JP2006202667A - Manufacturing method of solid electrolyte membrane - Google Patents

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嘉範 榊
Kazutaka Mori
一剛 森
Akira Ogawa
亮 小川
Koichi Takenobu
弘一 武信
Hiroshi Kishizawa
浩 岸沢
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a solid electrolyte membrane having long-term stability, high ionic conductivity, and high strength. <P>SOLUTION: This method is used for manufacturing a solid electrolyte membrane by preparing an alumina-added rare-earth stabilized zirconia solid solution by mixing rare-earth oxide particles each having a specific surface area of 20-30 m<SP>2</SP>/g, zirconia (ZrO<SB>2</SB>) and 0.1-2.0 pts. by mass of alumina (Al<SB>2</SB>O<SB>3</SB>) in the total 100 pts. by mass of the rare-earth oxide particles and ZrO<SB>2</SB>, and thereafter heat-treating them, and by forming the solid solution into a membrane. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、固体電解質膜の製造方法に関する。本発明は、特には、固体酸化物形燃料電池(SOFC)のコージェネレーションシステムにおいて発電膜に用いられる、長期安定性、高イオン導電率、高強度を有する固体電解質膜の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a solid electrolyte membrane. The present invention particularly relates to a method for producing a solid electrolyte membrane having long-term stability, high ionic conductivity, and high strength used for a power generation membrane in a solid oxide fuel cell (SOFC) cogeneration system.

固体酸化物形燃料電池に用いられる固体電解質は、一般的には共沈法により製造されるイットリア安定化ジルコニア(YSZ)が使用されている。YSZは、SOFCの操作温度付近で安定であるため、好ましく用いられているが、粉の値段が比較的高く、イオン導電率が比較的低いという問題がある。粉のコストが高いのは、手間のかかる共沈法などで作られるためである。一方、イオン導電率については物質本来の特性であり、イットリア(Y23)をジルコニア(ZrO2)に固溶させる場合には解消することはできない。 A yttria-stabilized zirconia (YSZ) produced by a coprecipitation method is generally used as a solid electrolyte used in a solid oxide fuel cell. YSZ is preferably used because it is stable in the vicinity of the operating temperature of SOFC. However, there is a problem that the price of the powder is relatively high and the ionic conductivity is relatively low. The reason for the high cost of the powder is that it is made by a complicated coprecipitation method. On the other hand, the ionic conductivity is an intrinsic property of the substance and cannot be eliminated when yttria (Y 2 O 3 ) is dissolved in zirconia (ZrO 2 ).

イオン導電性の高い希土類酸化物安定化ジルコニアとしては、スカンジア(Sc23)安定化ジルコニア(ScSZ)が知られている。しかし、ScSZは、通常の安定化ジルコニアと比べ、熱膨張に連続性が無いといった問題を有する。また、LSGM(LaSrGaMg系)なども提案されているが、高温におけるガリウム(Ga)の飛散といった安定性における問題があり、実用化することが難しい。 Scandia (Sc 2 O 3 ) stabilized zirconia (ScSZ) is known as a rare earth oxide stabilized zirconia having high ionic conductivity. However, ScSZ has a problem in that there is no continuity in thermal expansion compared to normal stabilized zirconia. Further, although LSGM (LaSrGaMg-based) has been proposed, there is a problem in stability such as scattering of gallium (Ga) at high temperature, and it is difficult to put it into practical use.

特許文献1には、共沈法でなく、固相反応法により比較的イオン導電性の高い希土類酸化物安定化ジルコニアを低コストで製造する方法が開示されている。かかる方法によれば、共沈法と比較してコストを抑え、かつ燃料電池として使用するのに十分なイオン導電率を有する固体電解質が得られるが、さらに長期安定性および高強度を有する固体電解質膜を得ることが、固体酸化物形燃料電池の実用化において求められている。
特開2003−178771号公報
Patent Document 1 discloses a method for producing a rare earth oxide-stabilized zirconia having relatively high ionic conductivity at a low cost by a solid phase reaction method instead of a coprecipitation method. According to this method, it is possible to obtain a solid electrolyte having a low ion cost and sufficient ionic conductivity for use as a fuel cell as compared with the coprecipitation method, but having a long-term stability and high strength. Obtaining a membrane is required in the practical application of solid oxide fuel cells.
Japanese Patent Laid-Open No. 2003-178771

本発明は、長期安定性、高イオン導電率、高強度を有する固体電解質膜の製造方法を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the manufacturing method of the solid electrolyte membrane which has long-term stability, high ionic conductivity, and high intensity | strength.

