can be exhibited.
本発明の多孔質セラミックス焼結体100は、好ましくは、50%以上75%以下の範囲を満たす開気孔率を有し、23%以上50%以下の範囲を満たす相対密度を有し、0.5μm以上20μm以下の範囲を満たす気孔径を有する。これにより、さらに通気性に優れつつ、取り扱いに優れる。 The porous ceramic sintered body 100 of the present invention preferably has an open porosity that satisfies the range of 50% or more and 75% or less, a relative density that satisfies the range of 23% or more and 50% or less, and has a relative density that satisfies the range of 23% or more and 50% or less. It has a pore diameter that satisfies the range of 5 μm or more and 20 μm or less. This allows for better air permeability and better handling.
本発明の多孔質セラミックス焼結体100は、好ましくは、0.05%以上4.0%以下の範囲を満たす閉気孔率を有する。これにより、気孔連通構造が確実となるので、通気性に特に優れる。閉気孔率は、アルキメデス法、X線CT法等によって測定される。 The porous ceramic sintered body 100 of the present invention preferably has a closed porosity that satisfies the range of 0.05% to 4.0%. This ensures the pore communication structure, resulting in particularly excellent air permeability. The closed porosity is measured by Archimedes method, X-ray CT method, etc.
特に、本発明の多孔質セラミックス焼結体100が、BSCFである酸化物イオン・電子混合伝導体からなり、上述の開気孔率、相対密度および粒径を満たすことにより、1.5×10-3S・cm-1以上の電気伝導率を有する。すなわち、本発明の多孔質セラミックス焼結体100は、後述する製造方法を採用することにより、セラミックスが互いに接触した状態を維持しているため、高い電気伝導率を達成する。 In particular, the porous ceramic sintered body 100 of the present invention is made of an oxide ion/electronic mixed conductor, which is BSCF, and satisfies the above-mentioned open porosity, relative density, and particle size of 1.5×10 − It has an electrical conductivity of 3 S·cm −1 or more. That is, the porous ceramic sintered body 100 of the present invention achieves high electrical conductivity because the ceramics are maintained in contact with each other by employing the manufacturing method described below.
次に、上述した本発明の多孔質セラミックス焼結体100の製造方法を図2および図3を参照して説明する。本願発明者らは、デンプンを造孔剤として用いることに着目し、特に、デンプンの糊化・老化現象を利用し、気孔連通構造を形成することに成功した。詳細に説明する。 Next, a method for manufacturing the above-described porous ceramic sintered body 100 of the present invention will be explained with reference to FIGS. 2 and 3. The inventors of the present application focused on using starch as a pore-forming agent, and in particular, succeeded in forming a pore-communicating structure by utilizing the gelatinization and aging phenomena of starch. Explain in detail.
図2は、本発明の多孔質セラミックス焼結体を製造するステップを示すフローチャートである。
図3は、本発明の多孔質セラミックス焼結体を製造するプロシージャを示す図である。
FIG. 2 is a flowchart showing steps for manufacturing the porous ceramic sintered body of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a procedure for manufacturing the porous ceramic sintered body of the present invention.
S210:酸化物イオン・電子混合伝導体であるセラミックス粒子310と、デンプン320とを、少なくとも水を含有する分散媒330中で混合する。ここで、セラミックス粒子310は、図1を参照して上述した酸化物イオン・電子混合伝導体である。デンプン320は、(C6H10O5)n(nは10以上の自然数)で表される炭水化物であり、アミロースとアミロペクチンとから構成され、好ましくは、アミロペクチンはアミロースよりも(質量%単位で)多く含有する。これにより、後述する糊化において、粘性の高いスラリーを提供でき、老化を制御しやすくなる。デンプン320は、任意の比率のアミロースおよびアミロペクチンを含有するものを採用できるが、中でも、アミロース:アミロペクチン=5:95~40:60を満たすものが、後述する糊化・老化現象を促進するため好ましい。さらに好ましくは、アミロース:アミロペクチン=15:85~25:75を満たすものが採用される。具体的には、デンプン320としてライススターチ、トウモロコシ、小麦等を採用できる。 S210: Ceramic particles 310, which are oxide ion/electronic mixed conductors, and starch 320 are mixed in a dispersion medium 330 containing at least water. Here, the ceramic particles 310 are the oxide ion/electronic mixed conductor described above with reference to FIG. Starch 320 is a carbohydrate represented by (C 6 H 10 O 5 ) n (n is a natural number of 10 or more) and is composed of amylose and amylopectin. ) Contains a lot. This makes it possible to provide a highly viscous slurry during gelatinization, which will be described later, and makes it easier to control aging. Starch 320 containing any ratio of amylose and amylopectin can be used, but among them, one that satisfies amylose:amylopectin = 5:95 to 40:60 is preferable because it promotes the gelatinization and aging phenomenon described below. . More preferably, one that satisfies amylose:amylopectin=15:85 to 25:75 is employed. Specifically, rice starch, corn, wheat, etc. can be used as the starch 320.
なお、後述する成形体を維持するため、バインダを添加してもよい。このようなバインダは、後述する焼結において焼失する有機バインダが好ましく、例示的には、ポリビニルアルコール(PVA)、メチルセルロース、アクリル樹脂等がある。このような有機バインダは、100重量部のセラミックス粒子310に対して、0.1重量部以上0.3重量部以下の範囲で混合されれば、セラミックス粒子310の結着に有効である。また、有機バインダは、分散媒に溶解させて用いてもよい。 Note that a binder may be added in order to maintain the molded body described later. Such a binder is preferably an organic binder that is burned out during sintering, which will be described later, and examples thereof include polyvinyl alcohol (PVA), methylcellulose, and acrylic resin. Such an organic binder is effective in binding the ceramic particles 310 if mixed in an amount of 0.1 part by weight or more and 0.3 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of the ceramic particles 310 . Further, the organic binder may be used after being dissolved in a dispersion medium.
