JP2002316872A - Lanthanum gallate-base solid electrolytic material, method for manufacturing the same and solid electrolyte type fuel battery - Google Patents

Lanthanum gallate-base solid electrolytic material, method for manufacturing the same and solid electrolyte type fuel battery

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JP2002316872A
JP2002316872A JP2001117021A JP2001117021A JP2002316872A JP 2002316872 A JP2002316872 A JP 2002316872A JP 2001117021 A JP2001117021 A JP 2001117021A JP 2001117021 A JP2001117021 A JP 2001117021A JP 2002316872 A JP2002316872 A JP 2002316872A
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solid electrolyte
lanthanum gallate
silicon nitride
electrolyte material
titanium nitride
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Kenji Furuya
健司 古谷
Tatsuo Sugiyama
龍男 杉山
Ryoichi Senbokutani
良一 仙北谷
Masaharu Hatano
正治 秦野
Fumio Munakata
文男 宗像
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Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lanthanum gallate-base solid electrolytic material which is usable in a low-temperature region as a component of a solid electrolyte type fuel battery and is good in mechanical strength. SOLUTION: A lanthanum gallate-base solid electrolyte layer 2 consisting of a sintered compact formed by adding silicon nitride or titanium nitride as particle groups at a ratio from >=0.5 to <=10 wt.% to a lanthanum gallate-base oxide is grasped between electrodes 3 and 4, by which the solid electrolyte type fuel battery 1 is constituted. The solid electrolyte type fuel battery can be used for a longer time and its stable characteristics can be maintained by adapting such constitution.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は固体電解質材料お
よびそれを用いた燃料電池に関し、さらに詳しくは、ペ
ロブスカイト型セラミックス質固体電解質であるランタ
ンガレート系固体電解質材料およびその製造方法ならび
にそれを用いた固体電解質型燃料電池に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid electrolyte material and a fuel cell using the same, and more particularly, a lanthanum gallate-based solid electrolyte material which is a perovskite-type ceramic solid electrolyte, a method for producing the same, and a solid material using the same. The present invention relates to an electrolyte fuel cell.

【0002】[0002]

【従来の技術】1899年にNernstが固体電解質を発見
した後、1937年にBaurとPreisが1000℃で固体
電解質燃料電池(S0FC:Solid Oxide Fuel Cell)
を運転して以来、固体電解質燃料電池は進歩を続けて、
出力数kWのジルコニア質セラミックス燃料電池が数万
時間の運転実績を積んでいる。この固体燃料電池は、1
000℃以上の高温で運転するために、炭化水素系燃料
を電池内で改質することができ、60%以上の高い燃焼
効率を得ることが可能であると考えられている。
2. Description of the Related Art After Nernst discovered a solid electrolyte in 1899, Baur and Preis decided to use a solid oxide fuel cell (SOFC) at 1000 ° C. in 1937.
, The solid electrolyte fuel cell has continued to advance,
Zirconia-based ceramic fuel cells with an output of several kW have been operated for tens of thousands of hours. This solid fuel cell has 1
In order to operate at a high temperature of 000 ° C. or higher, it is considered that a hydrocarbon-based fuel can be reformed in a cell, and a high combustion efficiency of 60% or higher can be obtained.

【0003】通常、固体電解質燃焼電池の構成は、固体
電解質と燃焼極と中間層とからなる。全ての構成材料
は、酸化還元雰囲気で安定であり、適度な導電性を有す
る必要がある。また、構成材料同士の熱膨張係数は近似
し、アノードとカソードとが多孔質体でガスが透過でき
ることが必要である。当然ながら電池材料として、酸化
還元雰囲気に対する化学的安定性と安価であることが望
まれる。運転時の安定性から見るとイオン伝導体の基本
要件としてできるだけ低温で高いイオン伝導性を有する
材料系が望ましい。さらには、発電効率を向上するため
に、固体電解質を薄膜化することにより、固体電解質の
内部抵抗を低減する検討が主にジルコニア材料において
されている。そのため、高い酸素イオン伝導性と薄膜化
できる強度を兼ね備えた材料系の開発が強く望まれてい
る。
[0003] Usually, the structure of a solid electrolyte combustion battery is composed of a solid electrolyte, a combustion electrode and an intermediate layer. All constituent materials must be stable in an oxidation-reduction atmosphere and have appropriate conductivity. Further, the thermal expansion coefficients of the constituent materials are close to each other, and it is necessary that the anode and the cathode are porous bodies and gas can pass therethrough. Naturally, it is desired that the battery material be chemically stable in an oxidation-reduction atmosphere and inexpensive. From the viewpoint of stability during operation, a material system having high ionic conductivity at a temperature as low as possible is desirable as a basic requirement of the ionic conductor. Further, in order to improve the power generation efficiency, studies have been made mainly on zirconia materials to reduce the internal resistance of the solid electrolyte by thinning the solid electrolyte. Therefore, development of a material system having both high oxygen ion conductivity and strength capable of forming a thin film is strongly desired.

【0004】現在、固体電解質としては、安定化Zn0
2が最も盛んに研究されている。安定化剤としては、2
価のアルカリ土類元素の酸化物CaO、MgO、Sc2
3などやY23などの希土類酸化物などがある。アル
カリ土類元素の酸化物であるCaOをドープしたときの
特性値は、800℃で0.01(Ωcm)-1のイオン伝
導性を示す。論文に示されたとおり(H.Tannenberger
等、Proc.Int'l Etude Piles Combust、19-26(1965)希
土類酸化物)Y2O3、Yb2O3、やGd2O3)をドープしたときの
イオン伝導度は800℃で1×10-1から1×10
-2(Ωcm)-1程度である。650℃以下になると2×
10-2(Ωcm)-1以下に落ち出力が低下する。また、
低温域における電解質抵抗を少なくするために、固体電
解質膜を5〜10μm程度に薄膜化する検討もされてい
るが、ある程度の内部抵抗の低減が図れるが、イオン伝
導度が低いために電極性能が十分に発揮できないという
問題が明らかになってきている。
At present, stabilized ZnO is used as a solid electrolyte.
Two are the most actively studied. As a stabilizer, 2
Oxide of alkaline earth element CaO, MgO, Sc 2
0 3 and the like rare earth oxides such as such or Y 2 O 3. When doped with CaO, which is an oxide of an alkaline earth element, the characteristic value shows an ion conductivity of 0.01 (Ωcm) −1 at 800 ° C. As indicated in the paper (H. Tannenberger
Proc. Int'l Etude Piles Combust, 19-26 (1965) Ion conductivity when doped with rare earth oxides (Y2O3, Yb2O3, and Gd2O3) is 1 × 10 -1 to 1 × 10 at 800 ° C.
-2 (Ωcm) -1 . 2x when the temperature drops below 650 ° C
The output falls below 10 -2 (Ωcm) -1. Also,
In order to reduce the electrolyte resistance in the low temperature range, it has been studied to reduce the thickness of the solid electrolyte membrane to about 5 to 10 μm. However, the internal resistance can be reduced to some extent, but the electrode performance is low due to low ionic conductivity. The problem of not being able to fully demonstrate is becoming apparent.

【0005】希土類単独の安定化ジルコニアは、197
0年までに公知となっており、希土類およびアルカリ土
類の安定化ジルコニアに関しては特公昭57−5074
8号公報に開示されている。
[0005] Rare earth alone stabilized zirconia is 197
It has been known by the year 0, and for the stabilized zirconia of rare earth and alkaline earth, Japanese Patent Publication No. 57-5074
No. 8 discloses this.

