JP3331056B2 - 分散強化型固体電解質材料及びこれを用いた固体電解質焼結体 - Google Patents
分散強化型固体電解質材料及びこれを用いた固体電解質焼結体Info
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
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- Conductive Materials (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、固体電解質型燃料電池
（以下、「ＳＯＦＣ」と略称する。）に用いられる固体
電解質材料に関し、さらに詳しくはアルミナ分散による
高強度化を図った分散強化型固体電解質材料及びこれを
用いた固体電解質焼結体に関するものである。
（以下、「ＳＯＦＣ」と略称する。）に用いられる固体
電解質材料に関し、さらに詳しくはアルミナ分散による
高強度化を図った分散強化型固体電解質材料及びこれを
用いた固体電解質焼結体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来この種の燃料電池としては、電解質
の種類によってリン酸型燃料電池（以下、「ＰＡＦＣ」
と略称する。）、溶融炭酸塩型燃料電池（以下、「ＭＣ
ＦＣ」と略称する。）、および固体電解質型燃料電池
（ＳＯＦＣ）が知られている。
の種類によってリン酸型燃料電池（以下、「ＰＡＦＣ」
と略称する。）、溶融炭酸塩型燃料電池（以下、「ＭＣ
ＦＣ」と略称する。）、および固体電解質型燃料電池
（ＳＯＦＣ）が知られている。
【０００３】この中でＳＯＦＣは、電解質材料としてリ
ン酸水溶液や溶融炭酸塩のような液体状材料の代わりに
イオン導電性を有する固体電解質材料を用いたものであ
り、ＰＡＦＣやＭＣＦＣに比べて発電効率が高く、高温
度の排熱が得られることから、オンサイト用コージェネ
レーションシステムへの適用が期待されている。
ン酸水溶液や溶融炭酸塩のような液体状材料の代わりに
イオン導電性を有する固体電解質材料を用いたものであ
り、ＰＡＦＣやＭＣＦＣに比べて発電効率が高く、高温
度の排熱が得られることから、オンサイト用コージェネ
レーションシステムへの適用が期待されている。
【０００４】ところでこのＳＯＦＣに用いられる固体電
解質材料としては、従来、イットリア安定化ジルコニア
（以下、「ＹＳＺ」と略称する。）が用いられてきた
が、最近ではこのＹＳＺよりも高い導電率をもつ固体電
解質材料として、スカンジア安定化ジルコニア（以下、
「ＳｃＳＺ」と略称する。）が本願出願人による学会発
表等により注目を浴びている。このＳｃＳＺは、ジルコ
ニアにスカンジアを固溶させて結晶構造を安定化させた
ものである。
解質材料としては、従来、イットリア安定化ジルコニア
（以下、「ＹＳＺ」と略称する。）が用いられてきた
が、最近ではこのＹＳＺよりも高い導電率をもつ固体電
解質材料として、スカンジア安定化ジルコニア（以下、
「ＳｃＳＺ」と略称する。）が本願出願人による学会発
表等により注目を浴びている。このＳｃＳＺは、ジルコ
ニアにスカンジアを固溶させて結晶構造を安定化させた
ものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら一方で、
ＳＯＦＣはその発電容量の増大化が図られ、たとえば平
板型ＳＯＦＣの場合、その平板状の固体電解質焼結体の
平板面積を大きくすることによって発電容量を増大させ
ることが考えられるが、固体電解質焼結体の平板面積を
大きくするためにはその固体電解質焼結体の材料強度を
高める必要がある。そして材料強度を高めるために単純
に固体電解質焼結体を厚く（０．２〜０．３ｍｍ）し