また、セラミックス粒子310とデンプン320とは、セラミックス粒子310の大きさがデンプン320のそれよりも小さくなるよう設定すれば、静電相互作用によって、デンプン320はセラミックス粒子310によって包囲され、セラミックス粒子310およびデンプン320が互い分散した状態となる(図3の状態340)。より好ましくは、セラミックス粒子310は、0.3μm以上1μm以下の範囲の粒径を有し、デンプン320は、1μmより大きく50μm以下の範囲の粒径を有する。これにより、セラミックス粒子310とデンプン320とがそれぞれ凝集することなく、良好な分散を促進する。 Further, if the size of the ceramic particles 310 and the starch 320 is set to be smaller than that of the starch 320, the starch 320 will be surrounded by the ceramic particles 310 due to electrostatic interaction, and the ceramic particles 310 will be surrounded by the ceramic particles 310. and starch 320 are in a mutually dispersed state (state 340 in FIG. 3). More preferably, the ceramic particles 310 have a particle size in the range of 0.3 μm or more and 1 μm or less, and the starch 320 has a particle size in the range of greater than 1 μm and 50 μm or less. This promotes good dispersion of the ceramic particles 310 and starch 320 without agglomerating each other.
分散媒330に含有される水は、蒸留水、イオン交換水、超純水等である。分散媒330は、水単独であってもよいが、水に加えて、アルコールを含有してもよい。分散媒330は水単独ではなく、糊化現象を抑制し組織・開気孔率を制御するため、アルコールを含有することが好ましい。アルコールは、特に制限はないが、メタノール、エタノール、2-プロパノール、t-ブチルアルコールなどである。分散媒330が、水に加えてアルコールを含有する場合、水の含有量を制御するだけで、得られる多孔質セラミックス焼結体の開気孔率および相対密度を制御できる。 The water contained in the dispersion medium 330 is distilled water, ion-exchanged water, ultrapure water, or the like. The dispersion medium 330 may be water alone, or may contain alcohol in addition to water. It is preferable that the dispersion medium 330 contains not only water but also alcohol in order to suppress the gelatinization phenomenon and control the structure and open porosity. Alcohols include, but are not particularly limited to, methanol, ethanol, 2-propanol, t-butyl alcohol, and the like. When the dispersion medium 330 contains alcohol in addition to water, the open porosity and relative density of the resulting porous ceramic sintered body can be controlled simply by controlling the water content.
分散媒330が、アルコールと水とを含有する場合、好ましくは、アルコールと水とは、質量%で、アルコール:水=0:100~70:30を満たすように混合される(ここで、0:100は分散媒330が水単独ではないが、ごく微量のアルコールを含有していることを意図する)。水が30質量%よりも少なくなると、糊化・老化現象が十分に促進せず、焼結前の成形体を維持できない。より好ましくは、アルコールと水とは、質量%で、アルコール:水=5:95~60:40を満たすように混合される。この範囲であれば、高い開気孔率を維持しつつ、強度を有する多孔質セラミックス焼結体が得られる。さらに好ましくは、アルコールと水とは、質量%で、アルコール:水=20:80~40:60を満たすように混合される。 When the dispersion medium 330 contains alcohol and water, the alcohol and water are preferably mixed so that alcohol:water=0:100 to 70:30 in mass% (here, 0 :100 means that the dispersion medium 330 is not water alone, but contains a very small amount of alcohol). If the water content is less than 30% by mass, gelatinization and aging phenomena will not be sufficiently promoted, and the molded product before sintering will not be maintained. More preferably, alcohol and water are mixed so that alcohol:water=5:95 to 60:40 in terms of mass %. Within this range, a porous ceramic sintered body having strength while maintaining a high open porosity can be obtained. More preferably, alcohol and water are mixed so that alcohol:water=20:80 to 40:60 in terms of mass %.
さらに、ステップS210において、セラミックス粒子310とデンプン320とは、100重量部のセラミックス粒子310に対して、20重量部以上75重量部以下の範囲のデンプン320を満たすように、混合される。デンプン320が20重量部未満の場合、気孔連通構造が十分形成されないため、酸素透過性が期待できない場合がある。デンプン320が75重量部を超えると、造孔剤が多すぎるため、焼結前の成形体を維持できない場合がある。より好ましくは、セラミックス粒子310とデンプン320とは、100重量部のセラミック粒子310に対して、30重量部以上70重量部以下の範囲のデンプン320を満たすように、混合される。この範囲であれば、上述の開気孔率を有し、相対密度を有する多孔質セラミックス焼結体が得られる。さらに好ましくは、セラミックス粒子310とデンプン320とは、100重量部のセラミック粒子310に対して、30重量部以上35重量部以下の範囲のデンプン320を満たすように、混合される。これにより、より多くのセラミックス粒子310を含有する多孔質セラミックス焼結体310となるので、特に、反応場を増大できる。 Furthermore, in step S210, ceramic particles 310 and starch 320 are mixed so that 20 parts by weight or more and starch 320 in a range of 75 parts by weight or less is filled with respect to 100 parts by weight of ceramic particles 310. When the amount of starch 320 is less than 20 parts by weight, oxygen permeability may not be expected because a pore communication structure is not sufficiently formed. If the amount of starch 320 exceeds 75 parts by weight, the amount of pore-forming agent will be too large, and the molded product before sintering may not be maintained. More preferably, the ceramic particles 310 and the starch 320 are mixed so that 30 parts by weight or more and 70 parts by weight or less of the starch 320 are contained per 100 parts by weight of the ceramic particles 310 . Within this range, a porous ceramic sintered body having the above-mentioned open porosity and relative density can be obtained. More preferably, the ceramic particles 310 and the starch 320 are mixed so that the proportion of the starch 320 is 30 parts by weight or more and 35 parts by weight or less per 100 parts by weight of the ceramic particles 310 . This results in a porous ceramic sintered body 310 containing more ceramic particles 310, so that the reaction field can be particularly increased.