【0006】その他の固体電解質材料としては、安定化
ビスマスが知られている。Bi23の高温相(δ相)は
欠陥蛍石構造をとり(Bi462)、酸化物イオン移
動の活性化エネルギーが低く、高い酸化物イオン伝導率
を示す。高温相は希土類酸化物を固溶させることで低温
まで安定化でき、大きな酸素イオン導電性を示す。論文
にT.Takahashi等、J.APPL.Electrochemistry,5(3),18
7-195(1975)に示したように希土類安定化ジルコニ
ア、例えば(Bi231-x(Y23xは700℃で
0.1(Ωcm)-1、500℃で0.001(Ωcm)
-1であり、安定化ジルコニアよりも10〜100倍大き
な値を示す。特公昭62−45191号公報には安定化
酸化ビスマスと安定化酸化ジルコニウムの混合物で70
0℃で0.1(Ωcm)-1以上の結果が開示されてい
る。このため、1000℃未満の温度域で高イオン伝導
度が得られることが期待できるが、還元性雰囲気下では
Bi金属に還元されるため電子伝導性が生じてしまい、
固体電解質として用いた場合、効率が低下してしまうた
め、直接利用することは困難である。
[0006] Stabilized bismuth is known as another solid electrolyte material. The high temperature phase (δ phase) of Bi 2 O 3 has a defective fluorite structure (Bi 4 O 62 ), has low activation energy for oxide ion transfer, and exhibits high oxide ion conductivity. The high-temperature phase can be stabilized to a low temperature by dissolving the rare-earth oxide, and exhibits high oxygen ion conductivity. T. Takahashi et al., J. APPL. Electrochemistry, 5 (3), 18
As shown in 7-195 (1975), rare earth stabilized zirconia, for example, (Bi 2 O 3 ) 1-x (Y 2 O 3 ) x is 0.1 (Ωcm) −1 at 700 ° C. and 0 at 500 ° C. 0.001 (Ωcm)
-1 , which is 10 to 100 times larger than that of stabilized zirconia. JP-B-62-45191 discloses a mixture of stabilized bismuth oxide and stabilized zirconium oxide.
Results of greater than 0.1 (Ωcm) −1 at 0 ° C. are disclosed. For this reason, it is expected that high ionic conductivity can be obtained in a temperature range of less than 1000 ° C., but in a reducing atmosphere, it is reduced to Bi metal, so that electron conductivity occurs.
When used as a solid electrolyte, efficiency is reduced, and it is difficult to directly use it.

【0007】その他の固体電解質材料としては、セリア
系材料が知られている。CeO2では、室温から融点に
至る温度範囲で蛍石型の立方晶構造をとる。この酸化物
に希土類やCaOを添加すると広範囲に固溶体を形成す
る。本材料系は、KudoとH.Obayashi(J.Electrochem. S
oc.,123[3],416-419(1976))等により報告されてい
る。最近の研究の中心化合物であるCeO2−Gd23
ではCe1-xGdx(2-x )/2となり、酸素の空孔が形成
される。この系ではCeの価数が変わるため、ビスマス
系と同様に還元性雰囲気下ではCe金属に還元されるた
め電子伝導性が生じ、直接利用することは困難である。
As another solid electrolyte material, a ceria-based material is known. CeO 2 has a fluorite-type cubic structure in the temperature range from room temperature to the melting point. When a rare earth element or CaO is added to this oxide, a solid solution is formed over a wide range. This material system is based on Kudo and H. Obayashi (J. Electrochem. S
oc., 123 [3], 416-419 (1976)). In the CeO 2 -Gd 2 O 3 system, which is the central compound of recent research, Ce 1 -x Gd x O (2-x ) / 2 is formed, and oxygen vacancies are formed. Since the valence of Ce changes in this system, it is reduced to Ce metal in a reducing atmosphere, as in the case of the bismuth system, so that electron conductivity occurs and direct use is difficult.

【0008】他の低温で利用できる候補材料としてペロ
ブスカイト型酸化物があり、近年盛んに研究開発されて
いる。ペロブスカイト型酸化物はABO3からなりA、
Bの2種のイオン、例えばBaCe0.9Gd0.1、La
0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.23、CaAl0.7TiO3
SrZr0.9Sc0.13等である。特に、La1-xSrx
Ga1-yMgy3系(LSGM)ではT.Ishihara等、J.A
m.Chem.Soc.,116,3801-03(1994)、T.Ishihara等、M.F
eng and J.B.Goodenough、Eur.J.Solid State Inorg.Ch
em.,31,663-672(1994)により紹介され、低温、酸化還
元雰囲気下で高い酸化物イオン伝導度が期待できる。
As another candidate material that can be used at a low temperature, there is a perovskite oxide, which has been actively researched and developed in recent years. The perovskite-type oxide is composed of ABO 3 , A,
Two ions of B, for example BaCe 0.9 Gd 0.1 , La
0.9 Sr 0.1 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 , CaAl 0.7 TiO 3 and SrZr 0.9 Sc 0.1 O 3 . In particular, La 1-x Sr x
For Ga 1-y Mg y O 3 system (LSGM), T. Ishihara et al., JA
m. Chem. Soc., 116, 3801-03 (1994), T. Ishihara et al., MF
eng and JBGoodenough, Eur.J. Solid State Inorg.Ch
em., 31, 663-672 (1994), which can be expected to have high oxide ion conductivity at low temperatures and in a redox atmosphere.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな材料を用いた電池は単電池の出力が数ボルトと限定
されるため、高電圧を得るには積層構造をとることが必
要である。このようなセラミックス電池では、セラミッ
クス材料のシステム選択が非常に難しくなっているう
え、燃焼器本体などの容器などにはフェライト系ステン
レスなど金属部品の有効な利用が必要とされる。そのた
め、低温で活性な固体電解質や電極材料の選定が必要と
されている。今後はセラミックス固体電解質や電極材料
の選定(新規材料の開発)および積層構造の製造技術が
重要な課題となる。
However, since the output of a single cell of a battery using such a material is limited to several volts, it is necessary to adopt a laminated structure in order to obtain a high voltage. In such a ceramic battery, it is very difficult to select a ceramic material system, and a metal part such as a ferritic stainless steel must be effectively used for a container such as a combustor body. Therefore, there is a need to select a solid electrolyte and an electrode material that are active at a low temperature. In the future, the selection of ceramic solid electrolytes and electrode materials (development of new materials) and the manufacturing technology of laminated structures will be important issues.

【0010】このような金属部品が使用できる低温域で
固体電解質燃料電池を作動させるための固体電解質とし
ては、ジルコニアでは低温でのイオン伝導度が低く、ビ
スマスやセリアでは電子伝導性が還元雰囲気であるた
め、低温での燃料電池用固体電解質には向かない。一
方、ランタンガレートは低温でのイオン伝導度は他の化
合物と比較して優れているが、材料強度が低いために燃
料電池として使用する際に固体電解質を厚くしなくては
ならず、固体電解質の抵抗が大きくなってしまうという
問題があった。そのため、低温領域で固体電解質燃料電
池の固体電解質材料として使用する場合、ランタンガレ
ート材料の機械的強度を向上させる必要がある。
As a solid electrolyte for operating a solid electrolyte fuel cell in a low temperature range where such metal parts can be used, zirconia has a low ionic conductivity at a low temperature, and bismuth and ceria have an electron conductivity in a reducing atmosphere. Therefore, it is not suitable for a solid electrolyte for a fuel cell at a low temperature. On the other hand, lanthanum gallate has better ionic conductivity at low temperatures than other compounds, but because of its low material strength, the solid electrolyte must be thickened when used as a fuel cell. However, there is a problem that the resistance increases. Therefore, when the lanthanum gallate material is used as a solid electrolyte material for a solid electrolyte fuel cell in a low temperature region, it is necessary to improve the mechanical strength.

【0011】ランタンガレート材料の強度を向上する試
みとして、ランタンガレートのGaサイトにAlを置換
する方法、Al置換した複数の相を混在させる方法、A
23粒子を分散させる方法などが提案されているが、
強度の改善は十分ではない。さらに添加材に含まれるA
lがランタンガレートと反応してしまうため、固体電解
質燃料電池発電状況下において長時間使用を続けるとA
lが拡散し、徐々にイオン伝導性が低下し、同時に機械
的強度も低下してしまうという問題があった。
As an attempt to improve the strength of the lanthanum gallate material, a method of substituting Al for the Ga site of lanthanum gallate, a method of mixing a plurality of Al-substituted phases,
A method of dispersing l 2 O 3 particles has been proposed.
The improvement in strength is not enough. A contained in the additive
Since l reacts with lanthanum gallate, if the solid electrolyte fuel cell is used for a long time under power generation conditions, A
There is a problem in that 1 is diffused, the ionic conductivity is gradually reduced, and at the same time, the mechanical strength is also reduced.

