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技術 セラミックシートの製法

出願人 株式会社日本触媒
発明者 秦和男相川規一高崎恵次郎下村雅俊西川耕史
出願日 2000年1月21日 (20年1ヶ月経過) 出願番号 2000-013329
公開日 2001年7月31日 (18年7ヶ月経過) 公開番号 2001-206777
状態 特許登録済
技術分野 セラミック製品3 炉の装入、排出(炉一般2)
主要キーワード 水平方向間隔 プレススピード 片切り 温度分布差 利用面積 アルミナ主体 多孔質セラミックシート 薄肉シート
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2001年7月31日)のものです。
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課題

例えば燃料電池固体電解質膜用等として実用化する際に、寸法バラツキが小さくて電極形成領域最大限に広げることができ、シート面積の未利用範囲を極力小さくして発電能力を最大限に高め得る様なセラミックシートを確実に製造することのできる方法を確立すること。

解決手段

セラミックグリーンシート焼成してセラミックシートを製造するに当たり、高さ方向に適宜間隔をあけて複数の棚板を重ねたグリーンシート焼成用の棚板群を、焼成炉内水平面方向に適宜スペースをあけて複数群配置して焼成を行なう方法であって、前記棚板群およびスペースの占める体積V(m3)と各棚板の間隔さt(cm)との関係、および該体積Vと前記スペースの水平方向間隔W(cm)の関係が、下記式(1)、(2)を満たす様に設定して焼成する。

t≧[(√V)/4]+0.3……(1)

W≧√V……(2)

概要

背景

平板固体電解質型燃料電池の構造は、固体電解質膜を構成するセラミックシートの両面にアノード電極カソード電極を形成したセル縦方向に多数積層したセルスタックが基本である。このとき、固体電解質膜を構成するセラミックシート面に形成する電極形成領域を広くする程、発電能力は大きくなる。

ところでセラミックシートは、セラミックグリーンシート脱脂焼結することによって製造されるが、該脱脂・焼結工程でバインダー成分や可塑剤分解消失およびセラミック成分の焼結によってかなり収縮する。該収縮の程度は、セラミック組成グリーンシート中に含まれるバインダーや可塑剤などの有機物含有量などによって異なるが、通常は長さで70〜90%程度、面積率で50〜80%程度収縮する。例えば有機物含有量が20質量%であるジルコニア系セラミックのグリーンシートの場合、長さで75〜80%、面積率で56〜64%程度収縮する。従って、該収縮率を見越してグリーンシート切断時に寸法調整が行なわれるが、実際には脱脂・焼結条件によって収縮率はかなり違ってくるので、焼き上がりセラミックシートの寸法にはかなりのバラツキが生じてくる。

他方、セラミックシートを固体電解質膜として実用化するに当たり、該シート電極形成を行なう際には、前述の如くシート面積最大限活用してより広い電極面積を確保することが望ましい。従って、寸法にバラツキを有する多数のシートに電極形成を行なう際には、各シートの面積に合わせて個別に電極形成領域を設計するのが理想であるが、一連生産ラインにおいて、バラツキを持ったシート毎に電極形成領域を変更することは、設備的にも又電極形成作業性の面からしても殆ど不可能である。そこで現実には、脱脂・焼結工程での収縮率のバラツキを考慮した上で焼き上がりシートの寸法公差割り出し、収縮率が最大である時の寸法、即ちシートサイズが最小となるシートの寸法に合わせ、全てのシートに共通した電極形成領域を定める装置設計が行われている。

つまり、セラミックシートの寸法分布幅が大きければ大きいほど、個々のシートの電極形成領域は狭くなり、発電能力は小さくなる。燃料電池のセルスタックでは、通常50〜100枚の固体電解質膜を重ね合わせて組付けられるので、1枚当たりの有効利用面積の減少は、発電能力に大きな影響を及ぼすことになる。従って、セラミックシートの有効面積を最大限に活用して発電能力を高めるには、焼き上がり状態での該シートの寸法バラツキを可及的に小さくし、電極未形成領域を少なくすることが望まれる。

ところがセラミックシートは、前述の如く脱脂・焼結時の収縮率が金属板などに比べて非常に大きく、こうした収縮率の変動による寸法のバラツキは、薄肉・大版になるにつれてますます顕著になる。