本発明は、固体電解質膜の製造方法であって、比表面積が20〜30m2/gの希土類
酸化物粒子と、ZrO2と、該希土類酸化物粒子とZrO2との合計100質量部に対して、0.1〜2.0質量部のアルミナ(Al23)とを混合後、熱処理をすることによりAl23添加希土類酸化物安定化ジルコニア固溶体を調製し、該固溶体を製膜するものである。
The present invention is a method of manufacturing a solid electrolyte membrane, and a rare earth oxide particles having a specific surface area of 20 to 30 m 2 / g, and ZrO 2, the total of 100 parts by mass of the said rare earth oxide particles and ZrO 2 Then, 0.1 to 2.0 parts by mass of alumina (Al 2 O 3 ) is mixed and then heat-treated to prepare an Al 2 O 3 -added rare earth oxide stabilized zirconia solid solution, and the solid solution is formed into a film. To do.

前記Al23の比表面積が10〜15m2/gであることが好ましい。 The specific surface area of the Al 2 O 3 is preferably 10 to 15 m 2 / g.

前記ZrO2の比表面積が5〜20m2/gであることが好ましい。 The specific surface area of the ZrO 2 is preferably 5 to 20 m 2 / g.

前記希土類酸化物が、ルテチア(Lu23)、イッテルビア(Yb23)、エルビア(Er23)から選択される1つ以上であることが好ましい。 The rare earth oxide is preferably one or more selected from lutetia (Lu 2 O 3 ), ytterbia (Yb 2 O 3 ), and erbia (Er 2 O 3 ).

また、本発明は、別の局面によれば、上記製造方法により製造された固体電解質膜である。   Moreover, according to another situation, this invention is the solid electrolyte membrane manufactured by the said manufacturing method.

また、本発明は、さらに別の局面によれば、固体酸化物形燃料電池であって、燃料極と、上述の固体電解質膜と、空気極とを順に積層してなる発電膜と、インターコネクタとを積層してなる。   According to still another aspect of the present invention, there is provided a solid oxide fuel cell, a power generation film in which a fuel electrode, the above-described solid electrolyte film, and an air electrode are sequentially stacked, and an interconnector. And are laminated.

本発明の効果として、燃料電池に用いるのに適したイオン導電率を有し、強度が従来の2倍程度である固体電解質膜を製造することができる。かかる性能は、長期にわたって維持することができるものであり、固体酸化物形燃料電池の発電膜として使用する場合に耐久性のある電池を得ることができる。さらに、本発明の固体電解質膜の製造方法によれば、従来の半分以下のコストで性能が高い固体電解質膜を製造することができるため、固体酸化物形燃料電池の実用化に有用であると考えられる。   As an effect of the present invention, it is possible to produce a solid electrolyte membrane having ionic conductivity suitable for use in a fuel cell and having a strength about twice that of the conventional one. Such performance can be maintained over a long period of time, and a durable battery can be obtained when used as a power generation membrane of a solid oxide fuel cell. Furthermore, according to the method for producing a solid electrolyte membrane of the present invention, it is possible to produce a solid electrolyte membrane having high performance at a cost less than half that of the prior art, which is useful for practical application of a solid oxide fuel cell. Conceivable.

以下に本発明を詳細に説明する。以下の説明は、本発明を限定するものではない。   The present invention is described in detail below. The following description does not limit the invention.

本発明に係る一実施の形態による固体電解質膜の製造方法によれば、希土類酸化物粒子と、ZrO2と、Al23とを混合後、熱処理をすることによりアルミナ添加希土類酸化物安定化ジルコニア固溶体を調製し、該固溶体を製膜する。 According to the method for manufacturing a solid electrolyte membrane according to one embodiment of the present invention, after adding rare earth oxide particles, ZrO 2 , and Al 2 O 3 , heat treatment is performed to stabilize the alumina-added rare earth oxide. A zirconia solid solution is prepared, and the solid solution is formed into a film.