さらに、ステップS210において、セラミックス粒子310とデンプン320とは、分散媒330中のセラミックス粒子310およびデンプン320の濃度が0.2g/mL以上0.6g/mL以下を満たすように、混合される。この範囲であれば、分散媒330中でセラミックス粒子310とデンプン320とが分散するので、後述する糊化現象を促進できる。より好ましくは、セラミックス粒子310およびデンプン320の濃度は0.3g/mL以上0.5g/mL以下を満たす。この範囲であれば、糊化現象を確実とする。 Further, in step S210, ceramic particles 310 and starch 320 are mixed such that the concentration of ceramic particles 310 and starch 320 in dispersion medium 330 satisfies 0.2 g/mL or more and 0.6 g/mL or less. Within this range, the ceramic particles 310 and starch 320 are dispersed in the dispersion medium 330, so that the gelatinization phenomenon described below can be promoted. More preferably, the concentration of ceramic particles 310 and starch 320 satisfies 0.3 g/mL or more and 0.5 g/mL or less. Within this range, the gelatinization phenomenon is ensured.
ステップS220:ステップS210で得られた混合物340を、50℃以上150℃以下の温度範囲で加熱し、デンプン320を糊化させる。図3に糊化したデンプン350を示す。50℃未満の場合、デンプン320の糊化現象が進まない場合がある。150℃を超えると、デンプン320の糊化現象が急速に進み、良好な気孔連通構造とならない場合がある。 Step S220: The mixture 340 obtained in step S210 is heated in a temperature range of 50° C. or higher and 150° C. or lower to gelatinize the starch 320. FIG. 3 shows gelatinized starch 350. If the temperature is lower than 50°C, the gelatinization phenomenon of starch 320 may not proceed. If the temperature exceeds 150° C., the gelatinization phenomenon of starch 320 proceeds rapidly, and a good pore communication structure may not be obtained.
好ましくは、混合物340を、100℃以上130℃以下の温度範囲で30分以上2時間以下の時間、攪拌しながら加熱すればよい。これにより、全体に均一にデンプン320の糊化現象が進行するため、形状制御された気孔連通構造となる。なお、糊化現象が進行したことは、目視にて粘性を有する様子が確認されればよい。このようにして得られた生成物を糊化体360と呼ぶ。 Preferably, the mixture 340 may be heated while stirring at a temperature range of 100° C. to 130° C. for 30 minutes to 2 hours. As a result, the gelatinization phenomenon of the starch 320 progresses uniformly throughout, resulting in a pore communication structure whose shape is controlled. Note that the progress of the gelatinization phenomenon can be determined by visually confirming that the product has viscosity. The product thus obtained is called a gelatinized product 360.
攪拌は、手動にて行ってもよいし、マグネチックスターラなどを用いた撹拌機を用いてもよい。攪拌は、700rpm~1200rpmの回転速度で行うことがよい。これにより糊化体360中に均一に糊化したデンプンが位置することにより、均一な気孔が形成され得る。 Stirring may be performed manually or using a stirrer using a magnetic stirrer or the like. Stirring is preferably performed at a rotation speed of 700 rpm to 1200 rpm. As a result, the gelatinized starch is uniformly located in the gelatinized body 360, so that uniform pores can be formed.
ステップS230:ステップS220で得られた糊化体360を、-5℃以上10℃以下の温度範囲を満たす第1の条件で保持し、次いで、-10℃以下の温度範囲を満たす第2の条件で保持し、デンプン350を老化させる。第1の条件で保持することにより、デンプン中から水が脱水する。第2の条件で保持することにより、デンプンの老化現象が進み、再結晶化されたデンプン370となる。デンプンから脱水した水380は凍結する。このようにして得られた生成物を老化体390と呼ぶ。 Step S230: The gelatinized body 360 obtained in step S220 is held under a first condition that satisfies a temperature range of -5°C or higher and 10°C or lower, and then a second condition that satisfies a temperature range of -10°C or lower. to age the starch 350. By holding under the first condition, water is dehydrated from the starch. By holding the starch under the second conditions, the starch aging phenomenon progresses, resulting in recrystallized starch 370. The water 380 dehydrated from the starch is frozen. The product thus obtained is called aged body 390.
ステップS230において、第1の条件は、好ましくは、糊化体360を、-2℃以上5℃以下の温度範囲で30分以上2.5時間以下の時間、保持する。この範囲であれば、デンプンからの水の脱水を促進し、老化現象を誘発し得る。 In step S230, the first condition is preferably to hold the gelatinized body 360 at a temperature range of -2° C. or higher and 5° C. or lower for a period of 30 minutes or more and 2.5 hours or less. Within this range, dehydration of water from starch may be accelerated and aging phenomena may be induced.
ステップS230において、第2の条件は、好ましくは、糊化体360を、-200℃以上-100℃以下の温度範囲で5秒以上10秒以下の時間保持するか、または、-100℃より高く-15℃以下の温度範囲で1時間以上24時間以下の時間保持する。これらの条件により、脱水した水は凍結され、老化体390が確実に得られる。なお、前者の条件であれば、液体窒素等を用いて実施できるが、分散媒として水に加えてアルコールも凍結できる。 In step S230, the second condition is preferably that the gelatinized body 360 is maintained at a temperature of -200°C or more and -100°C or less for a period of 5 seconds or more and 10 seconds or less, or at a temperature higher than -100°C. Maintain at a temperature range of -15°C or lower for 1 hour or more and 24 hours or less. Under these conditions, the dehydrated water is frozen and the aged body 390 is reliably obtained. The former condition can be carried out using liquid nitrogen or the like, but in addition to water, alcohol can also be frozen as a dispersion medium.
ステップS240:ステップS230で得られた老化体390を乾燥させ、分散媒を除去する。ここでは、乾燥によって、凍結した分散媒(水あるいは、水とアルコールとの両方)が除去され、再結晶したデンプン370とセラミック粒子310とからなる成形体391が得られる。 Step S240: The aged body 390 obtained in step S230 is dried and the dispersion medium is removed. Here, the frozen dispersion medium (water or both water and alcohol) is removed by drying, and a molded body 391 consisting of recrystallized starch 370 and ceramic particles 310 is obtained.