しかし従来は、前述した発電能力までも考慮して固体電解質膜用セラミックシートの寸法バラツキを小さくするといったことは行われておらず、現に寸法バラツキを本発明で意図するレベルにまで抑えたセラミックシートを確実に製造し得る様な方法は提案されていない。

概要

例えば燃料電池の固体電解質膜用等として実用化する際に、寸法バラツキが小さくて電極形成領域を最大限に広げることができ、シート面積の未利用範囲を極力小さくして発電能力を最大限に高め得る様なセラミックシートを確実に製造することのできる方法を確立すること。

セラミックグリーンシートを焼成してセラミックシートを製造するに当たり、高さ方向に適宜間隔をあけて複数の棚板を重ねたグリーンシート焼成用の棚板群を、焼成炉内水平面方向に適宜スペースをあけて複数群配置して焼成を行なう方法であって、前記棚板群およびスペースの占める体積V(m3)と各棚板の間隔さt(cm)との関係、および該体積Vと前記スペースの水平方向間隔W(cm)の関係が、下記式(1)、(2)を満たす様に設定して焼成する。

t≧[(√V)/4]+0.3……(1)

W≧√V……(2)

目的

本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、特に燃料電池の固体電解質膜用等として実用化する際に、寸法バラツキが小さくて電極形成領域を最大限に広げることができ、シート面積の未利用範囲を極力小さくして発電能力を最大限に高め得る様なセラミックシートを確実に製造することのできる方法を確立することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
1件

この技術が所属する分野

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請求項1

セラミックグリーンシート焼成してセラミックシートを製造するに当たり、高さ方向に適宜間隔をあけて複数の棚板を重ねたグリーンシート焼成用の棚板群を、焼成炉内水平面方向に適宜スペースをあけて複数群配置し、各棚板上にグリーンシートを載置して焼成を行なう方法であって、前記棚板群およびスペースの占める体積V(m3)と各棚板の間隔t(cm)との関係、および該体積Vと前記スペースの水平方向間隔W(cm)の関係が、下記式(1)、(2)を満たす様に設定して焼成することを特徴とするセラミックシートの製法。t≧[(√V)/4]+0.3……(1)W≧√V ……(2)

請求項2

グリーンシート最上部の上面と、その上部に位置する棚板との間隔を、重ねた各グリーンシート層全体の厚さの0.5〜50倍に設定して焼成を行なう請求項1に記載の製法。

請求項3

焼成炉内におけるグリーンシート配置領域の温度分布を、焼成温度プログラムで設定された温度に対し±30℃以内に制御する請求項1または2に記載の製法。

請求項4

焼成後のセラミックシートの寸法を、焼成前に設定された寸法に対し±1%の誤差範囲内に制御する請求項1〜3のいずれかに記載の製法。

請求項5

固体電解質型燃料電池構成材料として使用されるセラミックシートを製造する請求項1〜4のいずれかに記載の製法。

請求項6

厚さが0.5mm以下で面積が100cm2以上の薄肉・大版セラミックシートを製造する請求項1〜5のいずれかに記載の製法。

技術分野

0001

本発明はセラミックシート製法に関し、特に、焼き上がり状態でのセラミックシートの寸法バラツキを極力小さくし、例えば固体電解質膜の如き固体電解質型燃料電池構成素材として使用したときに、得られる発電能力最大限に高め得る様に改善されたセラミックシートとその製法に関するものである。

背景技術

0002

平板状固体電解質型燃料電池の構造は、固体電解質膜を構成するセラミックシートの両面にアノード電極カソード電極を形成したセル縦方向に多数積層したセルスタックが基本である。このとき、固体電解質膜を構成するセラミックシート面に形成する電極形成領域を広くする程、発電能力は大きくなる。

0003

ところでセラミックシートは、セラミックグリーンシート脱脂焼結することによって製造されるが、該脱脂・焼結工程でバインダー成分や可塑剤分解消失およびセラミック成分の焼結によってかなり収縮する。該収縮の程度は、セラミック組成グリーンシート中に含まれるバインダーや可塑剤などの有機物含有量などによって異なるが、通常は長さで70〜90%程度、面積率で50〜80%程度収縮する。例えば有機物含有量が20質量%であるジルコニア系セラミックのグリーンシートの場合、長さで75〜80%、面積率で56〜64%程度収縮する。従って、該収縮率を見越してグリーンシート切断時に寸法調整が行なわれるが、実際には脱脂・焼結条件によって収縮率はかなり違ってくるので、焼き上がりセラミックシートの寸法にはかなりのバラツキが生じてくる。