【0012】そこで、本発明の目的は、固体電解質燃料
電池の構成材料として低温領域での使用が可能であり、
機械的強度の良好なランタンガレート系固体電解質材料
を提供することにある。
Therefore, an object of the present invention is to enable use in a low temperature region as a constituent material of a solid oxide fuel cell,
An object of the present invention is to provide a lanthanum gallate-based solid electrolyte material having good mechanical strength.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは、
上記目的を達成するため、ランタンガレート系酸化物中
に分散させる強度増強粒子材料として、窒化ケイ素また
は窒化チタンを用いると、強度を大幅に向上できるとと
同時に、ランタンガレートと相互反応せず、化学的に安
定であるため、酸化物イオン伝導率の低下を招かず、優
れた固体電解質燃料電池の固体電解質材料が得られるこ
とを見出した。
Means for Solving the Problems Accordingly, the present inventors have:
In order to achieve the above object, when silicon nitride or titanium nitride is used as the strength-enhancing particle material to be dispersed in the lanthanum gallate-based oxide, the strength can be greatly improved, and at the same time, it does not react with the lanthanum gallate, It has been found that the solid electrolyte material of an excellent solid electrolyte fuel cell can be obtained without causing a decrease in the oxide ion conductivity because it is electrically stable.

【0014】また、従来凝集体として排除されている粗
大粒子群を活用した粒子群焼結技術に注目し、窒化ケイ
素または窒化チタン粉末を粒子群(顆粒)として所定の
割合で添加して同時に焼結させる方法で、多相系セラミ
ックス材料を製造することにより、窒化ケイ素もしくは
窒化チタンの添加割合を最小量としながらも機械的強度
特性の付与という機能を十分に発現させることが可能と
なる粒子群分散微構造とすることにより、上記課題を解
決したものである。そして、このようにして得られた焼
結体は、良好なる酸化物イオン伝導特性と機械的強度特
性とを有するものである。
Attention has also been paid to a particle group sintering technique utilizing a coarse particle group, which has been conventionally excluded as an agglomerate, and silicon nitride or titanium nitride powder is added as a particle group (granules) at a predetermined ratio and simultaneously sintered. By producing a multi-phase ceramic material by the bonding method, it is possible to sufficiently develop the function of imparting mechanical strength characteristics while minimizing the addition ratio of silicon nitride or titanium nitride. The above problem has been solved by using a dispersed microstructure. The sintered body thus obtained has good oxide ion conduction properties and good mechanical strength properties.

【0015】すなわち、請求項1記載の発明は、ランタ
ンガレート系固体電解質材料であって、ランタンガレー
ト系酸化物に、窒化ケイ素または窒化チタンの粉末を添
加した焼結体でなることを特徴とする。
That is, the invention according to claim 1 is a lanthanum gallate-based solid electrolyte material, which is a sintered body obtained by adding silicon nitride or titanium nitride powder to a lanthanum gallate-based oxide. .

【0016】請求項2記載の発明は、前記窒化ケイ素ま
たは前記窒化チタンは粒子群として、前記ランタンガレ
ート系酸化物に0.5wt%以上10wt%以下の割合
で添加された焼結体でなることを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, the silicon nitride or the titanium nitride is a sintered body in which 0.5% by weight or more and 10% by weight or less are added to the lanthanum gallate-based oxide as a particle group. It is characterized by.

【0017】請求項3記載の発明は、前記焼結体は、直
径25μm±15μmの前記窒化ケイ素または前記窒化
チタンの粒子群を主体とした多相系セラミックスからな
ることを特徴とする。
The invention according to claim 3 is characterized in that the sintered body is made of a multi-phase ceramic mainly composed of particles of the silicon nitride or the titanium nitride having a diameter of 25 μm ± 15 μm.

【0018】請求項4記載の発明は、前記焼結体の切断
面に対して、短軸径が5μm以上である前記窒化ケイ素
または前記窒化チタンの粒子群の面積が、線インターセ
プト法で測定した面積分率で1.5〜30面積%である
ことを特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, the area of the silicon nitride or titanium nitride particles having a minor axis diameter of 5 μm or more with respect to the cut surface of the sintered body is measured by a line intercept method. It is characterized in that the area fraction is 1.5 to 30 area%.

【0019】請求項5記載の発明は、ランタンガレート
系固体電解質材料の製造方法であって、ランタンガレー
ト系酸化物に、窒化ケイ素または窒化チタンの粉末を添
加し、1350℃〜1550℃の範囲で焼結することを
特徴とする。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a method for producing a lanthanum gallate-based solid electrolyte material, comprising adding a silicon nitride or titanium nitride powder to a lanthanum gallate-based oxide to a temperature of 1350 ° C. to 1550 ° C. It is characterized by sintering.

【0020】請求項6記載の発明は、ランタンガレート
系固体電解質材料の製造方法であって、前記窒化ケイ素
または前記窒化チタンは粒子群として、前記ランタンガ
レート系酸化物に0.5wt%以上10wt%以下の割
合で添加することを特徴とする。
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a method for producing a lanthanum gallate-based solid electrolyte material, wherein the silicon nitride or the titanium nitride is contained in the lanthanum gallate-based oxide in a particle group in an amount of 0.5 wt% to 10 wt%. It is characterized by being added at the following ratio.

【0021】請求項7記載の発明は、固体電解質型燃料
電池であって、請求項1乃至請求項4のいずれかに記載
されたランタンガレート系固体電解質材料と、導電性を
有する一対の電極とから構成された単電池を組み合わせ
てなることを特徴とする。
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a solid oxide fuel cell, comprising: the lanthanum gallate-based solid electrolyte material according to any one of the first to fourth aspects; and a pair of conductive electrodes. Characterized in that they are composed of unit cells composed of

【0022】[0022]

【発明の効果】請求項1乃至請求項4記載の発明によれ
ば、固体電解質燃料電池の構成材料として低温領域での
使用が可能であり、機械的強度の良好なランタンガレー
ト系固体電解質材料を実現する効果がある。
According to the first to fourth aspects of the present invention, a lanthanum gallate-based solid electrolyte material which can be used in a low temperature region and has good mechanical strength can be used as a constituent material of a solid electrolyte fuel cell. There is an effect to be realized.

【0023】請求項5、請求項6記載の発明によれば、
窒化ケイ素または窒化チタンの添加割合を設定すること
で、機械的強度の高い固体電解質材料の作製を容易に行
えるという効果がある。
According to the fifth and sixth aspects of the present invention,
By setting the addition ratio of silicon nitride or titanium nitride, there is an effect that a solid electrolyte material having high mechanical strength can be easily manufactured.

【0024】請求項7記載の発明によれば、長時間の使
用よっても安定な電池特性を有すると同時に、機械的強
度も高い固体電解質型燃料電池を実現する効果がある。
According to the seventh aspect of the present invention, there is an effect of realizing a solid oxide fuel cell having stable cell characteristics even when used for a long time and having high mechanical strength.

【0025】[0025]

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るランタンガレ
ート系固体電解質材料およびその製造方法ならびにそれ
を用いた固体電解質型燃料電池について実施の形態に基
づいて説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A lanthanum gallate-based solid electrolyte material according to the present invention, a method for producing the same, and a solid oxide fuel cell using the same will be described based on embodiments.

【0026】この実施の形態で用いるランタンガレート
系酸化物は、ペロブスカイト構造を有しているガリウム
(Ga)系酸化物であれば特に限定されるものではない
が、酸化物イオン伝導率などの各特性を考慮すると、L
0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.23-δ、あるいは(La
0.9Sr0.10.9Ga0.8Mg0.23-δのような組成を
有するものが好適である。
The lanthanum gallate-based oxide used in this embodiment is not particularly limited as long as it is a gallium (Ga) -based oxide having a perovskite structure. Considering the characteristics, L
a 0.9 Sr 0.1 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3-δ , or (La
Those having a composition such as 0.9 Sr 0.1 ) 0.9 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3-δ are preferable.