乾燥は、大気圧乾燥または真空凍結乾燥のいずれで行ってもよい。大気圧乾燥の場合、室温で乾燥させてもよいが、長時間を要するので、好ましくは、40℃以上100℃以下の温度範囲で行う。100℃を超えると、急激な分散媒の除去が生じるので、成形体391が崩壊する可能性がある。さらに好ましくは、40℃以上60℃以下の温度範囲で1時間以上3時間以下の時間乾燥させればよい。この範囲であれば、クラックや反りなどを抑制した成形体391が得られる。 Drying may be performed by either atmospheric pressure drying or vacuum freeze drying. In the case of atmospheric pressure drying, drying may be performed at room temperature, but since it takes a long time, it is preferably carried out at a temperature range of 40° C. or higher and 100° C. or lower. If the temperature exceeds 100° C., the dispersion medium will be rapidly removed, so there is a possibility that the molded body 391 will collapse. More preferably, drying may be carried out at a temperature range of 40° C. or higher and 60° C. or lower for a period of 1 hour or more and 3 hours or less. Within this range, a molded body 391 with suppressed cracks and warpage can be obtained.
真空凍結乾燥は、好ましくは、1×10-3atm以下の圧力で24時間より長く72時間以下の時間乾燥させればよい。24時間以下では分散媒が十分に除去されない場合がある。真空凍結乾燥を行えば、凍結した分散媒もまた造孔剤として機能するため、開気孔率の増大が期待できる。なお、下限は特に制限はないが、1×10-6atm以上であれば問題ない。 The vacuum freeze-drying may preferably be carried out at a pressure of 1×10 −3 atm or less for a period of more than 24 hours and less than 72 hours. If the time is less than 24 hours, the dispersion medium may not be sufficiently removed. If vacuum freeze-drying is performed, the frozen dispersion medium also functions as a pore-forming agent, so an increase in open porosity can be expected. Note that the lower limit is not particularly limited, but there is no problem as long as it is 1×10 −6 atm or more.
ステップS240において、乾燥は、好ましくは、成形体391が40%以上90%以下の範囲を有する開気孔率を有するまで行われる。これにより、成形体391が壊れることなく、続く、焼成によって硬く固着した焼結体を得ることができる。 In step S240, drying is preferably performed until the molded body 391 has an open porosity in the range of 40% to 90%. As a result, it is possible to obtain a sintered body that is hard and fixed by subsequent firing without causing the molded body 391 to break.
ステップS250:ステップS240で得られた成形体391を焼成する。これにより、再結晶したデンプン370が除去されて、連通した気孔(気孔連通構造)392が形成され、本発明の多孔質セラミックス焼結体100が得られる。焼成の条件は、デンプンの焼失温度以上であり、セラミックス粒子310が固着し、ネック形成する温度であれば特に制限はないが、例示的には、800℃以上1500℃以下の温度範囲で2時間以上24時間以下の時間行われる。焼成雰囲気は、セラミックス粒子の種類によもよるが、酸化物であれば、大気中であってよい。 Step S250: The molded body 391 obtained in step S240 is fired. As a result, the recrystallized starch 370 is removed, communicating pores (pore communication structure) 392 are formed, and the porous ceramic sintered body 100 of the present invention is obtained. The firing conditions are not particularly limited as long as the temperature is higher than the burnout temperature of starch and the ceramic particles 310 are fixed and form a neck, but for example, firing is performed at a temperature of 800°C or higher and 1500°C or lower for 2 hours. This will be carried out for a period of at least 24 hours. The firing atmosphere depends on the type of ceramic particles, but in the case of oxides, it may be in the air.
なお、焼成に先立って、デンプンの乾燥および除去を行ってもよい。すなわち、焼成温度までの温度プロファイルを制御することにより、デンプンの乾燥、除去を行い、最後に、焼結を行うことができる。例えば、成形体を、150℃~450℃の温度で1時間~6時間保持することにより、成形体中のデンプンを乾燥させることができる。次いで、450℃~600℃で30分~3時間保持することにより、成形体からデンプンを除去できる。また、デンプンの乾燥は、150℃~250℃で1時間~3時間保持し、250℃~450℃で1時間~3時間保持する2段階で行ってもよい。これにより、成形体を維持しつつ、デンプンを確実に乾燥できる。 Note that starch may be dried and removed prior to baking. That is, by controlling the temperature profile up to the calcination temperature, starch can be dried and removed, and finally sintered. For example, the starch in the molded product can be dried by holding the molded product at a temperature of 150° C. to 450° C. for 1 to 6 hours. Next, the starch can be removed from the molded body by holding it at 450°C to 600°C for 30 minutes to 3 hours. Further, starch may be dried in two stages: holding at 150° C. to 250° C. for 1 hour to 3 hours and holding at 250° C. to 450° C. for 1 hour to 3 hours. Thereby, the starch can be reliably dried while maintaining the molded body.
(実施の形態2)
実施の形態2では、本発明の多孔質セラミックス焼結体を用いた用途を説明する。
図4は、本発明の多孔質セラミックス焼結体を用いた酸素透過膜を示す模式図である。
(Embodiment 2)
In Embodiment 2, applications using the porous ceramic sintered body of the present invention will be described.
FIG. 4 is a schematic diagram showing an oxygen permeable membrane using the porous ceramic sintered body of the present invention.
本発明の酸素透過膜400は、支持体410と、支持体410上に位置する酸素分離活性層420とを備える。ここで、支持体410は、本発明の多孔質セラミックス焼結体100(図1)からなるため、十分な機械的強度を有しており、酸素透過膜として機能させた場合に、酸素分圧差によってもその上に位置する酸素分離活性層420が破壊することはない。また、本発明の多孔質セラミックス焼結体100は、高い開気孔率を有するため、反応場を十分に確保でき、酸素分離活性層420との界面において、表面交換反応が促進されるので、高い酸素分離能を達成できる。 The oxygen permeable membrane 400 of the present invention includes a support 410 and an oxygen separation active layer 420 located on the support 410. Here, since the support body 410 is made of the porous ceramic sintered body 100 (FIG. 1) of the present invention, it has sufficient mechanical strength, and when it functions as an oxygen permeable membrane, the oxygen partial pressure difference However, the oxygen separation active layer 420 located thereon will not be destroyed. Further, since the porous ceramic sintered body 100 of the present invention has a high open porosity, a sufficient reaction field can be secured, and the surface exchange reaction is promoted at the interface with the oxygen separation active layer 420. Oxygen separation ability can be achieved.