0004

他方、セラミックシートを固体電解質膜として実用化するに当たり、該シート電極形成を行なう際には、前述の如くシート面積を最大限に活用してより広い電極面積を確保することが望ましい。従って、寸法にバラツキを有する多数のシートに電極形成を行なう際には、各シートの面積に合わせて個別に電極形成領域を設計するのが理想であるが、一連生産ラインにおいて、バラツキを持ったシート毎に電極形成領域を変更することは、設備的にも又電極形成作業性の面からしても殆ど不可能である。そこで現実には、脱脂・焼結工程での収縮率のバラツキを考慮した上で焼き上がりシートの寸法公差割り出し、収縮率が最大である時の寸法、即ちシートサイズが最小となるシートの寸法に合わせ、全てのシートに共通した電極形成領域を定める装置設計が行われている。

0005

つまり、セラミックシートの寸法分布幅が大きければ大きいほど、個々のシートの電極形成領域は狭くなり、発電能力は小さくなる。燃料電池のセルスタックでは、通常50〜100枚の固体電解質膜を重ね合わせて組付けられるので、1枚当たりの有効利用面積の減少は、発電能力に大きな影響を及ぼすことになる。従って、セラミックシートの有効面積を最大限に活用して発電能力を高めるには、焼き上がり状態での該シートの寸法バラツキを可及的に小さくし、電極未形成領域を少なくすることが望まれる。

0006

ところがセラミックシートは、前述の如く脱脂・焼結時の収縮率が金属板などに比べて非常に大きく、こうした収縮率の変動による寸法のバラツキは、薄肉・大版になるにつれてますます顕著になる。

0007

しかし従来は、前述した発電能力までも考慮して固体電解質膜用セラミックシートの寸法バラツキを小さくするといったことは行われておらず、現に寸法バラツキを本発明で意図するレベルにまで抑えたセラミックシートを確実に製造し得る様な方法は提案されていない。

発明が解決しようとする課題

0008

本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、特に燃料電池の固体電解質膜用等として実用化する際に、寸法バラツキが小さくて電極形成領域を最大限に広げることができ、シート面積の未利用範囲を極力小さくして発電能力を最大限に高め得る様なセラミックシートを確実に製造することのできる方法を確立することにある。

課題を解決するための手段

0009

上記課題を解決することのできた本発明にかかるセラミックシートとは、セラミックグリーンシートを焼成してセラミックシートを製造するに当たり、高さ方向に適当な間隔をあけて複数の棚板を重ねたグリーンシート焼成用の棚板群を、焼成炉内水平面方向に適宜スペースをあけて複数群配置し、各棚板上にグリーンシートを載置して焼成を行なう方法であって、前記棚板群およびスペースの占める体積V(m3)と各棚板の間隔t(cm)との関係、および該体積Vと前記スペースの水平方向間隔W(cm)の関係を、下記式(1)、(2)を満たす様に設定して焼成するところに要旨を有している。
t≧[(√V)/4]+0.3……(1)
W≧√V ……(2)

0010

上記本発明の製法を実施するに当たっては、上記式(1)、(2)の条件、更に好ましくは、グリーンシート最上部の上面と、その上部に位置する棚板との間隔を、重ねた各グリーンシート層全体の厚さの0.5〜50倍に設定し、或いは、焼成炉内におけるグリーンシート配置領域の温度分布を、焼成温度プログラムで設定された温度に対し±30℃以内に制御して焼成し、焼成後のセラミックシートの寸法が、焼成前に設定した寸法に対して±1%の誤差範囲内に納めることにより、焼き上がりセラミックシートの寸法誤差を一層小さくすることができる。従って、本発明によって得られるセラミックシート、とりわけ、厚さが0.5mm以下で面積が100cm2以上の薄肉・大版セラミックシートは、固体電解質型燃料電池用の固体電解質膜や電極基板の如き構成材料として極めて有用である。