【0027】また、本実施の形態の固体電解質燃料電池
は、本発明のランタンガレート系固体電解質材料導電性
を有する一対の電極から構成された単電池を組み合わせ
てなるものである。図1は、本実施の形態に係る固体電
解質燃料電池1の概略を示す説明図である。この固体電
解質燃料電池1は、ランタンガレート系固体電解質層2
を一対の電極(空気極、燃料極)3、4で挟み込んで構
成されている。このような単電池では、500〜800
℃に加熱した状態と空気と燃料を供給し、電解質が空気
側電極より酸素イオンを燃料側電極に運ぶ働きをするこ
とにより起電力が生じる。このような固体電解質燃料電
池は、部位により温度が異なる燃料電池に用いた場合に
安定した特性を出すことができるものである。また、小
型ながら自動車排気管の中で用いられる酸素センサにつ
いても、温度変化が激しく、性能が変わり易い状況下で
も安定して特性を出すことができるデバイスとなり得
る。
Further, the solid electrolyte fuel cell of the present embodiment is a combination of a unit cell composed of a pair of electrodes having conductivity of the lanthanum gallate-based solid electrolyte material of the present invention. FIG. 1 is an explanatory view schematically showing a solid electrolyte fuel cell 1 according to the present embodiment. The solid electrolyte fuel cell 1 has a lanthanum gallate-based solid electrolyte layer 2
Is sandwiched between a pair of electrodes (air electrode, fuel electrode) 3 and 4. In such a cell, 500 to 800
When heated to ° C, air and fuel are supplied, and the electrolyte acts to carry oxygen ions from the air-side electrode to the fuel-side electrode, thereby generating an electromotive force. Such a solid electrolyte fuel cell can exhibit stable characteristics when used in a fuel cell having different temperatures depending on parts. In addition, a small-sized oxygen sensor used in an automobile exhaust pipe can be a device that can stably exhibit characteristics even under a situation in which the temperature changes drastically and the performance easily changes.

【0028】また、本発明の固体電解質は、高温で用い
る燃料電池用の素材となり得る、高強度、高靭性を有す
るものであり、電池の大型化にも十分対応できるもので
ある。
Further, the solid electrolyte of the present invention has high strength and high toughness, which can be used as a material for a fuel cell used at a high temperature, and can sufficiently cope with an increase in the size of the cell.

【0029】実施例 次に、各組成を有する実施例1〜実施例12および比較
例1〜11について説明する。
EXAMPLES Next, Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 11 having the respective compositions will be described.

【0030】(実施例1〜6、比較例4〜6)ランタン
ガレートは、各原料(La23、SrCO3、Ga
23、MgO)を秤量し、ボールミルによりアルコール
中で24時間混合した。得られたスラリーを乾燥させた
後、1150℃、6時間大気中で仮焼成した。次に、再
度ボールミルで平均粒径が0.8μm以下となるように
アルコール中で粉砕した後、乾燥させてマトリックス粉
末とした。
(Examples 1 to 6 and Comparative Examples 4 to 6) Lanthanum gallate was prepared from each raw material (La 2 O 3 , SrCO 3 , Ga).
2 O 3 , MgO) were weighed and mixed by a ball mill in alcohol for 24 hours. After drying the obtained slurry, it was calcined at 1150 ° C. for 6 hours in the air. Next, it was again pulverized in an alcohol so as to have an average particle diameter of 0.8 μm or less by a ball mill, and dried to obtain a matrix powder.

【0031】添加相としては、窒化ケイ素顆粒10±2
μmから55±5μmまで(下表1に示す実施例1〜
6、比較例4〜6を参照)に震い分けした後、所定の体
積比で配合しV型ブレンダーにより混合して粒子群粉末
とした。このランタンガレート粒子群粉末を金型で圧粉
し、静水圧プレスで2ton/cm2の圧力で成形し、
所定の温度(1450℃)で6時間焼結して、固体電解
質を得た。なお、焼結時には、共生地のトチとアルミナ
製のサヤを用いるとよいた、トチはアルミナ製であって
もよい。因に、トチは圧粉体を焼成するときにのせる板
であり、焼成物と熱膨張率が近似し、反応性が少ないも
のであるのが好ましい。また、サヤは焼成時に温度条件
を保持し、ほこりなどから試料を守るためのセラミック
ス製の囲いである。通常、トチ、サヤ、トチ、サヤのよ
うに多重に重ねて多数の試料の焼成に用いる。
As the additional phase, silicon nitride granules 10 ± 2
μm to 55 ± 5 μm (Examples 1 to 5 shown in Table 1 below)
6, see Comparative Examples 4 to 6), mixed at a predetermined volume ratio, and mixed with a V-type blender to obtain a particle group powder. This lanthanum gallate particle group powder is compacted with a mold, and is molded with a hydrostatic press at a pressure of 2 ton / cm 2,
Sintering was performed at a predetermined temperature (1450 ° C.) for 6 hours to obtain a solid electrolyte. At the time of sintering, it is preferable to use a co-fabric torch and an alumina sheath, but the torch may be made of alumina. Incidentally, the tochi is a plate on which the green compact is fired, and preferably has a thermal expansion coefficient similar to that of the fired material and low reactivity. Saya is a ceramic enclosure for keeping the temperature conditions during firing and protecting the sample from dust and the like. Usually, it is used for sintering a large number of samples in a multi-layered manner such as Tochi, Saya, Tochi and Saya.

【0032】次いで、各々のJIS形状の試験片を作製
した。なお、以下の説明では、粒子群粉末からの焼結体
を粒子群焼結材料と称する。
Next, JIS-shaped test pieces were prepared. In the following description, a sintered body from the particle group powder is referred to as a particle group sintered material.

【0033】下表1は、実施例1〜6および比較例1〜
7の組成および各種特性などを示している。
Table 1 below shows Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 6.
7 shows the composition and various characteristics.

【0034】[0034]

【表1】 比較例1(ランタンガレート単身) ランタンガレートは、各原料(La23、SrCO3
Ga23、MgO)を秤量し、ボールミルによりアルコ
ール中で24時間混合した。得られたスラリーを乾燥さ
せた後、1150℃、6時間で大気中で仮焼した。再
度、ボールミルで平均粒径が0.8μm以下となるよう
にアルコール中で粉砕した後、乾燥させた。このランタ
ンガレート粉末を金型で圧粉し、静水圧プレスで2to
n/cm2の圧力で成形し、所定の温度(1450℃)
で6時間の焼結を行い、固体電解質を得た。なお、焼結
時には共生地のトチとアルミナ製のサヤを用いるとよい
が、トチはアルミナ製であってもよい。
[Table 1] Comparative Example 1 (lanthanum gallate alone) Lanthanum gallate was obtained from each raw material (La 2 O 3 , SrCO 3 ,
Ga 2 O 3 , MgO) were weighed and mixed in a ball mill for 24 hours in alcohol. After drying the obtained slurry, it was calcined in the atmosphere at 1150 ° C. for 6 hours. Again, it was pulverized in alcohol so as to have an average particle diameter of 0.8 μm or less by a ball mill, and then dried. This lanthanum gallate powder is compacted with a mold, and pressed with a hydrostatic press for 2 tons.
Molded at a pressure of n / cm2 and at a specified temperature (1450 ° C)
For 6 hours to obtain a solid electrolyte. At the time of sintering, it is preferable to use a co-fabric torch and an alumina sheath, but the torch may be made of alumina.