また、酸素分離活性層420は、本発明の多孔質セラミックス焼結体100と同じ材料、すなわち、同じ酸化物イオン・電子混合伝導体からなるので、支持体410と酸素分離活性層420との間に界面反応相が生成しない。 Furthermore, since the oxygen separation active layer 420 is made of the same material as the porous ceramic sintered body 100 of the present invention, that is, the same oxide ion/electron mixed conductor, there is a gap between the support 410 and the oxygen separation active layer 420. No interfacial reaction phase is formed.
例示的には、支持体410の酸素透過方向の厚さは、500μm以上1500μm以下の範囲であり、酸素分離活性層420の厚さは、10μm以上500μm以下の範囲である。なお、このような酸素分離活性層420は、支持体410を基板として、物理的気相成長法、化学的気相成長法、ゾルゲル法、交互積層法、電気泳動堆積(EPD)法等の既存の方法によって製造される。 Illustratively, the thickness of the support 410 in the oxygen permeation direction is in the range of 500 μm or more and 1500 μm or less, and the thickness of the oxygen separation active layer 420 is in the range of 10 μm or more and 500 μm or less. Note that such an oxygen separation active layer 420 can be formed using existing methods such as a physical vapor deposition method, a chemical vapor deposition method, a sol-gel method, an alternate layer deposition method, and an electrophoretic deposition (EPD) method using the support body 410 as a substrate. Manufactured by the method.
酸素透過膜400の動作を説明する。支持体410を構成する多孔質セラミックス焼結体100中の気孔連通構造120を通った酸素を含有する空気が、酸素分離活性層420に到達すると、酸素は電子を受け取り、O2+4e-→2O2-の反応により酸化物イオンとなる。生成した酸化物イオンは、酸素分離活性層420中を拡散し、420の反対側の表面で互いに結合し、O2-+O2-→O2+4e-の反応により、酸素となって、酸素分圧の小さい酸素分離活性層420の支持体410と対向する側に放出される。このようにして空気から純酸素を分離できる。本発明においては、支持体410が多孔質セラミックス焼結体100から構成され、それと同じ材料からなる酸素分離活性層420が、支持体410上に位置するので、密着性に優れ、酸素分離活性層420が破壊することを抑制できる。 The operation of the oxygen permeable membrane 400 will be explained. When the oxygen-containing air that has passed through the pore communication structure 120 in the porous ceramic sintered body 100 that constitutes the support body 410 reaches the oxygen separation active layer 420, the oxygen receives electrons and becomes O 2 +4e − →2O. By the reaction 2- , it becomes an oxide ion. The generated oxide ions diffuse through the oxygen separation active layer 420, combine with each other on the opposite surface of the layer 420, and become oxygen through the reaction O 2- + O 2- → O 2 + 4e- , and the oxygen content is reduced. It is released to the side of the oxygen separation active layer 420 facing the support 410 where the pressure is low. In this way pure oxygen can be separated from air. In the present invention, the support 410 is composed of the porous ceramic sintered body 100, and the oxygen separation active layer 420 made of the same material is located on the support 410, so that the oxygen separation active layer 420 has excellent adhesion. 420 can be prevented from being destroyed.
図4を参照して、本発明の多孔質セラミックス焼結体100の用途として、酸素透過膜400を説明してきたが、本発明の多孔質セラミックス焼結体100は、固体酸化物型燃料電池用の空気極に用いることもできるし、メタン部分酸化メンブレンリアクター、センサーにも使用される。 With reference to FIG. 4, an oxygen permeable membrane 400 has been described as an application of the porous ceramic sintered body 100 of the present invention, but the porous ceramic sintered body 100 of the present invention is used for solid oxide fuel cells. It can also be used for air electrodes, methane partial oxidation membrane reactors, and sensors.
次に具体的な実施例を用いて本発明を詳述するが、本発明がこれら実施例に限定されないことに留意されたい。 Next, the present invention will be described in detail using specific examples, but it should be noted that the present invention is not limited to these examples.
[原料の調製]
セラミックス粒子として酸化物イオン・電子混合伝導体であるBa0.5Sr0.5Co0.8O3-δ(BSCF、有限会社日下レアメタル研究所製、平均粒径:0.5~1.0μm)を、デンプンとしてライススターチ(アミロース:アミロペクチン=20:80(質量比)、粒径:2.0~8.0μm、シグマアルドリッチ製)を用いた。分散媒として、蒸留水および必要に応じてエタノールを用いた。これらを、表1に示す混合物1~7の組成を満たすように混合した(図2のステップS210)。なお、バインダとして、ポリビニルアルコール(PVA)(98%水溶液、シグマアルドリッチ製)を、混合物1~7のBSCF(100重量部)に対して0.2重量部となるよう添加した。また、混合物は、超音波ホモジナイザーで分散させた。
[Preparation of raw materials]
Ba 0.5 Sr 0.5 Co 0.8 O 3-δ (BSCF, manufactured by Kusaka Rare Metal Research Institute Ltd., average particle size: 0.5 to 1 Rice starch (amylose: amylopectin = 20:80 (mass ratio), particle size: 2.0 to 8.0 μm, manufactured by Sigma-Aldrich) was used as the starch. Distilled water and ethanol were used as necessary as a dispersion medium. These were mixed to satisfy the compositions of Mixtures 1 to 7 shown in Table 1 (Step S210 in FIG. 2). As a binder, polyvinyl alcohol (PVA) (98% aqueous solution, manufactured by Sigma-Aldrich) was added in an amount of 0.2 parts by weight based on the BSCF (100 parts by weight) of Mixtures 1 to 7. The mixture was also dispersed using an ultrasonic homogenizer.