発明を実施するための最良の形態

0011

本発明者らは前述した様な解決課題の下で、例えば平板状固体電解質型燃料電池の構成素材となるセラミックシートを製造する際に、グリーンシートの脱脂・焼結時に生じる大幅な収縮にもかかわらず、焼き上がりセラミックシートの寸法バラツキを可及的に低減すべく、焼成炉による焼成条件について様々の角度から研究を進めてきた。

0012

そして、焼成前のセラミックグリーンシートの寸法を、脱脂・焼結時の収縮率を考慮して厳密な精度で切断加工したとしても、焼き上がりセラミックシートに少なからず寸法バラツキが生じる原因について追求した。その結果、焼き上がりシートの寸法は、脱脂・焼結時におけるグリーンシート中に含まれるバインダーや分散剤、可塑剤などの脱脂状態、およびセラミックの焼結状態に大きく影響されること、そして、これら脱脂状態や焼結状態は脱脂・焼結中の温度履歴に顕著な影響を受け、焼成炉内におけるグリーンシート配置領域内の温度分布差が大きいと、該配置位置によって温度履歴に差異が生じ、同じ素材・寸法のグリーンシートを同じ焼成炉で脱脂・焼結したとしても、焼き上がりシートの寸法に大きなバラツキを生じることが確認された。

0013

そこで、脱脂・焼結時の温度履歴を可及的に均一化することにより焼き上がりシートの寸法バラツキを低減すべく、焼成炉内におけるグリーンシートの配置位置や配置間隔などを主体にして様々の角度から研究を重ねた。

0014

グリーンシートの焼成に当たっては、焼成効率を高めて生産性を高めることの必要上、通常は、高さ方向に適当な間隔をあけて複数の棚板を重ねたグリーンシート焼成用の棚板群を、焼成炉内に水平面方向に適宜スペースをあけて複数群配置し、該棚板群の各棚板上に、上下を多孔質シートで挟んだ状態で複数枚のグリーンシートを重ね合わせて載置し、炉内温度を脱脂および焼結に応じた最適の温度プログラムに合わせて制御することにより脱脂・焼結が行われる。そして、上記棚板や棚板群の配置間隔やグリーンシート上面と各棚板下面との間隔によっては熱風の流れが不十分となり、これが各グリーンシートに作用する温度バラツキを起こす原因となり、熱履歴にバラツキを生じる原因になることが確認された。

0015

そして、熱風の流れ不良を解消して各配置位置におけるグリーンシートを万遍なく均一に加熱できる様に、熱風の通路となる棚板群の配置間隔や各棚板の間隔などを適正に調整すれば、焼成炉内配置位置の違いによる熱履歴のバラツキが解消され、ひいては焼き上がりシートの寸法バラツキも抑えられることを確認した。

0016

以下、本発明で棚板群の配置間隔や各棚板の間隔など定めた理由を、その配置例を示す図面を参照しながら詳細に説明していく。

0017

図1は、グリーンシートを焼成する際に焼成炉(図示せず)内に配置される棚板などの配置例を示す全体見取図図2は、そのうち2つの棚板群の配置を示す正面図であり、図中、1は棚板、Aは棚板群、2は支柱、3は脱脂・焼結用のグリーンシートを夫々示している。

0018

図示する如くグリーンシート3を焼成する際には、一回の脱脂・焼結作業で多数のグリーンシート3を焼成できる様、焼成炉内に1枚の棚板1と4個の支柱2を1組とし、支柱2によって高さ方向間隔(t)を確保しつつ複数の棚板1を積み重ね、各棚板1上に脱脂・焼結用のグリーンシート3を載置して1つの棚板群Aを構成する。そして、同様にして重ね合せた複数の棚板群Aを、横方向に適宜間隔(w)をあけて配列し、この状態で焼成炉を封鎖して加熱焼成が行われる。

0019

尚、棚板1や支柱2などの材質には格別の制限はなく、脱脂・焼結温度に耐える耐熱性を備えたものであれば何でもよいが、最も一般的なのはアルミナ主体セラミック材である。このうち棚板は、グリーンシート3の脱脂・焼結時にバインダーや可塑剤等の熱分解によって生成するガス逸散がより効率よく行なわれる様、多孔質のセラミック材を使用することが望ましい。また、各棚板1上に載置されるグリーンシート3は夫々1枚ずつでもよいが、通常は生産性(焼成効率)を高めるため、各棚板1上に複数枚のグリーンシート3を多孔質セラミックシートに挟んで重ね合せて載置し、一回の焼成作業でより多くのセラミックシートを製造できる様にする方法が採用される。