希土類酸化物粒子としては、比表面積が20〜30m2/gで、粒径が0.1〜0.5μmの微粉末を用いることが好ましい。比表面積が20m2/gより小さいと固溶体を形成しにくく、30m2/gより大きいと微粉末どうしの凝集力が分散力を上回り、十分に分散・混合させることが難しくなるためである。希土類酸化物としては、ユーロピア(Eu23)、ガドリア(Gd23)、ジスプロシア(Dy23)、ホルミア(Ho23)、エルビア(Er23)、ツリア(Tm23)、Yb23、Lu23などを用いることができるが、これらに限定されるものではない。性能やコストの面から、Lu23、Yb23、Er23を好ましく用いることができる。 As the rare earth oxide particles, it is preferable to use fine powder having a specific surface area of 20 to 30 m 2 / g and a particle size of 0.1 to 0.5 μm. If the specific surface area is less than 20 m 2 / g, it is difficult to form a solid solution, and if it is greater than 30 m 2 / g, the cohesive force between the fine powders exceeds the dispersion force, making it difficult to sufficiently disperse and mix. Examples of the rare earth oxide, europia (Eu 2 O 3), Gadoria (Gd 2 O 3), dysprosia (Dy 2 O 3), 378 holmia (Ho 2 O 3), erbia (Er 2 O 3), Tsuria (Tm 2 O 3 ), Yb 2 O 3 , Lu 2 O 3 and the like can be used, but are not limited thereto. From the viewpoint of performance and cost, Lu 2 O 3 , Yb 2 O 3 , and Er 2 O 3 can be preferably used.

一般に、ZrO2としては、比表面積が5〜30m2/g、好ましくは5〜20m2/gで、粒径が0.3〜1.0μm程度の微粉末を用いることができる。希土類酸化物とZrO2との比表面積が揃っていることで、均一に混合することが可能となるためである。 Generally, as ZrO 2 , a fine powder having a specific surface area of 5 to 30 m 2 / g, preferably 5 to 20 m 2 / g and a particle size of about 0.3 to 1.0 μm can be used. This is because when the specific surface areas of the rare earth oxide and ZrO 2 are uniform, uniform mixing is possible.

Al23は固溶体に添加して、バインダとして機能させることができる。アルミナは焼結時に溶融し、焼結を促進するが、焼結後はジルコニアに溶け込まず、粒界に析出するため導電率を下げることはない。Al23は、比表面積が10〜15m2/gで、粒径が0.3〜0.5μm程度の微粉末を用いることができる。このような比表面積とするのは、希土類酸化物とZrO2と粒径が揃い、均一に混合することが可能なためである。 Al 2 O 3 can be added to the solid solution to function as a binder. Alumina melts at the time of sintering and promotes the sintering, but does not dissolve in zirconia after the sintering and precipitates at the grain boundary, so that the conductivity is not lowered. Al 2 O 3 may be a fine powder having a specific surface area of 10 to 15 m 2 / g and a particle size of about 0.3 to 0.5 μm. The reason for setting such a specific surface area is that the rare earth oxide and ZrO 2 have the same particle size and can be mixed uniformly.

希土類酸化物とZrO2とAl23との混合において、希土類酸化物の微粉末とZrO2微粉末とに、Al23と、界面活性剤と、溶媒としての水を加え、分散液を調製する。 In the mixing of rare earth oxide, ZrO 2 and Al 2 O 3 , Al 2 O 3 , a surfactant and water as a solvent are added to the rare earth oxide fine powder and ZrO 2 fine powder, To prepare.

界面活性剤は、希土類酸化物とZrO2とAl23との分散性を向上させるために使用することができる。このような界面活性剤としては、ポリカルボン酸アンモン、ポリエチレンイミンなどを用いることができるが、これらに限定されない。分散液を調製するための溶媒としては、水、エタノールを用いることができる。溶媒は、分散剤として使用する界面活性剤との組み合わせによって適宜選択することができ、好ましくは、水とポリカルボン酸アンモンが、エタノールとポリエチレンイミンがそれぞれ組み合わせて使用される。 Surfactants can be used to improve the dispersibility of rare earth oxides, ZrO 2 and Al 2 O 3 . Examples of such surfactants include, but are not limited to, polycarboxylic acid ammonium and polyethyleneimine. As a solvent for preparing the dispersion, water and ethanol can be used. The solvent can be appropriately selected depending on the combination with the surfactant used as a dispersant. Preferably, water and ammonium polycarboxylate are used in combination with ethanol and polyethyleneimine, respectively.