【0035】比較例2(アルミナ粒子添加) ランタンガレートは、各原料(La23、SrCO3
Ga23、MgO)を秤量し、ボールミルによりアルコ
ール中で24時間混合した。得られたスラリーを乾燥さ
せた後、1150℃、6時間で大気中で仮焼した。再
度、ボールミルで平均粒径が0.8μm以下となるよう
にアルコール中で粉砕した後、乾燥させた。この粉末
に、所定の体積比でAl2O3粉末を配合しV型ブレン
ダーにより混合した。このランタンガレート粉末を金型
で圧粉し、静水圧プレスで2ton/cm2の圧力で成
形し、所定の温度(1450℃)で6時間の焼結を行
い、固体電解質を得た。なお、焼結時には共生地のトチ
とアルミナ製のサヤを用いるとよいが、トチはアルミナ
製であってもよい。
Comparative Example 2 (Addition of Alumina Particles) Lanthanum gallate was prepared from each raw material (La 2 O 3 , SrCO 3 ,
Ga 2 O 3 , MgO) were weighed and mixed in a ball mill for 24 hours in alcohol. After drying the obtained slurry, it was calcined in the atmosphere at 1150 ° C. for 6 hours. Again, it was pulverized in alcohol so as to have an average particle diameter of 0.8 μm or less by a ball mill, and then dried. This powder was mixed with Al2O3 powder at a predetermined volume ratio and mixed with a V-type blender. The lanthanum gallate powder was compacted with a mold, molded by a hydrostatic press at a pressure of 2 ton / cm 2, and sintered at a predetermined temperature (1450 ° C.) for 6 hours to obtain a solid electrolyte. At the time of sintering, it is preferable to use a co-fabric torch and an alumina sheath, but the torch may be made of alumina.

【0036】比較例3(GaサイトAl置換) ランタンガレートは、各原料(La23、SrCO3
Ga23、MgO、Al)を秤量し、ボールミル
によりアルコール中で24時間混合した。得られたスラ
リーを乾燥させた後、1150℃、6時間で大気中で仮
焼した。再度、ボールミルで平均粒径が0.8μm以下
となるようにアルコール中で粉砕した後、乾燥させた。
このランタンガレート粉末を金型で圧粉し、静水圧プレ
スで2ton/cm2の圧力で成形し、所定の温度(1
450℃)で6時間の焼結を行い、固体電解質を得た。
なお、焼結時には共生地のトチとアルミナ製のサヤを用
いるとよいが、トチはアルミナ製であってもよい。
Comparative Example 3 (Ga-site Al-substituted) Lanthanum gallate was prepared using various raw materials (La 2 O 3 , SrCO 3 ,
Ga 2 O 3 , MgO, Al 2 O 3 ) were weighed and mixed in an alcohol by a ball mill for 24 hours. After drying the obtained slurry, it was calcined in the atmosphere at 1150 ° C. for 6 hours. Again, it was pulverized in alcohol so as to have an average particle diameter of 0.8 μm or less by a ball mill, and then dried.
This lanthanum gallate powder is compacted with a mold, molded at a pressure of 2 ton / cm 2 by a hydrostatic pressure press, and cooled to a predetermined temperature (1
(450 ° C.) for 6 hours to obtain a solid electrolyte.
At the time of sintering, it is preferable to use a co-fabric torch and an alumina sheath, but the torch may be made of alumina.

【0037】(特性評価) (1)曲げ強度:JIS−R1601記載の4点曲げ試
験を行った。
(Evaluation of Characteristics) (1) Bending strength: A four-point bending test described in JIS-R1601 was performed.

【0038】(2)輸率の測定:炉の中央に試料を隔壁
として炉の中央にセットする。燃料極側および空気極側
にアルゴン(Ar)ガスを流しながら、600℃まで昇
温してArガスを止め燃料極に加湿水素を、空気極に空
気を流した。30分間放置した後、アノード/カソード
間の自然電位を測定し理論自然電位に対する百分率で求
める。
(2) Measurement of transport number: A sample is set at the center of the furnace as a partition at the center of the furnace. While flowing argon (Ar) gas to the fuel electrode side and the air electrode side, the temperature was raised to 600 ° C., the Ar gas was stopped, humidified hydrogen was supplied to the fuel electrode, and air was supplied to the air electrode. After allowing to stand for 30 minutes, the natural potential between the anode and the cathode is measured and calculated as a percentage of the theoretical natural potential.

【0039】試料は、直径13mm厚み1mmに加工し
た円盤を用い、白金(Pt)ペーストを塗布後、100
℃で乾燥させ、電極とした。
As a sample, a platinum (Pt) paste was applied using a disk processed to a diameter of 13 mm and a thickness of 1 mm.
It dried at ° C and used as an electrode.

【0040】輸率(%)=測定電位/理論電位×100 (3)イオン伝導度:直流4端子法を用いた。JIS曲
げ試験片を用い白金線を等間隔に白金ペーストで固定し
た後、1000℃で焼成し試験片とした。測定は、所定
温度に保持した後、抵抗率を測定して逆数に輸率をかけ
たものをイオン伝導度(σ)とした。計算式は以下の式
を用いた。
Transport number (%) = measured potential / theoretical potential × 100 (3) Ionic conductivity: A DC four-terminal method was used. Platinum wires were fixed at regular intervals with a platinum paste using a JIS bending test piece, and then fired at 1000 ° C. to obtain a test piece. In the measurement, after maintaining the temperature at a predetermined temperature, the resistivity was measured and the reciprocal number was multiplied by the transport number to obtain the ion conductivity (σ). The following formula was used for the calculation.

【0041】σ(S/m)=電流(A)×試験片断面積
/電圧(V)×有効試験片長さ(m)×輸率(%) (4)粒子群微構造評価:試験をダイヤモンド粒子
(0.26μm)で研磨した後、光学顕微鏡にて行っ
た。粒子径は、顕微鏡写真の4×4mmの面積に含まれ
る粒子の径を平均して求めた。さらにまた、粒子群の直
径は、研磨面上の窒化ケイ素粒子群を写真にとり、写真
上でランダムに直線を引いてこの直線が横切る全ての窒
化ケイ素粒子群の粒径を求め、この平均を窒化ケイ素粒
子群の数平均として画像解析装置により粒子群の直径を
求める線インターセプト法によった。
Σ (S / m) = current (A) × cross-sectional area of test specimen / voltage (V) × effective test specimen length (m) × transport number (%) (0.26 μm) and then polished with an optical microscope. The particle diameter was determined by averaging the diameters of the particles contained in a 4 × 4 mm area of the micrograph. Furthermore, the diameter of the particle group is determined by taking a photograph of the silicon nitride particle group on the polished surface, drawing a straight line at random on the photograph, obtaining the particle diameters of all the silicon nitride particle groups intersecting the straight line, and averaging the average. A line intercept method was used in which the diameter of the particle group was determined by an image analyzer as the number average of the silicon particle group.

【0042】ランタンガレートの焼結においては、仮焼
温度が1100℃未満では固相反応が不十分となり、1
200℃より高いと焼結を起こす粒子があり不均一とな
る。
In the sintering of lanthanum gallate, if the calcination temperature is lower than 1100 ° C., the solid phase reaction becomes insufficient and
If the temperature is higher than 200 ° C., there are particles that cause sintering, resulting in non-uniformity.

【0043】また、ランタンガレートの仮焼時間が、2
時間より短いと固相反応が不十分となり、10時間より
長いと粒成長が起きてしまう。
The calcination time of lanthanum gallate is 2 hours.
When the time is shorter than the time, the solid phase reaction is insufficient, and when the time is longer than 10 hours, grain growth occurs.

【0044】さらに、ランタンガレートの焼成温度が、
1350℃より低いと焼結が不十分で空孔が残留し、1
550℃より高いと焼結が進み過ぎて粒界割れを起こ
す。
Further, the sintering temperature of the lanthanum gallate is
If the temperature is lower than 1350 ° C., sintering is insufficient and pores remain, and 1
If the temperature is higher than 550 ° C., sintering proceeds too much, causing grain boundary cracking.

【0045】また、ランタンガレートの焼成時間が2時
間より短いと焼結が不十分で空孔が残留し、8時間より
長いと焼結が進み過ぎて粒界割れを起こす。
If the sintering time of the lanthanum gallate is shorter than 2 hours, sintering is insufficient and pores remain. If the sintering time is longer than 8 hours, sintering proceeds excessively and grain boundary cracks occur.

【0046】以下、実施例1〜11および比較例1〜1
0について、上記評価法に基づいて得られた曲げ強度と
イオン伝導度の結果を各観点から比較する。
Hereinafter, Examples 1 to 11 and Comparative Examples 1 to 1
With respect to 0, the results of bending strength and ionic conductivity obtained based on the above evaluation method are compared from each viewpoint.