0020

この様な積層配置でグリーンシート3の脱脂・焼結を行なうに当たっては、焼成炉内の全域に配置される全てのグリーンシート3が均等に熱を受け、脱脂・焼結が均一に進行する様にすることが、焼き上がりセラミックシートの寸法バラツキを低減するうえで極めて重要となる。

0021

そして本発明者らが、脱脂・焼結を均一にして焼き上がりセラミックシートの寸法バラツキを可及的に小さく抑えるべく種々検討を重ねた結果、先に規定した様に、棚板群Aおよびスペースの占める体積V(図1に一点鎖線で示す領域:m3)と各棚板1の間隔t(cm)、および該体積Vと前記スペースの水平方向間隔W(cm)の関係が、下記式(1)、(2)を満たす様に設定して焼成すれば、全てのグリーンシート3にかかる熱を可及的に均一化することができ、その結果として焼き上がりセラミックシートの寸法バラツキを最小限に抑え得ることが確認された。
t≧[(√V)/4]+0.3……(1)
W≧√V ……(2)

0022

ちなみに上記式(1)、(2)で示す条件は、グリーンシート3全体が配置される棚板群A全体(各棚板群間のスペースを含む)の体積Vを基準にして、各棚板1の間隔tと前記スペースの水平方向間隔Wの下限を定めるものであり、それによって各グリーンシート3の配置場所における熱風の通路および脱脂・焼結時に発生する分解ガス放出路を確保するもので、上記式(1)、(2)のいずれか一方の要件外れる場合は、部分的に熱風による加熱が不均一になったり、分解ガスが一部で滞留を起こして脱脂・焼結が不均一になり、焼成炉内の位置によってグリーンシートの受ける熱履歴に差異が生じてその収縮率にバラツキができ、焼き上がりセラミックシートの寸法バラツキが大きくなる。しかしながら、上記式(1)、(2)の要件を満たす配置で焼成を行なうと、グリーンシート3配置位置全域において均一な熱風流れが確保されると共に分解ガスの放散も均一に進行し、グリーンシート3の受ける熱履歴が可及的に均一化される結果、得られるセラミックシートは寸法バラツキが小さく、設計寸法通りのほぼ均一なサイズのものを得ることができる。

0023

この時、各グリーンシート3最上部の上面と、その上部に位置する棚板1との間隔dを、重ねた各グリーンシート層全体の厚さの0.5〜50倍に設定すれば、脱脂・焼結を一層均一に進めることができるので好ましい。ちなみに該間隔dは、グリーンシート層の脱脂・焼結工程で生成する分解ガスの放散空間を確保しつつ加熱を均一化するうえで重要な要件となり、該間隔dが0.5未満では、部分的に分解ガスの滞留が起こって脱脂・焼結不足になることがある。一方、該間隔dを50を超えて過度に広くすることは、グリーンシート3の配置場所をいたずらに狭めることになり、一回当たりに脱脂・焼結されるグリーンシートの数が少なくなって生産性が低下する。脱脂・焼結の均一化と生産性を両立させる上でより好ましい間隔dの下限は3倍、より好ましい上限は30倍である。

0024

尚脱脂・焼結のための加熱に当たっては、グリーンシート中のバインダーや分散剤、可塑剤の種類や含有量などに応じた最適の脱脂温度と時間、およびセラミック原料粉末の種類や配合量、粒子径などに応じた最適の焼結温度と時間を確保できる様に、脱脂・焼結のための温度プログラム設定が行われるが、上記式(1)、(2)の要件を満たす配置、更に好ましくは前記好適間隔dを満たす条件で脱脂・焼結を行なうと、該温度プログラムに対して、各配置位置におけるグリーンシートの温度分布を±30℃以内に納めることができ、それにより、得られる焼き上がりシートの寸法バラツキを、グリーンシート3を切断もしくは打抜き加工する際に収縮率を見越して設定した寸法に対してセラミックシートの寸法誤差を±1%以下に納めることが可能となる。