て、強度的にもたせようとすると、今度は固体電解質焼
結体が薄い場合よりも内部抵抗が増大し、導電率の低下
により発電特性が損なわれるという問題が生じる。
ＳＯＦＣはその発電容量の増大化が図られ、たとえば平
板型ＳＯＦＣの場合、その平板状の固体電解質焼結体の
平板面積を大きくすることによって発電容量を増大させ
ることが考えられるが、固体電解質焼結体の平板面積を
大きくするためにはその固体電解質焼結体の材料強度を
高める必要がある。そして材料強度を高めるために単純
に固体電解質焼結体を厚く（０．２〜０．３ｍｍ）し
て、強度的にもたせようとすると、今度は固体電解質焼
結体が薄い場合よりも内部抵抗が増大し、導電率の低下
により発電特性が損なわれるという問題が生じる。
【０００６】そのような状況の中で、前述のスカンジア
安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）は、従来のイットリア安
定化ジルコニア（ＹＳＺ）よりも高い導電率を持っては
いるが、平板型ＳＯＦＣの大面積化に際しては、ハンド
リングや構造強度の問題からＹＳＺと同様ＳｃＳＺの機
械的強度は十分ではなく、これを向上させる必要があ
る。
安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）は、従来のイットリア安
定化ジルコニア（ＹＳＺ）よりも高い導電率を持っては
いるが、平板型ＳＯＦＣの大面積化に際しては、ハンド
リングや構造強度の問題からＹＳＺと同様ＳｃＳＺの機
械的強度は十分ではなく、これを向上させる必要があ
る。
【０００７】そのため、本願出願人は先の出願（特願平
５−１７１２０８号）において、ＳｃＳＺ中にアルミナ
（一般にはα−アルミナ（α−Ａｌ２Ｏ３ ）が使用され
る）を複合化し、分散させてなる固体電解質材料と、こ
の材料を用いることにより機械的強度が高められた固体
電解質焼結体とに関する技術内容を提示した。しかしこ
れには以下の問題点があった。すなわち、α−アルミ
ナの添加にともない、固体電解質焼結体の内部抵抗が著
しく増大するため、導電率が低下して発電性能が損なわ
れる。材料強度が低いため、機械的・熱的疲労破損を
起こしやすく、長期間の使用に耐え得ず、耐久性に劣
る。
５−１７１２０８号）において、ＳｃＳＺ中にアルミナ
（一般にはα−アルミナ（α−Ａｌ２Ｏ３ ）が使用され
る）を複合化し、分散させてなる固体電解質材料と、こ
の材料を用いることにより機械的強度が高められた固体
電解質焼結体とに関する技術内容を提示した。しかしこ
れには以下の問題点があった。すなわち、α−アルミ
ナの添加にともない、固体電解質焼結体の内部抵抗が著
しく増大するため、導電率が低下して発電性能が損なわ
れる。材料強度が低いため、機械的・熱的疲労破損を
起こしやすく、長期間の使用に耐え得ず、耐久性に劣
る。
【０００８】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたものであり、その目的とするところは、高
い導電率を維持しつつγ−アルミナ（γ−Ａｌ ２ Ｏ ３ ）
の添加によりα−アルミナによる複合強化よりもさらに
機械的特性を向上させることが可能な固体電解質材料及
びこれを用いた固体電解質焼結体を提供することにあ
る。これにより、ＳＯＦＣの発電特性はもとより耐久性
能をも向上させ、大容量化への要求に応えんとするもの
である。
めになされたものであり、その目的とするところは、高
い導電率を維持しつつγ−アルミナ（γ−Ａｌ ２ Ｏ ３ ）
の添加によりα−アルミナによる複合強化よりもさらに
機械的特性を向上させることが可能な固体電解質材料及
びこれを用いた固体電解質焼結体を提供することにあ
る。これにより、ＳＯＦＣの発電特性はもとより耐久性
能をも向上させ、大容量化への要求に応えんとするもの