【0047】窒化ケイ素粒子添加効果:(実施例1と比
較例1、2、3)窒化ケイ素粒子群の添加により、無添
加の場合に比べて曲げ強度が増加していることが判る。
また、Al23粒子もしくは元素置換(Gaサイトへの
Al)のものと比べてもSi34粒子群の添加により強
度が増加していることが判る。
Effects of adding silicon nitride particles: (Example 1 and Comparative Examples 1, 2, and 3) It can be seen that the addition of the silicon nitride particles increased the bending strength as compared with the case where no silicon nitride particles were added.
Also, it can be seen that the strength is increased by the addition of the Si 3 N 4 particles as compared with those of Al 2 O 3 particles or element substitution (Al to Ga site).

【0048】粒子群構造添加効果:(実施例1と比較例
7)同じ窒化ケイ素粒子添加量でも、粒子群として添加
していない系(比較例7)に比べて粒子群として添加し
た系(実施例1)は、高強度化した上で高いイオン伝導
性を維持しており、粒子群として添加することの効果が
大きいことを示している。これは、窒化ケイ素粉末を粒
子群(顆粒)として所定の割合に添加して同時に焼結さ
せる方法で多相系セラミックス材料を製造することによ
り、窒化ケイ素の添加割合を最小量としてイオン伝導性
の低下を抑えながらも機械的強度特性の付与という機能
を十分に発現させることが可能となる粒子群分散微構造
とすることによる効果である。また、図2は粒径の添加
粒子(窒化ケイ素顆粒)を添加した固体電解質の断面を
模式的に示した断面説明図である。
Effect of adding particle group structure: (Example 1 and Comparative Example 7) Even with the same addition amount of silicon nitride particles, a system added as a particle group (Comparative Example 7) compared with a system not added as a particle group (Comparative Example 7) Example 1) maintains high ionic conductivity after increasing the strength, indicating that the effect of adding as a particle group is great. This is because the multi-phase ceramic material is manufactured by adding silicon nitride powder as a group of particles (granules) in a predetermined ratio and simultaneously sintering, so that the addition ratio of silicon nitride is minimized and the ion conductivity is reduced. This is an effect obtained by providing a particle group dispersed microstructure capable of sufficiently exhibiting a function of imparting mechanical strength characteristics while suppressing a decrease. FIG. 2 is a cross-sectional explanatory view schematically showing a cross section of a solid electrolyte to which additional particles (silicon nitride granules) having a particle diameter are added.

【0049】粒子群添加量効果:(実施例1〜4と比較
例4、5) 1wt%以上10wt%以下において窒化ケイ素粒子群
の添加により曲げ強度が向上し、イオン伝導度の低下も
抑えられていることが判る。これは、1wt%以下の添
加では、強度増加のためには不十分であり、一方、10
wt%以上ではイオン絶縁性の窒化ケイ素の割合が多く
なりすぎてしまうために、イオン伝導性が大きく低下し
てしまっている。
Effect of addition amount of particle group: (Examples 1 to 4 and Comparative Examples 4 and 5) At 1 wt% to 10 wt%, the addition of silicon nitride particles improves the bending strength and suppresses the decrease in ionic conductivity. You can see that This is because addition of 1 wt% or less is insufficient for increasing strength, while
If the content is not less than wt%, the proportion of the ion-insulating silicon nitride is too large, and the ionic conductivity is greatly reduced.

【0050】粒子群直径の効果:(実施例1、5、6と
比較例6) 25μm±15μmの窒化ケイ素粒子群とすることによ
り、最も強度増加に対するイオン伝導性の低下を抑える
ことができる。粒子群の直径が40μm以上になると局
在化しすぎるため機械的強度の低下を招くとともにイオ
ン伝導を阻害してしまう。
Effect of Particle Group Diameter: (Examples 1, 5, 6 and Comparative Example 6) By using a silicon nitride particle group of 25 μm ± 15 μm, it is possible to suppress a decrease in ion conductivity with respect to an increase in strength. When the diameter of the particle group is 40 μm or more, the particles are excessively localized, so that the mechanical strength is reduced and ion conduction is hindered.

【0051】面積分率:(実施例1〜4と比較例4、
5) 焼結体の切断面を観察したとき、短軸径が5μm以上で
ある窒化ケイ素粒子群の面積の合計が、線インターセプ
ト法で測定した面積分率で1.5〜30面積%であるも
のとすることがより望ましく、窒化ケイ素粒子群の面積
が小さいと十分な機械的強度特性を付与することができ
ない傾向となるので、1.5面積%以上とすることが望
ましく、窒化ケイ素粒子群の面積が大きいと酸化物イオ
ン伝導性が低下するという傾向となるので、30面積%
以下とすることがより望ましい。
Area fraction: (Examples 1-4 and Comparative Example 4,
5) When observing the cut surface of the sintered body, the total area of the silicon nitride particles having a minor axis diameter of 5 μm or more is 1.5 to 30 area% as the area fraction measured by the line intercept method. If the area of the silicon nitride particles is small, it tends to be impossible to impart sufficient mechanical strength characteristics. Is large, the oxide ion conductivity tends to decrease.
It is more desirable to set the following.

【0052】(実施例7〜12と比較例8〜11)マト
リックスであるランタンガレートは、各原料(La
23、SrCO3、Ga23、MgO)を秤量し、ボー
ルミルによりアルコール中で24時間混合した。得られ
たスラリーを乾燥させた後、1150℃、6時間大気中
で仮焼成した。次に、再度ボールミルで平均粒径が0.
8μm以下となるようにアルコール中で粉砕した後、乾
燥させてマトリックス粉末とした。
(Examples 7 to 12 and Comparative Examples 8 to 11) Lantangalate, which is a matrix, was prepared by using each raw material (La
2 O 3 , SrCO 3 , Ga 2 O 3 , MgO) were weighed and mixed in a ball mill for 24 hours in alcohol. After drying the obtained slurry, it was calcined at 1150 ° C. for 6 hours in the air. Next, the average particle size is set to 0.
After pulverizing in alcohol so as to be 8 μm or less, it was dried to obtain a matrix powder.

【0053】添加相としては、窒化ケイ素顆粒10±2
μmから80±5μmまで(下表1に示す実施例1〜
6、比較例4〜6を参照)に震い分けした後、所定の体
積比で配合しV型ブレンダーにより混合して粒子群粉末
とした。このランタンガレート粒子群粉末を金型で圧粉
し、静水圧プレスで2ton/cm2の圧力で成形し、
所定の温度(1450℃)で6時間焼結して、固体電解
質を得た。なお、焼結時には、共生地のトチとアルミナ
製のサヤを用いるとよいが、トチはアルミナ製であって
もよい。因に、トチは圧粉体を焼成するときにのせる板
であり、焼成物と熱膨張率が近似し、反応性が少ないも
のであるのが好ましい。また、サヤは焼成時に温度条件
を保持し、ほこりなどから試料を守るためのセラミック
ス製の囲いである。通常、トチ、サヤ、トチ、サヤのよ
うに多重に重ねて多数の試料の焼成に用いる。
As an additional phase, silicon nitride granules 10 ± 2
μm to 80 ± 5 μm (Examples 1 to
6, see Comparative Examples 4 to 6), mixed at a predetermined volume ratio, and mixed with a V-type blender to obtain a particle group powder. This lanthanum gallate particle group powder is compacted with a mold, and is molded with a hydrostatic press at a pressure of 2 ton / cm 2,
Sintering was performed at a predetermined temperature (1450 ° C.) for 6 hours to obtain a solid electrolyte. At the time of sintering, it is preferable to use co-fabric tochi and alumina sheath, but the tochi may be made of alumina. Incidentally, the tochi is a plate on which the green compact is fired, and preferably has a thermal expansion coefficient similar to that of the fired material and low reactivity. Saya is a ceramic enclosure for keeping the temperature conditions during firing and protecting the sample from dust and the like. Usually, it is used for sintering a large number of samples in a multi-layered manner such as Tochi, Saya, Tochi and Saya.