0025

かくして本発明によれば、脱脂・焼結によって得られるセラミックシートの寸法誤差を±1%以内に納めることができ、この寸法を基準にして電極印刷領域を設定することによって、セラミックシートの全面を無駄無く有効に活用して固体電解質膜型燃料電池の発電能力を最大限に高めることが可能となる。

0026

本発明が適用されるセラミックシートの素材となるセラミックとしては、ジルコニアアルミナチタニア窒化アルミニウムホウ珪酸ガラスコージェライトムライトなど様々の単独、混合もしくは複合酸化物が挙げられるが、本発明が特に有効に活用できる固体電解質型燃料電池用の固体電解質膜や電極基板の如き構成素材として特に好ましいのはジルコニア系セラミックであり、具体的には、ジルコニアにMgO,CaO,SrO,BaOなどのアルカリ土類金属酸化物、Y2O3,La2O3,Ce2O3,Pr2O3,Nd2O3,Sm2O3,Eu2O3,Gd2O3,Tb2O3,Dy2O3,Ho2O3,Er2O3,Yb2O3などの希土類金属酸化物、Sc2O3,Bi2O3,In2O3などの安定化剤を1種もしくは2種以上含有するジルコニア系セラミックが挙げられ、その中には他の添加剤としてSiO2,Al2O3,Ge2O3,SnO2,Ta2O5,Nb2O5などが含まれていてもよい。

0027

この他、CeO2またはBi2O3にCaO,SrO,BaO,Y2O3,La2O3,Ce2O3,Pr2O3,Nd2O3,Sm2O3,Eu2O3,Gd2O3,Tb2O3,Dr2O3,Ho2O3,Er2O3,Yb2O3,PbO,WO3,MoO3,V2O5,Ta2O5,Nb2O5等の1種もしくは2種以上を添加したセリア系またはビスマス系、更にはLaGdO3の如きガレート系の固体電解質膜も好ましいものとして例示される。

0028

また、アノード電極シートの構成素材としては、Ni,Co,Feあるいはこれらの酸化物等と、上記ジルコニア及び/又はセリアとのサーメット、更にはこれらにMgO,CaO,SrO,BaOなどのアルカリ土類金属酸化物やMgAl2O4などを添加したサーメットなどが、またカソード電極シートの構成素材としては、ぺロブスカイト型結晶構造を有するランタンマンガネート、ランタン・コバルテート、あるいはこれらのランタンをCa,Sr等で一部置換し、もしくはマンガンをCo,Fe,Crなどで一部置換し、更にはランタンとコバルトの一部をCa,Sr,Co,Feなどで置換した複合酸化物などが例示される。

0029

なお、燃料電池の固体電解質膜用として使用されるセラミックシートには、より高度の熱的、機械的、電気的、化学的特性が要求されるので、こうした要求特性満足させるには、2〜12モル%、より好ましくは2.5〜10モル%、更に好ましくは3〜8モル%の酸化イットリウムで安定化された酸化ジルコニウム正方晶及び/又は立方晶ジルコニア)がより好ましいものとして推奨される。

0030

また、該ジルコニアシートを特に燃料電池の固体電解質膜用として実用化する場合は、要求強度を満たしつつ電気抵抗を可及的に抑えるため、シート厚さを10μm以上、より好ましくは50μm以上で、500μm以下、より好ましくは300μm以下とするのが良い。

0031

また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。更にシートの面積は、100cm2以上、好ましくは150cm2以上である。なおこの面積とは、シート内に穴がある場合は、該穴の面積を含んだ外周縁の面積を意味する。

0032

これらセラミックシートを製造する際のグリーンシートの製法は特に制限されず、常法に従ってセラミック原料粉末と有機質もしくは無機質バインダーおよび分散媒溶剤)、必要により分散剤や可塑剤などを含むスラリーを、ドクターブレード法カレンダーロール法、押出し法等によって平滑なシート、例えばポリエステルシート上に適当な厚みで塗布し、乾燥して分散媒を揮発除去する方法が採用される。そして、得られたグリーンシートを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た後、1枚もしくは複数枚を多孔質板に挟んで前述した様に棚板上に載置して焼成炉内へ装入し、適当な温度プログラムで加熱して脱脂・焼結が行なわれる。