である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るため本発明に係る分散強化型固体電解質材料は、請求
項１に記載のように、ジルコニアにスカンジアを固溶さ
せて結晶構造を安定化させたスカンジア安定化ジルコニ
アをマトリックスとし、これにγ−アルミナを強化材と
して複合化し、分散させてなることを要旨とするもので
ある。この場合、請求項２に記載のように、前記スカン
ジア安定化ジルコニアにはスカンジアが８〜１５モル％
の範囲内で固溶され、前記γ−アルミナは前記スカンジ
ア安定化ジルコニア中に０．１ 〜２０重量％の範囲内
で混合されていることが好ましい。
るため本発明に係る分散強化型固体電解質材料は、請求
項１に記載のように、ジルコニアにスカンジアを固溶さ
せて結晶構造を安定化させたスカンジア安定化ジルコニ
アをマトリックスとし、これにγ−アルミナを強化材と
して複合化し、分散させてなることを要旨とするもので
ある。この場合、請求項２に記載のように、前記スカン
ジア安定化ジルコニアにはスカンジアが８〜１５モル％
の範囲内で固溶され、前記γ−アルミナは前記スカンジ
ア安定化ジルコニア中に０．１ 〜２０重量％の範囲内
で混合されていることが好ましい。
【００１０】上記分散強化型固体電解質材料は、導電率
の高いスカンジア安定化ジルコニアをマトリックスと
し、このスカンジア安定化ジルコニアにアルミナの前駆
体であるγ−アルミナを強化材として複合化し、分散さ
せることにより複合強化した複合材料であるので、この
材料より固体電解質焼結体を形成すれば、導電率が大き
く低下することなく機械的強度が高められた固体電解質
焼結体を得ることが可能となる。そして特にスカンジア
安定化ジルコニア中にγ−アルミナを０．１ 〜２０重
量％の範囲内で混合した場合には、従来のα−アルミナ
を添加したスカンジア安定化ジルコニア複合材料よりな
る固体電解質焼結体の約１．５倍、従来の材料強化され
ていないスカンジア安定化ジルコニア単体よりなる固体
電解質焼結体の約３倍もの高強度化を図ることが可能と
なる。
の高いスカンジア安定化ジルコニアをマトリックスと
し、このスカンジア安定化ジルコニアにアルミナの前駆
体であるγ−アルミナを強化材として複合化し、分散さ
せることにより複合強化した複合材料であるので、この
材料より固体電解質焼結体を形成すれば、導電率が大き
く低下することなく機械的強度が高められた固体電解質
焼結体を得ることが可能となる。そして特にスカンジア
安定化ジルコニア中にγ−アルミナを０．１ 〜２０重
量％の範囲内で混合した場合には、従来のα−アルミナ
を添加したスカンジア安定化ジルコニア複合材料よりな
る固体電解質焼結体の約１．５倍、従来の材料強化され
ていないスカンジア安定化ジルコニア単体よりなる固体
電解質焼結体の約３倍もの高強度化を図ることが可能と
なる。
【００１１】
また、本発明に係る固体電解質焼結体は、
請求項３に記載のように、請求項１又は２に記載の分散
強化型固体電解質材料より形成されてなることを要旨と
するものである。この場合、請求項４に記載のように、
前記固体電解質焼結体は、平板状に形成されていること
が好ましい。
請求項３に記載のように、請求項１又は２に記載の分散
強化型固体電解質材料より形成されてなることを要旨と
するものである。この場合、請求項４に記載のように、
前記固体電解質焼結体は、平板状に形成されていること
が好ましい。
【００１２】
上記固体電解質焼結体は、上述した特徴を
有する分散強化型固体電解質材料より形成されているの
で、従来の固体電解質材料より形成された固体電解質焼
結体に比べて導電率に優れ、かつ、高強度となり、その
分固体電解質焼結体を薄肉化して内部抵抗を減少させる