【0054】次いで、各々のJIS形状の試験片を作製
した。なお、以下の説明においても、粒子群粉末からの
焼結体を粒子群焼結材料と称する。
Next, each JIS-shaped test piece was prepared. In the following description, a sintered body from the particle group powder is also referred to as a particle group sintered material.

【0055】下表2は、実施例7〜12および比較例8
〜11の組成および各種特性などを示している。
Table 2 below shows Examples 7 to 12 and Comparative Example 8.
11 to 11 show the compositions and various characteristics.

【0056】[0056]

【表2】 (特性評価) (1)曲げ強度:JIS−R1601記載の4点曲げ試
験を行った。
[Table 2] (Characteristic evaluation) (1) Bending strength: A four-point bending test described in JIS-R1601 was performed.

【0057】(2)輸率の測定:炉の中央に試料を隔壁
として炉の中央にセットする。燃料極側および空気極側
にアルゴン(Ar)ガスを流しながら、600℃まで昇
温してArガスを止め燃料極に加湿水素を、空気極に空
気を流した。30分間放置した後、アノード/カソード
間の自然電位を測定し理論自然電位に対する百分率で求
める。
(2) Measurement of transport number: A sample is set at the center of the furnace as a partition at the center of the furnace. While flowing argon (Ar) gas to the fuel electrode side and the air electrode side, the temperature was raised to 600 ° C., the Ar gas was stopped, humidified hydrogen was supplied to the fuel electrode, and air was supplied to the air electrode. After allowing to stand for 30 minutes, the natural potential between the anode and the cathode is measured and calculated as a percentage of the theoretical natural potential.

【0058】試料は、直径13mm厚み1mmに加工し
た円盤を用い、白金(Pt)ペーストを塗布後、100
℃で乾燥させ、電極とした。
As a sample, a platinum (Pt) paste was applied using a disk processed to a diameter of 13 mm and a thickness of 1 mm.
It dried at ° C and used as an electrode.

【0059】輸率(%)=測定電位/理論電位×100 (3)イオン伝導度:直流4端子法を用いた。JIS曲
げ試験片を用い白金線を等間隔に白金ペーストで固定し
た後、1000℃で焼成し試験片とした。測定は、所定
温度に保持した後、抵抗率を測定して逆数に輸率をかけ
たものをイオン伝導度(σ)とした。計算式は以下の式
を用いた。
Transport number (%) = measured potential / theoretical potential × 100 (3) Ion conductivity: A DC four-terminal method was used. Platinum wires were fixed at regular intervals with a platinum paste using a JIS bending test piece, and then fired at 1000 ° C. to obtain a test piece. In the measurement, after maintaining the temperature at a predetermined temperature, the resistivity was measured and the reciprocal number was multiplied by the transport number to obtain the ion conductivity (σ). The following formula was used for the calculation.

【0060】σ(S/m)=電流(A)×試験片断面積
/電圧(V)×有効試験片長さ(m)×輸率(%) (4)粒子群微構造評価:試験をダイヤモンド粒子
(0.26μm)で研磨した後、光学顕微鏡にて行っ
た。粒子径は、顕微鏡写真の4×4mmの面積に含まれ
る粒子の径を平均して求めた。さらにまた、粒子群の直
径は、研磨面上の窒化ケイ素粒子群を写真にとり、写真
上でランダムに直線を引いてこの直線が横切る全ての窒
化ケイ素粒子群の粒径を求め、この平均を窒化ケイ素粒
子群の数平均として画像解析装置により粒子群の直径を
求める線インターセプト法によった。
Σ (S / m) = current (A) × cross-sectional area of test specimen / voltage (V) × effective test specimen length (m) × transport number (%) (0.26 μm) and then polished with an optical microscope. The particle diameter was determined by averaging the diameters of the particles contained in a 4 × 4 mm area of the micrograph. Further, the diameter of the particle group is determined by taking a photograph of the silicon nitride particle group on the polished surface, randomly drawing a straight line on the photograph, obtaining the particle diameter of all the silicon nitride particle groups crossing the straight line, and averaging the average. A line intercept method was used in which the diameter of the particle group was determined by an image analyzer as the number average of the silicon particle group.

【0061】窒化チタン粒子添加効果:(実施例7と比
較例1、2、3)窒化チタン粒子群の添加により、無添
加の場合に比べて曲げ強度が増加していることが判る。
また、アルミナ粒子もしくは元素置換(Gaサイトへの
Al置換)のものと比べても窒化チタン粒子群の添加に
より強度が増加していることが判る。
Effect of adding titanium nitride particles: (Example 7 and Comparative Examples 1, 2, and 3) It can be seen that the addition of the titanium nitride particles increased the bending strength as compared with the case where no titanium nitride particles were added.
Also, it can be seen that the strength is increased by the addition of the titanium nitride particles as compared with those of alumina particles or those with element substitution (substitution with Al at the Ga site).

【0062】粒子群構造添加効果:(実施例7と比較例
8) 同じ窒化チタン添加量でも、粒子群として添加していな
い系(比較例8)に比べて粒子群として添加した系(実
施例7)は、高強度化した上で高いイオン伝導性を維持
しており、粒子群として添加することの効果が大きいこ
とを示している。窒化チタン粉末を粒子群(顆粒)とし
て所定の割合に添加して同時に焼結させる方法で多相系
セラミックス材料を製造することにより、窒化チタンの
添加割合を最小量としてイオン伝導性の低下を抑えなが
らも機械的強度特性の付与という機能を十分に発現させ
ることが可能となる粒子群分散微構造とすることによる
効果である。
Effect of adding particle group structure: (Example 7 and Comparative Example 8) Even when the same amount of titanium nitride was added, a system was added as a particle group as compared with a system not added as a particle group (Comparative Example 8) (Example 7). 7) shows that the high ion conductivity is maintained after the strength is increased, and that the effect of adding as a particle group is large. A multi-phase ceramic material is manufactured by adding titanium nitride powder as a group of particles (granules) at a predetermined ratio and simultaneously sintering, thereby suppressing the decrease in ion conductivity by minimizing the addition ratio of titanium nitride. However, this is an effect obtained by providing a particle group dispersed microstructure that allows the function of imparting mechanical strength characteristics to be sufficiently exhibited.

【0063】粒子群添加量効果:(実施例7〜10と比
較例9、10) 1wt%以上10wt%以下において窒化チタン粒子群
の添加により曲げ強度が向上し、イオン伝導度の低下も
抑えられていることが判る。これは、1wt%以下の添
加では、強度増加のためには不十分であり、一方、10
wt%以上では酸化物イオン絶縁性の窒化チタンの割合
が多くなりすぎてしまうために、酸化物イオン伝導性が
大きく低下してしまっている。
Effect of addition amount of particle group: (Examples 7 to 10 and Comparative Examples 9 and 10) At 1 wt% or more and 10 wt% or less, the addition of titanium nitride particles improves the bending strength and suppresses the decrease in ionic conductivity. You can see that This is because addition of 1 wt% or less is insufficient for increasing strength, while
If the content is not less than wt%, the proportion of the oxide ion insulating titanium nitride is too large, and the oxide ion conductivity is greatly reduced.

【0064】粒子群直径の効果:(実施例7、11、1
2と比較例11) 25μm±15μmの窒化チタン粒子群とすることによ
り、最も強度増加に対するイオン伝導性の低下を抑える
ことができる。粒子群の直径が40μm以上になると局
在化しすぎるため機械的強度の低下を招くとともに酸化
物イオン伝導を阻害してしまう。
Effect of Particle Group Diameter: (Examples 7, 11, 1
2 and Comparative Example 11) By using a titanium nitride particle group of 25 μm ± 15 μm, it is possible to suppress a decrease in ion conductivity with respect to an increase in strength. When the diameter of the particle group is 40 μm or more, the particles are excessively localized, so that the mechanical strength is reduced and the oxide ion conduction is inhibited.