0033

この時、出来上がりシートの表面均質性を高めると共に、脱脂・焼結時の収縮率のバラツキをより小さくするには、使用する原料粉末として平均粒径が0.1〜0.8μmの範囲で、且つできるだけ粒径の揃ったもの(粒度分布の小さなもの)、具体的には、該粉体の90体積%以上が5μm以下であるものを使用することが望ましい。

0034

グリーンシートの製造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もしくは無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及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。

0035

これらの中でもグリーンシートの成形性や打抜き加工性、強度、脱脂・焼結時の収縮率のバラツキ抑制等の点から、メチルアクリレートエチルアクリレートプロピルアクリレートブチルアクリレートイソブチルアクリレートシクロヘキシルアクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート等の炭素数10以下のアルキル基を有するアルキルアクリレート類、およびメチルメタクリレートエチルメタクリレートブチルメタクリレートイソブチルメタクリレートオクチメタクリレート、2−エチルヘキシルメタクリレート、デシルメタクリレート、ドデシルメタクリレート、ラウリルメタクリレートシクロヘキシルメタクリレート等の炭素数20以下のアルキル基を有するアルキルメタクリレート類、ヒドロキシエチルアクリレートヒドロキシプロピルアクリレートヒドロキシエチルメタクリレートヒドロキシプロピルメタクリレート等のヒドロキシアルキル基を有するヒドロキシアルキルアクリレートまたはヒドロキシアルキルメタクリレート類、ジメチルアミノエチルアクリレートジメチルアミノエチルメタクリレート等のアミノアルキルアクリレートまたはアミノアルキルメタクリレート類、(メタアクリル酸マレイン酸モノイソプロピルマレートの如きマレイン酸半エステル等のカルボキシル基含有モノマーの少なくとも1種を重合または共重合させることによって得られる、数平均分子量が20,000〜200,000、より好ましくは50,000〜100,000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。これらの有機質バインダーは、単独で使用し得る他、必要により2種以上を適宜組み合わせて使用することができる。特に好ましいのはイソブチルメタクリレートおよび/または2−エチルヘキシルメタクリレートを60質量%以上含むモノマー共重合体である。

0036

また無機質バインダーとしては、ジルコニアゾルシリカゾルアルミナゾルチタニアゾル等が単独で若しくは2種以上を混合して使用できる。

0037

セラミック原料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、より好ましくは10〜20質量部の範囲が好適であり、バインダーの使用量が不足する場合は、グリーンシートの強度や柔軟性が不十分となり、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る。

0038

またグリーンシートの製造に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適宜選択して使用される。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、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1〜20Pa・s、より好ましくは1〜5Pa・sの範囲となる様に調整するのがよい。

0039

上記スラリーの調製に当たっては、セラミック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;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グリコールエーテル類からなる可塑剤など;更には界面活性剤消泡剤などを必要に応じて添加することができる。

0040

かくして本発明によれば、固体電解質型燃料電池用の固体電解質膜などの構成素材として寸法バラツキの非常に小さなセラミックシートを得ることができ、その有効面積を無駄無く活用した電極印刷によって、燃料電池の発電能力を最大限に高めることが可能となる。

0041

以下、実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更して実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

0042

(グリーンシートの作製)市販の3モル%イットリア安定化ジルコニア粉末(第一稀元素製商品名「HSY-3.0」)100質量部に対し、メタクリレート系共重合体からなるバインダー(分子量:30,000、ガラス転移温度:−8℃、固形分濃度:50質量%)30質量部、可塑剤としてジブチルフタレート2質量部、分散媒としてトルエン/イソプロピルアルコール質量比=3/2)の混合溶媒50質量部を、直径10mmのジルコニアボールが装入されたナイロンポットに入れ、約60rpmで40時間混練してスラリーを調製した。

0043

このスラリーを濃縮脱泡して粘度を3Pa・sに調整し、最後に200メッシュフィルターに通してからドクターブレード法によりPETフィルム上に塗工してグリーンシートを得た。

0044

このグリーンシートを、連続型打抜き機本造機社製商品名「865B」)に刃型取付け、脱脂・焼結時の収縮率を見越した焼き上がりシートサイズが一辺130mmの正方形状で厚さが0.15mmとなる様、一辺170mmの正方形で厚さ0.20mmの方形薄肉シートに打抜いた。この時のプレスストロークは40mm、プレススピードは80s.p.mとし、切断刃としては、刃先形状片切り刃(中山紙器材社製)で、肉厚が0.7mmのものを使用した。