ことが可能となる。また、従来の固体電解質材料より形
成された固体電解質焼結体と同程度の厚さであったとし
ても、機械的強度に優れることから、構造材としての信
頼性に優れたものとなる。
有する分散強化型固体電解質材料より形成されているの
で、従来の固体電解質材料より形成された固体電解質焼
結体に比べて導電率に優れ、かつ、高強度となり、その
分固体電解質焼結体を薄肉化して内部抵抗を減少させる
ことが可能となる。また、従来の固体電解質材料より形
成された固体電解質焼結体と同程度の厚さであったとし
ても、機械的強度に優れることから、構造材としての信
頼性に優れたものとなる。
【００１３】
特にその形状が平板状とされている場合に
は、従来の固体電解質材料より平板状に形成された固体
電解質焼結体に比較して、板厚を薄くして平板面積を大
きくとることができるので、固体電解質焼結体のハンド
リングや構造強度等に大きな問題を有する、平板型固体
電解質型燃料電池の固体電解質として特に適したものと
なる。
は、従来の固体電解質材料より平板状に形成された固体
電解質焼結体に比較して、板厚を薄くして平板面積を大
きくとることができるので、固体電解質焼結体のハンド
リングや構造強度等に大きな問題を有する、平板型固体
電解質型燃料電池の固体電解質として特に適したものと
なる。
【００１４】
そのため、請求項５に記載のように、この
固体電解質焼結体を固体電解質型燃料電池の固体電解質
として用いた場合には、固体電解質焼結体を薄肉化し、
内部抵抗を減少させることができることから、大容量・
高発電性能を有する固体電解質型燃料電池を得ることが
可能となる。また、固体電解質焼結体の強度を十分に確
保できるので、固体電解質型燃料電池の信頼性も向上
し、機械的・熱的疲労破壊しにくく、長期耐久性に優れ
た固体電解質型燃料電池を得ることが可能となる。
固体電解質焼結体を固体電解質型燃料電池の固体電解質
として用いた場合には、固体電解質焼結体を薄肉化し、
内部抵抗を減少させることができることから、大容量・
高発電性能を有する固体電解質型燃料電池を得ることが
可能となる。また、固体電解質焼結体の強度を十分に確
保できるので、固体電解質型燃料電池の信頼性も向上
し、機械的・熱的疲労破壊しにくく、長期耐久性に優れ
た固体電解質型燃料電池を得ることが可能となる。
【００１５】
【実施例】以下に本発明について各種実験を行なったの
でその結果を詳細に説明する。 （実験方法） 初めに図１に本発明の一実施例に係る分散強化型固体電
解質材料及びこれより形成されてなる固体電解質焼結体
の調製及び作製法について示し、これについて説明す
る。
でその結果を詳細に説明する。 （実験方法） 初めに図１に本発明の一実施例に係る分散強化型固体電
解質材料及びこれより形成されてなる固体電解質焼結体
の調製及び作製法について示し、これについて説明す
る。
【００１６】 １．ＳｃＳＺ原料粉末の調製 ＳｃＳＺ原料粉末は、Ｓｃ２Ｏ３を原子レベルで均一に
混合することを目的として、ゾルゲル法（蟻酸法）、
あるいは含浸法により調製した。はじめに、ゾルゲ
ル法について説明すると、所定量のＳｃ２Ｏ３（９９．
９％ ）を加熱した濃硝酸に溶解させ、蒸留水で希釈し
たのち、所定量のＺｒＯ（ＮＯ３）２・２Ｈ２Ｏ を加
えた。この溶液に蟻酸とポリエチレングリコールを加
え、撹拌しながら加熱固化して前駆体を得た。そして、
得られた前駆体を８００℃で１２時間仮焼して結晶化さ
せ、ＳｃＳＺ原料粉末とした。この段階で大部分のＳｃ
２Ｏ３はＺｒＯ２に固溶している。
混合することを目的として、ゾルゲル法（蟻酸法）、
あるいは含浸法により調製した。はじめに、ゾルゲ
ル法について説明すると、所定量のＳｃ２Ｏ３（９９．
９％ ）を加熱した濃硝酸に溶解させ、蒸留水で希釈し
たのち、所定量のＺｒＯ（ＮＯ３）２・２Ｈ２Ｏ を加