ZrO2と希土類酸化物とは、ZrO2が約88〜92mol%、希土類酸化物が約8〜12mol%となるように混合することが好ましい。希土類酸化物が8mol%よりも少ないと、得られる固溶体は単斜晶を多く含むため安定性が低く、導電性も不十分であり、希土類酸化物が12mol%よりも多いと、得られる固溶体の安定性は高いもののイオン導電性が低下するためである。希土類酸化物が約8〜10mol%となるように混合することがさらに好ましく、約10mol%となるように混合することが最も好ましい。混合する希土類酸化物は、一種であっても、二種以上であってもよい。 ZrO 2 and the rare earth oxide are preferably mixed so that ZrO 2 is about 88 to 92 mol% and the rare earth oxide is about 8 to 12 mol%. If the rare earth oxide is less than 8 mol%, the obtained solid solution contains a large amount of monoclinic crystals, so that the stability is low and the conductivity is insufficient. If the rare earth oxide is more than 12 mol%, the resulting solid solution This is because although the stability is high, the ionic conductivity is lowered. More preferably, the rare earth oxide is mixed so as to be about 8 to 10 mol%, and most preferably mixed so as to be about 10 mol%. The rare earth oxide to be mixed may be one kind or two or more kinds.

Al23の添加量は、希土類酸化物粒子とZrO2との合計質量を100質量部として、0.1〜2.0質量部とすることが好ましい。Al23の添加量が0.1質量部より少ないと固溶体に十分な強度を付与することができず、2.0質量部より多いと、固溶体において不純物として働き、導電率が低下する可能性があるためである。Al23の添加量は、0.25〜1.0質量部とすることがさらに好ましく、0.5質量部とすることが最も好ましい。 The amount of Al 2 O 3 added is preferably 0.1 to 2.0 parts by mass, with the total mass of rare earth oxide particles and ZrO 2 being 100 parts by mass. If the added amount of Al 2 O 3 is less than 0.1 parts by mass, sufficient strength cannot be imparted to the solid solution, and if it is more than 2.0 parts by mass, it can act as an impurity in the solid solution and the conductivity can be lowered. It is because there is sex. The addition amount of Al 2 O 3 is more preferably 0.25 to 1.0 part by mass, and most preferably 0.5 part by mass.

界面活性剤は、有効成分で約1質量%となるように調製することができる。また、溶媒は、固形分に対し30〜300質量%となるように混合することができる。   Surfactant can be prepared so that it may become about 1 mass% with an active ingredient. Moreover, a solvent can be mixed so that it may become 30-300 mass% with respect to solid content.

次に、調製した分散液を分散装置により分散する。分散装置は、ボールミル、振動ミル、アトライターミルなどを用いることができる。高い剪断力が得られる分散装置を使用することが好ましい。分散時間は、装置や分散液の量により、適宜決定することができる。例えば、アトライターミルを用いる場合、分散時間は1時間程度が好ましい。   Next, the prepared dispersion is dispersed by a dispersion apparatus. A ball mill, a vibration mill, an attritor mill, or the like can be used as the dispersing device. It is preferable to use a dispersing device that can obtain a high shearing force. The dispersion time can be appropriately determined depending on the amount of the apparatus and the dispersion. For example, when an attritor mill is used, the dispersion time is preferably about 1 hour.

均一に分散された希土類酸化物とZrO2とAl23とを含む分散液を一旦乾燥する。このような乾燥工程は、ドライヤーやオーブン等を用いて、0.5〜20時間程度行う。乾燥後、分散された粉末を熱処理して、アルミナ添加希土類酸化物安定化ジルコニアの固溶体を製造する。熱処理は、オーブン、電気炉、ガス炉等の装置を用いて約800〜1300℃、好ましくは1100〜1300℃で、1〜10時間、好ましくは2〜5時間行う。温度が高すぎると、粒子成長が過剰となり、次工程で良好な製膜を行うことが困難となるので、あまり温度を高くすることは好ましくない。このようにして製造されたアルミナ添加希土類酸化物安定化ジルコニアの固溶体は、希土類酸化物とZrO2とが均一に混合された、均質な立方晶の固溶体であり、部分的に単斜晶が生成していることもない。 A dispersion containing the uniformly dispersed rare earth oxide, ZrO 2 and Al 2 O 3 is once dried. Such a drying process is performed for about 0.5 to 20 hours using a dryer, an oven, or the like. After drying, the dispersed powder is heat treated to produce a solid solution of alumina-added rare earth oxide stabilized zirconia. The heat treatment is performed at about 800 to 1300 ° C., preferably 1100 to 1300 ° C. for 1 to 10 hours, preferably 2 to 5 hours using an apparatus such as an oven, an electric furnace, or a gas furnace. If the temperature is too high, the particle growth becomes excessive and it is difficult to perform good film formation in the next step, so it is not preferable to raise the temperature too much. The solid solution of alumina-added rare earth oxide stabilized zirconia produced in this way is a homogeneous cubic solid solution in which rare earth oxide and ZrO 2 are uniformly mixed, and a monoclinic crystal is partially formed. I have never done it.