[加熱、冷蔵、凍結、乾燥]
混合物を表2に示す種々の条件で処理し、成形体を得た。詳細には、表2の条件A、Bにしたがって、混合物を、加熱した後、糊化体を得、それを金属プレート上で鋳込み充填し、冷蔵庫内に静置し、老化体を得た(図2のステップS220~S230)。次いで、冷凍庫中で保持し、乾燥炉を用いて大気圧乾燥/真空凍結乾燥器を用いて真空凍結乾燥(フリーズドライ)をし、成形体を得た(図2のステップS240)。表2の条件Cでは、液体窒素環境下で凍結させ、真空凍結乾燥した以外は、条件Bと同様であった。表2の条件Dは、冷蔵および冷凍を行うことなく、条件Cと同様の凍結、乾燥のみを行った。また、条件Eは、加熱、冷蔵、凍結および乾燥のいずれも何も処理しないものを意味する。
[Heating, refrigeration, freezing, drying]
The mixture was treated under various conditions shown in Table 2 to obtain molded bodies. Specifically, the mixture was heated according to conditions A and B in Table 2 to obtain a gelatinized body, which was cast and filled on a metal plate, and left to stand in a refrigerator to obtain an aged body ( Steps S220 to S230 in FIG. 2). Next, it was held in a freezer and subjected to atmospheric pressure drying using a drying oven and vacuum freeze drying (freeze drying) using a vacuum freeze dryer to obtain a molded product (step S240 in FIG. 2). Condition C in Table 2 was the same as Condition B, except that it was frozen in a liquid nitrogen environment and vacuum freeze-dried. Condition D in Table 2 involved only freezing and drying similar to Condition C, without refrigeration or freezing. Condition E means that no heating, refrigeration, freezing, or drying treatment is performed.
[焼成]
次いで、処理後の成形体を、表3に示す種々の条件で焼成し、焼結体を得た(図2のステップS250)。焼成に先立って、デンプンの乾燥および除去を行った。詳細には、デンプンを乾燥させるために200℃(昇温速度:0.2℃/分)で2時間保持し、さらにデンプンを乾燥させるために350℃(昇温速度:0.25℃/分)で2時間保持し、次いで、デンプンを焼失除去させるために500℃(昇温速度:0.5℃/分)で1時間保持した。なお、条件dは、焼成をしていないものを意味する。
[Firing]
Next, the processed molded bodies were fired under various conditions shown in Table 3 to obtain sintered bodies (Step S250 in FIG. 2). Prior to calcination, starch was dried and removed. Specifically, to dry the starch, it was held at 200°C (temperature increase rate: 0.2°C/min) for 2 hours, and then to 350°C (heated rate: 0.25°C/min) to further dry the starch. ) for 2 hours, and then held at 500° C. (heating rate: 0.5° C./min) for 1 hour to burn off the starch. Note that the condition d means that no firing was performed.
[例1~33]
表4の試料条件にしたがって、成形体または焼結体の試料1~33を作製した。表4の試料条件について説明する。例えば、例1の試料は、試料条件1-A-aによって作製されたことを示す。詳細には、「1」は、表1の混合物の組成1を表し、「A」は、表2の加熱、冷蔵、凍結および乾燥の条件Aを表し、「a」は、表3の焼成条件の条件aを表しており、例1の試料は、これらの組み合わせによって得られた試料である。
[Examples 1 to 33]
Samples 1 to 33 of molded bodies or sintered bodies were produced according to the sample conditions in Table 4. The sample conditions in Table 4 will be explained. For example, the sample of Example 1 is shown to have been produced under sample condition 1-Aa. In detail, "1" represents composition 1 of the mixture in Table 1, "A" represents heating, refrigeration, freezing and drying conditions A in Table 2, and "a" represents baking conditions in Table 3. The sample of Example 1 is a sample obtained by a combination of these conditions.
焼成前の成形体および焼結体の微細構造を、走査型電子顕微鏡(SEM、JEOL製JSM-6510)によって観察した。このとき動作電圧は15.0kVであった。成形体および焼結体の相対密度および開気孔率を、簡易比重測定装置によって測定した。このとき、溶媒としてケロシン(密度:0.789g/cm3)を用いた。なお、閉気孔率は、アルキメデス法によって算出した。また、焼結体の電気伝導率を、室温にて直流2端子法によって測定した。これらの結果を図5~図10および表5~表6に示す。 The microstructures of the molded body and sintered body before firing were observed using a scanning electron microscope (SEM, JSM-6510 manufactured by JEOL). At this time, the operating voltage was 15.0 kV. The relative density and open porosity of the molded body and sintered body were measured using a simple specific gravity measuring device. At this time, kerosene (density: 0.789 g/cm 3 ) was used as a solvent. Note that the closed porosity was calculated by the Archimedes method. Further, the electrical conductivity of the sintered body was measured at room temperature by a direct current two terminal method. These results are shown in FIGS. 5 to 10 and Tables 5 to 6.
図5は、例16、例19、例23および例27の成形体の破断面のSEM像を示す図である。 FIG. 5 is a diagram showing SEM images of the fractured surfaces of the molded bodies of Examples 16, 19, 23, and 27.
図5(A)~(C)によれば、原料に用いたデンプンはもはや粒状を有しておらず、互いにつながった様態をしていた。一方、図5(D)によれば、原料に用いたデンプンは粒状を維持していた。このことから、表2に示す条件でデンプンを加熱し、冷蔵・凍結することにより、原料に用いたデンプンは粒状の形態から互いにつながった形態へと変化し、糊化および老化現象が適切に生じることが示された。 According to FIGS. 5(A) to 5(C), the starch used as the raw material no longer had a granular shape and was in an interconnected state. On the other hand, according to FIG. 5(D), the starch used as the raw material remained granular. From this, by heating starch under the conditions shown in Table 2, and then refrigerating and freezing it, the starch used as a raw material changes from a granular form to an interconnected form, and gelatinization and aging phenomena occur appropriately. It was shown that
図6は、種々の例の焼結体の破断面のSEM像を示す図である。
図7は、別の種々の例の焼結体の破断面のSEM像を示す図である。
図8は、さらに別の例の焼結体の破断面のSEM像を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing SEM images of fractured surfaces of various examples of sintered bodies.
FIG. 7 is a diagram showing SEM images of fractured surfaces of various other examples of sintered bodies.
FIG. 8 is a diagram showing a SEM image of a fractured surface of a sintered body of still another example.