0045

(グリーンシートの脱脂・焼結)上記で得たグリーンシート(一辺170mmの方形、厚さ0.20mm)を、気孔率が40%のアルミナ製多孔質シートを介して2枚ずつ重ね合せ、これを1群としてアルミナ製多孔質棚板(大きさ:縦30cm、横30cm、厚さ1.5cm)上に載置し、その上に4個1組の支柱により所定の間隔(t)をあけて同様の多孔質棚板を載置し、この操作を20回繰り返して、2枚1組のグリーンシート群が載置された合計20段の棚板群Aを形成する。同様にして9体の棚板群Aを形成し、それらを焼成炉内に適当な間隔Wをあけて縦3体、横3体に並べて載置することで、合計360枚のグリーンシートを焼成炉内設置した。

0046

この時、支柱の高さを変えることによって各棚板間の間隔(t)およびグリーンシート最上部とその上の棚板との間隔(d)を変更すると共に、棚板群A間のスペースを変えることによって、棚板群Aとスペースが占める体積(V)と棚板群の配置間隔(W)を変更した。

0047

その後、下記の温度プログラムで加熱して脱脂・焼結を行なった。なお加熱は、焼成炉の側壁面および上下面に埋め込んだ電熱ヒーターによって行ない、炉上部に設置した熱電対により検知される温度を基準にして温度制御を行なった。

0048

[脱脂・焼結温度プログラム]20時間かけて300℃まで昇温し、300℃で2時間保持して脱脂を行なう。その後、25時間かけて1400℃まで昇温し、1400℃で3時間保持して焼結を行なった後放冷する。

0049

該脱脂・焼結工程で、グリーンシート配置領域の中心位置、および方形焼成炉の8隅の合計9個所に配置した熱電対によって各位置の温度を測定し、設定温度プログラムに対する温度のバラツキを確認すると共に、焼き上がりセラミックシートの寸法バラツキを調べた。結果を表1に一括して示す。

0050

0051

表1からも明らかな様に、本発明で定める式(1)、(2)の要件を満たす方法で脱脂・焼結を行なった場合、グリーンシート配置領域の温度分布を温度プログラムに対して±30℃以内に抑えることができ、その結果として、得られるセラミックシートは、グリーンシート切断時に収縮率を見越して予め設定した焼き上がり寸法に対する分布幅が±1%以内に納まっており、極めて寸法バラツキが小さいことが分かる。

0052

これらに対し、前記式(1)、(2)のいずれかの要件を外れる比較例では、グリーンシート配置領域の温度分布が温度プログラムに対して±30℃の範囲を超えており、その結果として、得られるセラミックシートは、グリーンシート切断時に収縮率を見越して予め設定した焼き上がり寸法に対する分布幅が±1%を超えており、寸法バラツキが大きいことが分かる。

発明の効果

0053

本発明は以上の様に構成されており、特に薄肉大版のセラミックシートを製造する際に、グリーンシートの脱脂・焼結時における焼成炉内のグリーンシート配置状態を工夫することによって、焼き上がりセラミックシートの寸法バラツキを可及的に抑えることができる。その結果、例えば該セラミックシートを固体電解質型燃料電池の固体電解質膜や電極基板材などとして使用する際に、電極印刷領域を最大限に広げることができ、設計されたセラミックシートの寸法に応じて最大の発電能力を持った燃料電池を得ることが可能となる。

0054

また本発明の方法は、これら固体電解質型燃料電池用として用いられるセラミックシートに限らず、例えば酸素センサー湿度センサーなどの固体電解質膜や耐熱耐火ボード外材摺動部材の如き建築材料等として使用する際にも、寸法バラツキが小さいという利点を、装置の精密な設計に活かすことができ、様々の用途に用いられる薄肉大版セラミックシートの製造に幅広く有効に活用することができる。

図面の簡単な説明

0055

図1本発明の方法を実施する際の棚板、スペーサー、グリーンシートの配置を説明する見取図である。
図2図1の一部正面説明図である。

--

0056

1棚板
2支柱
3グリーンシート
A 棚板群
W 棚板群間の間隔
t 棚板の上下間隔
d グリーンシート最上面と棚板間の間隔

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