次に、アルミナ添加希土類酸化物安定化ジルコニアの固溶体を用いて固体電解質膜を製造する。熱処理されてできたアルミナ添加希土類酸化物安定化ジルコニアの固溶体を溶媒に溶かして、スラリーを調製する。溶媒としては、エタノール、水などを用いることができる。固体電解質膜のシートを製造する場合には、使用されるバインダとの関係で、溶媒として水を用いないほうがよい場合もある。このとき、製膜方法にもよるが、アルミナ添加希土類酸化物安定化ジルコニアに対し、100体積%の量で溶媒を混合して、スラリーとすることが好ましい。   Next, a solid electrolyte membrane is produced using a solid solution of alumina-added rare earth oxide stabilized zirconia. A slurry is prepared by dissolving a solid solution of alumina-added rare earth oxide stabilized zirconia obtained by heat treatment in a solvent. As the solvent, ethanol, water or the like can be used. When manufacturing a sheet of a solid electrolyte membrane, it may be better not to use water as a solvent in relation to the binder used. At this time, although depending on the film forming method, it is preferable to mix a solvent in an amount of 100% by volume with respect to the alumina-added rare earth oxide stabilized zirconia to form a slurry.

また、スラリーには、結合剤(バインダ)、可塑剤等を混合することが好ましい。結合剤は製造した固体電解質膜の強度を確保し、可塑剤は結合剤の可塑性を確保するために用いられる。このような結合剤としては、ポリビニルブチラールを使用することが好ましい。また、結合剤を柔らかくするための可塑剤としてはジブチルフタレートを使用することが好ましい。これらは、スラリー中のアルミナ添加希土類酸化物安定化ジルコニア100質量部に対し、2.0質量部〜20質量部、好ましくは、8質量部〜12質量部となるように添加する。   Moreover, it is preferable to mix a binder (binder), a plasticizer, etc. with a slurry. The binder is used to ensure the strength of the manufactured solid electrolyte membrane, and the plasticizer is used to ensure the plasticity of the binder. As such a binder, it is preferable to use polyvinyl butyral. Moreover, it is preferable to use dibutyl phthalate as a plasticizer for softening the binder. These are added in an amount of 2.0 to 20 parts by mass, preferably 8 to 12 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the alumina-added rare earth oxide stabilized zirconia in the slurry.

調製したスラリーは、真空脱泡したのち、通常、室温にて製膜する。製膜方法としては、ドクターブレード法、プレス成形等の方法を用いるが、これらには限定されない。例えば、ドクターブレード法は、ドクターブレードを用いて、スラリーをシート状に形成する方法である。プレス成形は、粉末を金型にいれ一軸プレスするという方法である。ドクターブレード法で固体電解質膜を製造する場合、成形後に1400℃〜1500℃で、熱処理することが好ましい。また、スラリーをシート状に形成した後、熱処理前にディンプル形状に加工して、ディンプル形状の固体電解質膜とすることもできる。   The prepared slurry is usually subjected to vacuum defoaming and then usually formed at room temperature. As a film forming method, methods such as a doctor blade method and press molding are used, but are not limited thereto. For example, the doctor blade method is a method of forming a slurry into a sheet using a doctor blade. Press molding is a method in which powder is placed in a mold and uniaxially pressed. When producing a solid electrolyte membrane by a doctor blade method, it is preferable to heat-treat at 1400-1500 degreeC after shaping | molding. Alternatively, the slurry can be formed into a sheet shape and then processed into a dimple shape before heat treatment to form a dimple-shaped solid electrolyte membrane.