表5に例1~例33の成形体または焼結体の特性をまとめて示す。 Table 5 summarizes the properties of the molded bodies or sintered bodies of Examples 1 to 33.
図2を参照して説明した、第1および第2の条件でデンプンの糊化・老化を行った図6(A)~(H)と、第1の条件を行わず第2の条件のみでデンプンの糊化・老化を行った図6(I)~(K)とを比較すると、例13~15、17、18、20~22の焼結体は、例24~26の焼結体に比べて、連通した気孔を多く示した。焼結温度ごとに比較すれば、例13~15、17、18、20~22の焼結体の開気孔率は、例24~26の焼結体のそれに比べて、全体に高く、第1の条件の過程を導入することがデンプンの糊化・老化現象に有効であることが示された。 6 (A) to (H), in which starch was gelatinized and aged under the first and second conditions, as explained with reference to FIG. Comparing Figures 6 (I) to (K) in which starch was gelatinized and aged, the sintered bodies of Examples 13 to 15, 17, 18, and 20 to 22 are different from the sintered bodies of Examples 24 to 26. In comparison, it showed more communicating pores. Comparing each sintering temperature, the open porosity of the sintered bodies of Examples 13 to 15, 17, 18, and 20 to 22 is higher overall than that of the sintered bodies of Examples 24 to 26; It was shown that introducing the process of the following conditions is effective for the gelatinization and aging phenomena of starch.
また、図6(A)~(C)と、図6(D)~(H)とを焼結温度で比較すると、例13~15の焼結体の開気孔率は、例17、18、20~22の焼結体それに比べて、全体に高かった。このことは、成形体中の分散媒を除去する際に真空凍結乾燥を行うことによって、デンプン以外にも分散媒も造孔剤として機能したことを示唆する。 Furthermore, when comparing FIGS. 6(A) to 6(C) and FIGS. 6(D) to (H) in terms of sintering temperature, the open porosity of the sintered bodies of Examples 13 to 15 is the same as that of Examples 17, 18, Compared to the sintered bodies No. 20 to 22, it was higher overall. This suggests that by performing vacuum freeze-drying when removing the dispersion medium in the molded body, the dispersion medium in addition to starch also functioned as a pore-forming agent.
気孔径に着目すると、図6(A)~(C)に示されるように、大気圧乾燥を行えば、均一かつ小さな気孔径(0.5μ~1μm)を有する連通した気孔が得られることが分かった。一方、図6(F)~(H)に示されるように、真空凍結乾燥を行えば、デンプンに加えて分散媒も造孔剤として機能することから、均一かつ比較的大きな気孔径(1μm~5μm)を有する連通した気孔が得られることが分かった。 Focusing on the pore diameter, as shown in Figures 6(A) to (C), if atmospheric pressure drying is performed, connected pores with a uniform and small pore diameter (0.5 μm to 1 μm) can be obtained. Do you get it. On the other hand, as shown in Figures 6(F) to (H), if vacuum freeze-drying is performed, the dispersion medium in addition to starch also functions as a pore-forming agent, resulting in uniform and relatively large pore diameters (1 μm to 1 μm). It was found that open pores with a diameter of 5 μm) were obtained.
図7(A)~(C)はいずれも焼結温度は同じ(900℃)であるが、分散媒中のエタノールの含有量が異なる。同様に、図7(D)~(F)はいずれも焼結温度は同じ(1100℃)であるが、分散媒中のエタノールの含有量が異なる。図7(A)および(D)によれば、分散媒が水を含有しない場合、連通した気孔を有しないことが分かった。このことから、デンプンの糊化・老化現象を利用する場合には、分散媒は少なくとも水を含有する必要があることが示された。 7(A) to (C), the sintering temperature is the same (900° C.), but the content of ethanol in the dispersion medium is different. Similarly, in FIGS. 7(D) to (F), the sintering temperature is the same (1100° C.), but the content of ethanol in the dispersion medium is different. According to FIGS. 7(A) and (D), it was found that when the dispersion medium did not contain water, it did not have communicating pores. This indicates that when utilizing the gelatinization and aging phenomena of starch, the dispersion medium needs to contain at least water.
図7(E)と(F)とを比較すると、分散媒中のエタノールの含有量が少ない方が、開気孔率が高くなる傾向が示された。図7(B)と(C)も同様である。このことから、分散媒における水とアルコールとの量を調整することによって、開気孔率を制御できることが示唆される。 A comparison between FIGS. 7(E) and (F) shows that the open porosity tends to increase as the content of ethanol in the dispersion medium decreases. The same applies to FIGS. 7(B) and (C). This suggests that the open porosity can be controlled by adjusting the amounts of water and alcohol in the dispersion medium.
図7(B)、(E)と、図8(A)~(B)とを比較すると、セラミックス粒子に対するデンプンの量を増大させた例31~32の開気孔率は、例1、3のそれと比較して増大する傾向を示した。このことからも、デンプンの糊化・老化現象を利用した造孔剤が有効であることが示される。さらに、図8(C)によれば、分散媒が水単独であっても、その傾向は同様であった。 Comparing FIGS. 7(B) and 7(E) with FIGS. 8(A) to 8(B), the open porosity of Examples 31 to 32, in which the amount of starch to the ceramic particles was increased, is that of Examples 1 and 3. Compared to that, it showed a tendency to increase. This also indicates that pore-forming agents that utilize the gelatinization and aging phenomena of starch are effective. Furthermore, according to FIG. 8(C), the tendency was the same even when the dispersion medium was water alone.
図9は、分散媒中の水の含有量と開気孔率および相対密度との関係を示す図である。 FIG. 9 is a diagram showing the relationship between water content in the dispersion medium, open porosity, and relative density.
図9(A)によれば、分散媒中の水の含有量が増大するにつれて、開気孔率が増大した。図9(B)によれば、分散媒中の水の含有量が増大するにつれて、相対密度が低下した。このことからも、分散媒中の水とアルコールとの量を調整することによって、開気孔率および相対密度を制御できることが示された。 According to FIG. 9(A), as the water content in the dispersion medium increased, the open porosity increased. According to FIG. 9(B), as the water content in the dispersion medium increased, the relative density decreased. This also indicates that the open porosity and relative density can be controlled by adjusting the amounts of water and alcohol in the dispersion medium.