えた。この溶液に蟻酸とポリエチレングリコールを加
え、撹拌しながら加熱固化して前駆体を得た。そして、
得られた前駆体を８００℃で１２時間仮焼して結晶化さ
せ、ＳｃＳＺ原料粉末とした。この段階で大部分のＳｃ
２Ｏ３はＺｒＯ２に固溶している。
【００１７】 次に含浸法について説明すると、所定量
のＳｃ２Ｏ３（９９．９％） を加熱した濃硝酸に溶解
させ、やはり蒸留水で希釈したのち、所定量のＺｒＯ２
（東ソー社製品ジルコニア「ＴＺ−Ｏ」）に加え、ジル
コニアに含浸させる。次にこの溶液を加熱固化してＳｃ
ＳＺ原料粉末とした。
のＳｃ２Ｏ３（９９．９％） を加熱した濃硝酸に溶解
させ、やはり蒸留水で希釈したのち、所定量のＺｒＯ２
（東ソー社製品ジルコニア「ＴＺ−Ｏ」）に加え、ジル
コニアに含浸させる。次にこの溶液を加熱固化してＳｃ
ＳＺ原料粉末とした。
【００１８】 ２．ＳｃＳＺ−Ａｌ２Ｏ３複合材料の調製 アルミナの種類のちがいにより、ＳｃＳＺ−Ａｌ２Ｏ３
複合材料の調製方法を変えた。α−Ａｌ２Ｏ３（ある
いは、γ−Ａｌ２Ｏ３）を添加した複合材料の調製。所
定量のα−Ａｌ２Ｏ３（あるいは、γ−Ａｌ２Ｏ３）を
ＳｃＳＺ原料粉末に加えたのち、ボールミル機で湿式混
合した。湿式混合の溶液には、エチルアルコールを用い
た。次に、この混合液を加熱乾燥して、ＳｃＳＺ−Ａｌ
２Ｏ３複合材料とした。 Ａｌ（Ｏ−ｉｐｒ）３を添加した複合材料の調製 所定量のアルミニウムイソプロポキシド（Ａｌ（Ｏ−ｉ
ｐｒ）３） を濃硝酸に溶解させ、蒸留水で希釈した
後、ＳｃＳＺ原料粉末に加えた。次に、この混合液を撹
拌しながら加熱乾燥し、ＳｃＳＺ−Ａｌ２Ｏ３複合材料
とした。
複合材料の調製方法を変えた。α−Ａｌ２Ｏ３（ある
いは、γ−Ａｌ２Ｏ３）を添加した複合材料の調製。所
定量のα−Ａｌ２Ｏ３（あるいは、γ−Ａｌ２Ｏ３）を
ＳｃＳＺ原料粉末に加えたのち、ボールミル機で湿式混
合した。湿式混合の溶液には、エチルアルコールを用い
た。次に、この混合液を加熱乾燥して、ＳｃＳＺ−Ａｌ
２Ｏ３複合材料とした。 Ａｌ（Ｏ−ｉｐｒ）３を添加した複合材料の調製 所定量のアルミニウムイソプロポキシド（Ａｌ（Ｏ−ｉ
ｐｒ）３） を濃硝酸に溶解させ、蒸留水で希釈した
後、ＳｃＳＺ原料粉末に加えた。次に、この混合液を撹
拌しながら加熱乾燥し、ＳｃＳＺ−Ａｌ２Ｏ３複合材料
とした。
【００１９】 ３．固体電解質焼結体（試験片）の作製 上記１、２で得られた原料粉末を金型で一軸成形した
後、静水圧プレス（ＣＩＰ）２０００ｋｇ／ｃｍ２によ
り成形した。この成形体を１５００〜１７００℃で、５
〜１５時間焼成し、試験片を得た。
後、静水圧プレス（ＣＩＰ）２０００ｋｇ／ｃｍ２によ
り成形した。この成形体を１５００〜１７００℃で、５
〜１５時間焼成し、試験片を得た。
【００２０】 ４．特性評価 導電率 導電率の測定は、直径７ｍｍ，長さ２〜３ｍｍの円板状
固体電解質焼結体の両面に白金電極を焼き付け、交流イ
ンピーダンス法により行った。周波数は１〜１００ｋＨ
ｚの範囲で、Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅ Ｐｌｏｔで得られた
抵抗値と試験片の寸法から試料の導電率を求めた。 曲げ強度 試験片の曲げ強度は、ＪＩＳ Ｒ１６０１−１９８１
「ファインセラミックスの曲げ強さ試験方法」に準じ、
３点曲げ試験により行った。試験片の形状は、３ｍｍ
（Ｂ）×４ｍｍ（Ｗ）×４０ｍｍ（Ｌ）の長方形の角柱
とした。
固体電解質焼結体の両面に白金電極を焼き付け、交流イ
ンピーダンス法により行った。周波数は１〜１００ｋＨ
ｚの範囲で、Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅ Ｐｌｏｔで得られた