製造された固体電解質膜は、厚さが100〜500μm程度とすることができる。また、製造された固体電解質膜のイオン導電率は、該固体電解質膜を固体酸化物形燃料電池に用いることから、1000℃において0.2〜0.3S/cmの範囲にあることが好ましい。   The manufactured solid electrolyte membrane can have a thickness of about 100 to 500 μm. The ionic conductivity of the produced solid electrolyte membrane is preferably in the range of 0.2 to 0.3 S / cm at 1000 ° C. because the solid electrolyte membrane is used for a solid oxide fuel cell.

本発明は、別の形態によれば、燃料極と、上述の方法で製造された固体電解質膜と、空気極とを順に積層してなる発電膜と、インターコネクタとを積層してなる固体酸化物形燃料電池である。このような固体酸化物形燃料電池は、例えば、燃料極と、固体電解質膜と、空気極とを順に積層して得られる発電膜をディンプル形状に加工し、ディンプル形状の発電膜と、インターコネクタとを順に積層して組み立てることができる。あるいは、別の形態による固体酸化物形燃料電池は、燃料極と、固体電解質膜と、空気極とを順に積層して得られるシート状の発電膜と、ディンプル形状に加工したインターコネクタとを順に積層して組み立てることもできる。しかし、固体酸化物形燃料電池は特定の形態には限定されず、既知の任意の形態であってよい。   According to another aspect of the present invention, there is provided a solid oxide formed by laminating a fuel electrode, a solid electrolyte membrane manufactured by the above-described method, a power generation membrane obtained by sequentially laminating an air electrode, and an interconnector. It is a physical fuel cell. Such a solid oxide fuel cell includes, for example, a power generation film obtained by sequentially laminating a fuel electrode, a solid electrolyte membrane, and an air electrode into a dimple shape. Can be stacked and assembled in order. Alternatively, a solid oxide fuel cell according to another embodiment includes a sheet-shaped power generation film obtained by sequentially laminating a fuel electrode, a solid electrolyte membrane, and an air electrode, and an interconnector processed into a dimple shape. It can also be stacked and assembled. However, the solid oxide fuel cell is not limited to a specific form, and may be any known form.

以下に、実施例を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

[実施例1]
比表面積が25m2/gのルテチア(Lu23)粉末を250gと、比表面積が10m2/gのジルコニア(ZrO2)粉末を750gと、比表面積が10m2/gのアルミナ(Al23)を5gと、ポリカルボン酸アンモンを10gと、エタノールを400mlを、1000mlのポット中に秤量した。ここで、Lu23は、ZrO2に対し、9.5mol%となるように調製した。この分散液をボールミルで24時間分散させた後、分散されてできたスラリーを取り出し、ドライヤーで約100分乾燥させた。次に、乾燥粉を1200℃で10時間熱処理して、アルミナ添加ルテチア安定化ジルコニア(LuSZ)の固溶体を得た。
[Example 1]
And the lutetia (Lu 2 O 3) powder having a specific surface area of 25 m 2 / g 250 g, zirconia having a specific surface area of 10m 2 / g (ZrO 2) and 750g of the powder, the specific surface area is 10 m 2 / g alumina (Al 2 5 g of O 3 ), 10 g of ammonium polycarboxylate, and 400 ml of ethanol were weighed into a 1000 ml pot. Here, Lu 2 O 3, compared ZrO 2, it was prepared as a 9.5 mol%. This dispersion was dispersed with a ball mill for 24 hours, and the dispersed slurry was taken out and dried with a dryer for about 100 minutes. Next, the dried powder was heat-treated at 1200 ° C. for 10 hours to obtain a solid solution of alumina-added lutetia stabilized zirconia (LuSZ).

[実施例2]
実施例1のLu23に替えて、比表面積が23g/m2のイッテルビア(Yb23)粉末を250g使用した以外は実施例1と同様にして、アルミナ添加イッテルビア安定化ジルコニアの固溶体を得た。
[Example 2]
Solid solution of alumina-added ytterbia stabilized zirconia in the same manner as in Example 1 except that 250 g of ytterbia (Yb 2 O 3 ) powder having a specific surface area of 23 g / m 2 was used instead of Lu 2 O 3 of Example 1. Got.