図10は、焼成温度と開気孔率との関係を示す図である。 FIG. 10 is a diagram showing the relationship between firing temperature and open porosity.
焼成温度が増大するにつれて、開気孔率は低下し、分散媒中の水の含有量が多いほど、開気孔率は増大する傾向を示した。このことから、焼成温度および分散媒中の水の含有量を適宜選択することによって、用途に応じた開気孔率を有する多孔質セラミックス焼結体が提供できることが示された。 As the firing temperature increased, the open porosity decreased, and as the water content in the dispersion medium increased, the open porosity tended to increase. This indicates that by appropriately selecting the firing temperature and the content of water in the dispersion medium, it is possible to provide a porous ceramic sintered body having an open porosity depending on the application.
表6は、例22、26および30の焼結体の電気伝導率の一覧を示す。デンプンの糊化・老化を行った例22の焼結体の電気伝導率は、デンプンの糊化・老化を行っていない例26、30の焼結体のそれよりも大きくなった。このことから、デンプンの糊化・老化現象の利用は、連通した気孔の生成のみならず、焼結によってセラミックス粒子の接触を促進できることが示唆される。 Table 6 lists the electrical conductivity of the sintered bodies of Examples 22, 26 and 30. The electrical conductivity of the sintered body of Example 22 in which the starch was gelatinized and aged was higher than that of the sintered bodies of Examples 26 and 30 in which the starch was not gelatinized and aged. This suggests that the use of starch gelatinization and aging phenomena can not only generate connected pores but also promote contact between ceramic particles through sintering.
本発明による多孔質セラミックス焼結体は、高い開気孔率を有し、通気性および取り扱いに優れるので、燃料電池の空気極や酸素透過膜の支持体として使用できる。本発明の製造方法は、分散媒、焼結温度等を調整するだけで、開気孔率、相対密度および気孔径が制御された多孔質セラミックス焼結体を提供できるので、酸素透過膜、固体酸化物型燃料電池用の空気極、メタン部分酸化メンブレンリアクター、センサー等に優位に利用され得る。 The porous ceramic sintered body according to the present invention has a high open porosity and is excellent in air permeability and handling, so it can be used as a support for an air electrode of a fuel cell or an oxygen permeable membrane. The manufacturing method of the present invention can provide a porous ceramic sintered body with controlled open porosity, relative density, and pore diameter by simply adjusting the dispersion medium, sintering temperature, etc. It can be advantageously used for air electrodes for physical fuel cells, methane partial oxidation membrane reactors, sensors, etc.
100 多孔質セラミックス焼結体
110 酸化物イオン・電子混合伝導体
120、392 連通する気孔(気孔連通構造)
130 気孔径
310 セラミックス粒子
320 デンプン
330 分散媒
350 糊化したデンプン
360 糊化体
370 再結晶化されたデンプン
380 凍結した水
390 老化体
391 成形体
400 酸素透過膜
410 支持体
420 酸素分離活性層
100 Porous ceramic sintered body 110 Oxide ion/electron mixed conductor 120, 392 Connecting pores (pore communication structure)
130 Pore diameter 310 Ceramic particles 320 Starch 330 Dispersion medium 350 Gelatinized starch 360 Gelatinized body 370 Recrystallized starch 380 Frozen water 390 Aged body 391 Molded body 400 Oxygen permeable membrane 410 Support body 420 Oxygen separation active layer
Claims (7)
連通する気孔を有し、
50%以上75%以下の範囲を満たす開気孔率を有し、
0.05%以上4.0%以下の範囲を満たす閉気孔率を有し、
23%以上50%以下の範囲を満たす相対密度を有し、
0.5μm以上20μm以下の範囲を満たす気孔径を有する、多孔質セラミックス焼結体。 Lanthanum strontium manganese oxide (LSM), lanthanum strontium iron oxide (LSF), lanthanum strontium cobalt oxide (LSC), lanthanum strontium cobalt iron oxide (LSCF), samarium strontium cobalt oxide (SSC), bismuthternium oxide barium strontium cobalt iron oxide (BSCF), lanthanum strontium gallium cobalt oxide, lanthanum strontium gallium iron oxide, lanthanum strontium gallium nickel oxide, calcium titanium iron oxide, cerium praseodymium oxide, gathrinium cerium praseodymium oxide from bismuth-stabilized bismuth-silver (BYS/Ag), erbium-stabilized bismuth-gold (ESB/Au), bismuth calcium oxide, bismuth yttrium copper oxide, bismuth yttrium samarium oxide, and bismuth erbium oxide. consisting of an oxide ion/electronic mixed conductor selected from the group consisting of
It has communicating pores,
It has an open porosity that satisfies the range of 50% or more and 75% or less,
It has a closed porosity that satisfies the range of 0.05% or more and 4.0% or less,
It has a relative density that satisfies the range of 23% or more and 50% or less,
A porous ceramic sintered body having a pore diameter in the range of 0.5 μm or more and 20 μm or less.
前記酸化物イオン・電子混合伝導体は、請求項1~3のいずれかに記載の多孔質セラミックス焼結体である、空気極。 An air electrode for a solid oxide fuel cell containing an oxide ion/electronic mixed conductor,
An air electrode, wherein the oxide ion/electronic mixed conductor is a porous ceramic sintered body according to any one of claims 1 to 3.
前記支持体は、請求項1~3のいずれかに記載の多孔質セラミックス焼結体からなり、
前記酸素分離活性層は、前記多孔質セラミックス焼結体を構成する酸化物イオン・電子混合伝導体と同じ酸化物イオン・電子混合伝導体からなる、酸素透過膜。 An oxygen permeable membrane comprising a support and an oxygen separation active layer located on the support,
The support body is made of the porous ceramic sintered body according to any one of claims 1 to 3,
The oxygen separation active layer is an oxygen permeable membrane made of the same oxide ion/electron mixed conductor as the oxide ion/electron mixed conductor constituting the porous ceramic sintered body.
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