抵抗値と試験片の寸法から試料の導電率を求めた。 曲げ強度 試験片の曲げ強度は、ＪＩＳ Ｒ１６０１−１９８１
「ファインセラミックスの曲げ強さ試験方法」に準じ、
３点曲げ試験により行った。試験片の形状は、３ｍｍ
（Ｂ）×４ｍｍ（Ｗ）×４０ｍｍ（Ｌ）の長方形の角柱
とした。
【００２１】 （実験結果） 導電率 図２にアルミナ添加による導電率の変化特性のデータを
示す。用いられたマトリックスは１１モル％ＳｃＳＺで
あり、導電率の測定温度は通常のＳＯＦＣの運転温度で
ある１０００℃とした。横軸にアルミナ添加量（ｗｔ
％）を採り、縦軸に導電率（Ｓ／ｃｍ）を示す。アルミ
ナ添加量は、０〜２０ｗｔ％とした。
示す。用いられたマトリックスは１１モル％ＳｃＳＺで
あり、導電率の測定温度は通常のＳＯＦＣの運転温度で
ある１０００℃とした。横軸にアルミナ添加量（ｗｔ
％）を採り、縦軸に導電率（Ｓ／ｃｍ）を示す。アルミ
ナ添加量は、０〜２０ｗｔ％とした。
【００２２】 この結果α−Ａｌ２Ｏ３を添加したもの、
Ａｌ（Ｏ−ｉｐｒ）３を添加したもの、およびγ−Ａｌ
２Ｏ３を添加したもののいずれもアルミナ添加量を増す
につれて導電率が低下する傾向が見られたが、その中で
α−Ａｌ２Ｏ３を添加したものが最も導電率の低下が著
しく、次いでＡｌ（Ｏ−ｉｐｒ）３を添加したもの、最
も導電率の低下が少ないのがγ−Ａｌ２Ｏ３を添加した
ものであった。
Ａｌ（Ｏ−ｉｐｒ）３を添加したもの、およびγ−Ａｌ
２Ｏ３を添加したもののいずれもアルミナ添加量を増す
につれて導電率が低下する傾向が見られたが、その中で
α−Ａｌ２Ｏ３を添加したものが最も導電率の低下が著
しく、次いでＡｌ（Ｏ−ｉｐｒ）３を添加したもの、最
も導電率の低下が少ないのがγ−Ａｌ２Ｏ３を添加した
ものであった。
【００２３】 さらにそのデータの内容を解析すると、α
−Ａｌ２Ｏ３を添加したものは、アルミナ添加量が１ｗ
ｔ％程度の少ない段階ですでに導電率の低下度合いが大
きく、アルミナ添加量およそ５ｗｔ％程度で導電率が
０．２Ｓ／ｃｍ 以下にまで落ち、十分な発電性能が得
られない状態となった。これに対してＡｌ（Ｏ−ｉｐ
ｒ）３を添加したものは、アルミナ添加量がおよそ１０
ｗｔ％で導電率が０．２Ｓ／ｃｍ以下にまで落ちること
がわかった。
−Ａｌ２Ｏ３を添加したものは、アルミナ添加量が１ｗ
ｔ％程度の少ない段階ですでに導電率の低下度合いが大
きく、アルミナ添加量およそ５ｗｔ％程度で導電率が
０．２Ｓ／ｃｍ 以下にまで落ち、十分な発電性能が得
られない状態となった。これに対してＡｌ（Ｏ−ｉｐ
ｒ）３を添加したものは、アルミナ添加量がおよそ１０
ｗｔ％で導電率が０．２Ｓ／ｃｍ以下にまで落ちること
がわかった。
【００２４】 そしてγ−Ａｌ２Ｏ３を添加したものは、
アルミナ添加量が１ｗｔ％程度の少ない段階では導電率
０．２８Ｓ／ｃｍ 以上の値を示し、またアルミナ添加
量が１０ｗｔ％程度まで増量しても導電率は０．２５Ｓ
／ｃｍ 程度の高い値を維持するものであり、実機運転
でも高い発電性能が得られるものである。
アルミナ添加量が１ｗｔ％程度の少ない段階では導電率
０．２８Ｓ／ｃｍ 以上の値を示し、またアルミナ添加
量が１０ｗｔ％程度まで増量しても導電率は０．２５Ｓ
／ｃｍ 程度の高い値を維持するものであり、実機運転
でも高い発電性能が得られるものである。
【００２５】 曲げ強度 図３にアルミナ添加による曲げ強度の変化特性のデータ
を示す。マトリックスは前述の導電率測定に供したもの
と同じ１１モル％ＳｃＳＺである。横軸にアルミナ添加
量（ｗｔ％）を採り、縦軸に曲げ強度（ＭＰａ）を示
す。
を示す。マトリックスは前述の導電率測定に供したもの
と同じ１１モル％ＳｃＳＺである。横軸にアルミナ添加
量（ｗｔ％）を採り、縦軸に曲げ強度（ＭＰａ）を示
す。
【００２６】 この結果、α−Ａｌ２Ｏ３を添加したも