[実施例3]
実施例1のLu23に替えて、比表面積が26g/m2のエルビア(Er23)粉末を250g使用した以外は実施例1と同様にして、アルミナ添加エルビア安定化ジルコニアの固溶体を得た。
[Example 3]
Solid solution of alumina-added erbia-stabilized zirconia in the same manner as in Example 1 except that 250 g of erbia (Er 2 O 3 ) powder having a specific surface area of 26 g / m 2 was used instead of Lu 2 O 3 in Example 1. Got.

[比較例]
実施例1〜3のそれぞれの同じ組成で、従来の共沈法により、アルミナ添加ルテチア安定化ジルコニア(比較例1)、アルミナ添加イッテルビア安定化ジルコニア(比較例2)、アルミナ添加エルビア安定化ジルコニア(比較例3)の固溶体をそれぞれ得た。
[Comparative example]
In each of the same compositions of Examples 1 to 3, alumina-added lutetia-stabilized zirconia (Comparative Example 1), alumina-added ytterbia-stabilized zirconia (Comparative Example 2), alumina-added erbia-stabilized zirconia ( A solid solution of Comparative Example 3) was obtained.

[実験例1]
実施例1〜3で得られたアルミナ添加希土類酸化物安定化ジルコニアの固溶体を、調製後、50gの粉体を60mmΦのダイスでプレス成形した後、1400℃で4時間焼成して焼結体を得た。焼結体を3mm×4mm×40mmに加工し、1000℃の環境下に、1000時間おいた後の物性を測定することにより、アルミナ添加希土類酸化物安定化ジルコニアの固溶体の安定性を試験した。1000℃におけるイオン導電率を直流四端子法により求め、ZrO2立方晶割合をX線結晶回折により測定した。また、強度をJIS R1601の3点曲げ試験に基づいて測定した。導電率(S/cm)およびZrO2立方晶割合(%)についての測定結果を表1に示す。
[Experimental Example 1]
After preparing the solid solution of alumina-added rare earth oxide stabilized zirconia obtained in Examples 1 to 3, 50 g of powder was press-molded with a 60 mmφ die, and then fired at 1400 ° C. for 4 hours to obtain a sintered body. Obtained. The sintered body was processed to 3 mm × 4 mm × 40 mm, and the stability of the solid solution of alumina-added rare earth oxide stabilized zirconia was tested by measuring the physical properties after 1000 hours in an environment of 1000 ° C. The ionic conductivity at 1000 ° C. was determined by the direct current four-terminal method, and the ZrO 2 cubic ratio was measured by X-ray crystal diffraction. The strength was measured based on a three-point bending test of JIS R1601. Table 1 shows the measurement results for the electrical conductivity (S / cm) and the ZrO 2 cubic ratio (%).

Figure 2006202667
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表1に示すように、1000℃におけるイオン導電率は固体酸化物形燃料電池に用いるのに十分な範囲であった。この結果は、従来の共沈法で製造されたイットリア酸化物安定化ジルコニア(YSZ)の固溶体について同様の試験をした場合に得られる標準的な値である0.17S/cmと比較しても十分に優れている。また、アルミナ添加希土類酸化物安定化ジルコニアの固溶体の調製後、1000℃、1000時間後であっても立方晶の割合に変化は無く、経時的に安定であることがわかった。   As shown in Table 1, the ionic conductivity at 1000 ° C. was in a range sufficient for use in a solid oxide fuel cell. Even if this result is compared with 0.17 S / cm which is a standard value obtained when a similar test is performed on a solid solution of yttria oxide stabilized zirconia (YSZ) manufactured by the conventional coprecipitation method. Good enough. It was also found that the ratio of cubic crystals did not change even after 1000 hours at 1000 ° C. after the preparation of the alumina-added rare earth oxide-stabilized zirconia solid solution and was stable over time.

比較例1〜3の固溶体について、強度を測定した。その結果、実施例1〜3のアルミナ添加希土類酸化物安定化ジルコニアの固溶体は、共沈法で製造された比較例1〜3の固溶体と比較して、2倍程度の強度を示した。(表2参照)   The strength of the solid solutions of Comparative Examples 1 to 3 was measured. As a result, the solid solution of alumina-added rare earth oxide stabilized zirconia of Examples 1 to 3 showed about twice the strength as compared with the solid solutions of Comparative Examples 1 to 3 produced by the coprecipitation method. (See Table 2)