【0065】面積分率:(実施例7〜10と比較例9、
10) 焼結体の切断面を観察したとき、短軸径が5μm以上で
ある窒化チタン粒子群の面積の合計が、線インターセプ
ト法で測定した面積分率で、1.5〜30面積%である
ものとすることが望ましく、窒化チタン粒子群の面積が
小さいと十分な機械的強度特性を付与することができな
い傾向となるので、1.5面積%以上とすることが望ま
しく、窒化チタン粒子群の面積が大きいと酸化物イオン
伝導性が低下するという傾向となるので、30面積%以
下とすることが望ましい。
Area fraction: (Examples 7 to 10 and Comparative Example 9,
10) When the cut surface of the sintered body was observed, the total area of the titanium nitride particles having a minor axis diameter of 5 μm or more was 1.5 to 30% by area in terms of the area fraction measured by the line intercept method. If the area of the titanium nitride particles is small, it tends to be impossible to impart sufficient mechanical strength characteristics. Therefore, it is preferable that the area be 1.5 area% or more. Is large, the oxide ion conductivity tends to decrease. Therefore, it is preferable to set the area to 30% by area or less.

【0066】以上、本実施の形態および実施例について
説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、
上記したランタンガレート系固体電解質材料は、図3に
示すような自動車酸素センサ10に適用することもでき
る。この自動車酸素センサ10は、図3に示すように、
複数の通気孔11Aが形成された容器状のケース11内
に、導電性気密シール12を介して、標準電極(Pt)
13と検出電極(Pt)14で挟まれたランタンガレー
ト系固体電解質層15が収納されている。なお、検出電
極14の外側面は、保護膜16で覆われている。また、
ケース11の上部には、排ガスダクト壁17が周回して
設けられ、ケース11の外部からの排ガスを通気孔11
Aに導くようになっている。また、標準電極13の内側
空間には、標準ガスSGを導入するようになっている。
Although the present embodiment and examples have been described above, the present invention is not limited to these.
The lanthanum gallate-based solid electrolyte material described above can also be applied to an automobile oxygen sensor 10 as shown in FIG. As shown in FIG. 3, the vehicle oxygen sensor 10
A standard electrode (Pt) is inserted through a conductive airtight seal 12 into a container-like case 11 in which a plurality of ventilation holes 11A are formed.
A lanthanum gallate-based solid electrolyte layer 15 sandwiched between 13 and a detection electrode (Pt) 14 is housed. Note that the outer surface of the detection electrode 14 is covered with a protective film 16. Also,
An exhaust gas duct wall 17 is provided around the upper part of the case 11 so that exhaust gas from the outside of the case 11 can pass through the vent hole 11.
A. The standard gas SG is introduced into the space inside the standard electrode 13.

【0067】このような、自動車酸素センサ10に本発
明のランタンガレート系固体電解質材料を適用すること
により、耐久性および安定性に優れた自動車酸素センサ
を実現することができる。
By applying the lanthanum gallate-based solid electrolyte material of the present invention to such a vehicle oxygen sensor 10, a vehicle oxygen sensor excellent in durability and stability can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係るランタンガレート系固体電解質材
料を用いた固体電解質型燃料電池の実施の形態を示す概
略説明図である。
FIG. 1 is a schematic explanatory view showing an embodiment of a solid oxide fuel cell using a lanthanum gallate-based solid electrolyte material according to the present invention.

【図2】定形顆粒の添加粒子を配合して焼結させたラン
タンガレート系固体電解質材料を模式的に示す断面説明
図である。
FIG. 2 is an explanatory cross-sectional view schematically showing a lanthanum gallate-based solid electrolyte material obtained by mixing and sintering particles added to regular granules.

【図3】本発明のランタンガレート系固体電解質材料を
適用した自動車酸素センサの概略断面図である。
FIG. 3 is a schematic sectional view of an automobile oxygen sensor to which the lanthanum gallate-based solid electrolyte material of the present invention is applied.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 固体電解質型燃料電池 2 ランタンガレート系固体電解質層 3、4 電極 REFERENCE SIGNS LIST 1 solid oxide fuel cell 2 lanthanum gallate solid electrolyte layer 3, 4 electrodes

フロントページの続き (72)発明者 仙北谷 良一 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 秦野 正治 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 宗像 文男 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 Fターム(参考) 5G301 CA02 CA03 CD01 5H026 AA06 BB01 BB08 EE11 EE13 HH01 HH02 HH05 HH08 Continuing from the front page (72) Inventor Ryoichi Sengokutani Nissan Motor Co., Ltd., 2 Takaracho, Kanagawa-ku, Yokohama, Kanagawa Prefecture (72) Inventor Masaharu Hatano 2 Takaracho, Kanagawa-ku, Yokohama, Kanagawa Prefecture, Nissan Motor Co., Ltd. (72) Invention Fumio Munakata 2 Takaracho, Kanagawa-ku, Yokohama, Kanagawa Prefecture F-term (reference) 5G301 CA02 CA03 CD01 5H026 AA06 BB01 BB08 EE11 EE13 HH01 HH02 HH05 HH08

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ランタンガレート系酸化物に、窒化ケイ
素または窒化チタンの粉末を添加した焼結体でなること
を特徴とするランタンガレート系固体電解質材料。
1. A lanthanum gallate solid electrolyte material comprising a sintered body obtained by adding silicon nitride or titanium nitride powder to a lanthanum gallate oxide.
【請求項2】 前記窒化ケイ素または前記窒化チタンは
粒子群として、前記ランタンガレート系酸化物に0.5
wt%以上10wt%以下の割合で添加された焼結体で
なることを特徴とする請求項1記載のランタンガレート
系固体電解質材料。
2. The lanthanum gallate-based oxide may contain 0.5% of the silicon nitride or the titanium nitride as particles.
2. The lanthanum gallate-based solid electrolyte material according to claim 1, comprising a sintered body added at a ratio of not less than 10 wt% and not more than 10 wt%.
【請求項3】 前記焼結体は、直径25μm±15μm
の前記窒化ケイ素または前記窒化チタンの粒子群を主体
とした多相系セラミックスからなることを特徴とする請
求項2記載のランタンガレート系固体電解質材料。
3. The sintered body has a diameter of 25 μm ± 15 μm.
The lanthanum gallate-based solid electrolyte material according to claim 2, comprising a multiphase ceramic mainly composed of the silicon nitride or the titanium nitride particles.
【請求項4】 前記焼結体の切断面に対して、短軸径が
5μm以上である前記窒化ケイ素または前記窒化チタン
の粒子群の面積が、線インターセプト法で測定した面積
分率で1.5〜30面積%であることを特徴とする請求
項1乃至請求項3のいずれかに記載されたランタンガレ
ート系固体電解質材料。
4. An area fraction of the silicon nitride or titanium nitride particles having a minor axis diameter of 5 μm or more with respect to a cut surface of the sintered body as an area fraction measured by a line intercept method. The lanthanum gallate-based solid electrolyte material according to any one of claims 1 to 3, wherein the content is 5 to 30% by area.
【請求項5】 ランタンガレート系酸化物に、窒化ケイ
素または窒化チタンの粉末を添加し、1350℃〜15
50℃の範囲で焼結することを特徴とするランタンガレ
ート系固体電解質材料の製造方法。
5. A powder of silicon nitride or titanium nitride is added to a lanthanum gallate-based oxide.
A method for producing a lanthanum gallate-based solid electrolyte material, comprising sintering at a temperature of 50 ° C.
【請求項6】 前記窒化ケイ素または前記窒化チタンは
粒子群として、前記ランタンガレート系酸化物に0.5
wt%以上10wt%以下の割合で添加することを特徴
とする請求項5記載のランタンガレート系固体電解質材
料の製造方法。
6. The silicon nitride or the titanium nitride as a particle group in the lanthanum gallate-based oxide is 0.5%.
The method for producing a lanthanum gallate-based solid electrolyte material according to claim 5, wherein the lanthanum gallate-based solid electrolyte material is added at a ratio of not less than 10 wt% and not more than wt%.
【請求項7】 請求項1乃至請求項4のいずれかに記載
されたランタンガレート系固体電解質材料と、導電性を
有する一対の電極とから構成された単電池を組み合わせ
てなることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
7. A combination of a unit cell composed of the lanthanum gallate-based solid electrolyte material according to claim 1 and a pair of electrodes having conductivity. Solid oxide fuel cell.
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