Figure 2006202667
Figure 2006202667

[実験例2]
実施例1〜3で得られたアルミナ添加希土類酸化物安定化ジルコニアの固溶体の発電性能について試験した。試験は、固溶体粉末焼結体を、直径30mm、厚さ0.3mmの円盤状に加工し、中心部に10mmΦの大きさに空気極としてLSM/YSZ(空気極材料のLSMとYSZの混合物)、燃料極としてNiO/YSZ(燃料極材料NiOとYSZの混合物)を焼付け、空気極側に空気、燃料極側に水素を流し、カレントインタラプト法により、発電試験を実施した。その結果、何れのアルミナ添加希土類酸化物安定化ジルコニアの固溶体も約0.6W/cm2の出力密度を示した。これらのアルミナ添加希土類酸化物安定化ジルコニア固溶体の発電能力は、従来の共沈法で製造されたイットリア酸化物安定化ジルコニア(YSZ)の固溶体について同様の試験をした場合に得られる標準的な値である0.5W/cm2と比較しても優れている。(表3参照)
[Experiment 2]
The power generation performance of the solid solution of alumina-added rare earth oxide stabilized zirconia obtained in Examples 1 to 3 was tested. In the test, a solid solution powder sintered body was processed into a disk shape with a diameter of 30 mm and a thickness of 0.3 mm, and LSM / YSZ (mixture of LSM and YSZ of air electrode materials) as an air electrode with a size of 10 mmΦ at the center. Then, NiO / YSZ (mixture of fuel electrode materials NiO and YSZ) was baked as the fuel electrode, air was supplied to the air electrode side, and hydrogen was supplied to the fuel electrode side, and a power generation test was performed by a current interrupt method. As a result, any alumina-added rare earth oxide stabilized zirconia solid solution showed a power density of about 0.6 W / cm 2 . The power generation capacity of these alumina-added rare earth oxide stabilized zirconia solid solutions is a standard value obtained when a similar test is performed on a solid solution of yttria oxide stabilized zirconia (YSZ) produced by a conventional coprecipitation method. It is excellent even when compared with 0.5 W / cm 2 . (See Table 3)

Figure 2006202667
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本発明の活用例として、固体酸化物形燃料電池及びそのコージェネレーションシステムに用いられる固体電解質膜が挙げられる。   Examples of utilization of the present invention include solid oxide membranes used in solid oxide fuel cells and cogeneration systems thereof.

Claims (6)

比表面積が20〜30m2/gの希土類酸化物粒子と、ジルコニア(ZrO2)と、
該希土類酸化物粒子とジルコニアとの合計100質量部に対して、0.1〜2.0質量部のアルミナとを混合後、熱処理をすることによりアルミナ(Al23)添加希土類酸化物安定化ジルコニア固溶体を調製し、該固溶体を製膜することによる固体電解質膜の製造方法。
Rare earth oxide particles having a specific surface area of 20 to 30 m 2 / g, zirconia (ZrO 2 ),
Stabilizing rare earth oxide with alumina (Al 2 O 3 ) by mixing 0.1 to 2.0 parts by mass of alumina with respect to 100 parts by mass in total of the rare earth oxide particles and zirconia, followed by heat treatment. A method for producing a solid electrolyte membrane by preparing a solid zirconia solid solution and forming the solid solution into a film.
前記アルミナの比表面積が10〜15m2/gである請求項1に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the specific surface area of the alumina is 10 to 15 m 2 / g. 前記ジルコニアの比表面積が5〜20m2/gである請求項1または2に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the specific surface area of the zirconia is 5 to 20 m 2 / g. 前記希土類酸化物が、ルテチア(Lu23)、イッテルビア(Yb23)、エルビア(Er23)から選択される1つ以上である請求項1〜3のいずれかに記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the rare earth oxide is one or more selected from lutetia (Lu 2 O 3 ), ytterbia (Yb 2 O 3 ), and erbia (Er 2 O 3 ). . 請求項1〜4のいずれかに記載の方法により製造された固体電解質膜。 The solid electrolyte membrane manufactured by the method in any one of Claims 1-4. 燃料極と、請求項5に記載の固体電解質膜と、空気極とを順に積層してなる発電膜と、インターコネクタとを積層してなる固体酸化物形燃料電池。 A solid oxide fuel cell comprising a power generation film in which a fuel electrode, the solid electrolyte membrane according to claim 5 and an air electrode are sequentially stacked, and an interconnector.
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