の、Ａｌ（Ｏ−ｉｐｒ）３を添加したもの、およびγ−
Ａｌ２Ｏ３を添加したもののいずれの場合もアルミナ添
加量の増加とともに曲げ強度が増大することがわかっ
た。その中で特にγ−Ａｌ２Ｏ３を添加したものの曲げ
強度の増加度が最も大きく、次いでＡｌ（Ｏ−ｉｐｒ）
３を添加したものであり、最も曲げ強度の増加度の小さ
かったのがα−Ａｌ２Ｏ３を添加したものであった。
の、Ａｌ（Ｏ−ｉｐｒ）３を添加したもの、およびγ−
Ａｌ２Ｏ３を添加したもののいずれの場合もアルミナ添
加量の増加とともに曲げ強度が増大することがわかっ
た。その中で特にγ−Ａｌ２Ｏ３を添加したものの曲げ
強度の増加度が最も大きく、次いでＡｌ（Ｏ−ｉｐｒ）
３を添加したものであり、最も曲げ強度の増加度の小さ
かったのがα−Ａｌ２Ｏ３を添加したものであった。
【００２７】 さらにそれらのデータの内容をよく解析す
ると、いずれの添加物 （α−Ａｌ２Ｏ３，Ａｌ（Ｏ−
ｉｐｒ）３，γ−Ａｌ２Ｏ３）の場合もアルミナ添加量
が１ｗｔ％程度で急激に曲げ強度が増大し、その中でγ
−Ａｌ２Ｏ３を添加したものが最も高い曲げ強度値を示
すことが明らかとなった。そしてまたアルミナ添加量が
増すにつれていずれの添加物の場合も曲げ強度が徐々に
増加していくが、その中でγ−Ａｌ２Ｏ３を添加したも
のは常に最も高い曲げ強度値を示すものであった。
ると、いずれの添加物 （α−Ａｌ２Ｏ３，Ａｌ（Ｏ−
ｉｐｒ）３，γ−Ａｌ２Ｏ３）の場合もアルミナ添加量
が１ｗｔ％程度で急激に曲げ強度が増大し、その中でγ
−Ａｌ２Ｏ３を添加したものが最も高い曲げ強度値を示
すことが明らかとなった。そしてまたアルミナ添加量が
増すにつれていずれの添加物の場合も曲げ強度が徐々に
増加していくが、その中でγ−Ａｌ２Ｏ３を添加したも
のは常に最も高い曲げ強度値を示すものであった。
【００２８】 ちなみに本発明にかかるＳｃＳＺにγ−Ａ
ｌ２Ｏ３を添加した複合材料よりなる固体電解質焼結体
は、従来のα−Ａｌ２Ｏ３を添加した複合材料よりなる
固体電解質焼結体の約１．５倍 、Ａｌ２Ｏ３による材
料強化がなされていないＳｃＳＺ単体よりなる固体電解
質焼結体の約３倍の強度を持つことが明らかになった。
したがって本発明に係る分散強化型固体電解質材料によ
れば、ＳＯＦＣの固体電解質焼結体の厚さを、α−Ａｌ
２Ｏ３を添加した複合材料よりなる固体電解質焼結体の
約２／３（０.２ｍｍ程度） 、材料強化されていないＳ
ｃＳＺ単体よりなる固体電解質焼結体の約１／３（０．
１ｍｍ程度）にすることができる。
ｌ２Ｏ３を添加した複合材料よりなる固体電解質焼結体
は、従来のα−Ａｌ２Ｏ３を添加した複合材料よりなる
固体電解質焼結体の約１．５倍 、Ａｌ２Ｏ３による材
料強化がなされていないＳｃＳＺ単体よりなる固体電解
質焼結体の約３倍の強度を持つことが明らかになった。
したがって本発明に係る分散強化型固体電解質材料によ
れば、ＳＯＦＣの固体電解質焼結体の厚さを、α−Ａｌ
２Ｏ３を添加した複合材料よりなる固体電解質焼結体の
約２／３（０.２ｍｍ程度） 、材料強化されていないＳ
ｃＳＺ単体よりなる固体電解質焼結体の約１／３（０．
１ｍｍ程度）にすることができる。
【００２９】 そして図２および図３のデータから言える
ことは、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）にγ
−Ａｌ２Ｏ３を添加することによって高い導電率を維持
しつつ、曲げ強度特性も良好な状態が得られるというこ
とである。そして特にγ−Ａｌ２Ｏ３の添加量としては
１ｗｔ％程度ですでに高い曲げ強度値が得られる（図３
より）ものであるから、あえてそれ以上にアルミナ添加
量を増す必要はないと思われる。しかし、実機運転にお
いてより高い機械的特性を要求するならば、アルミナの
添加量として１ｗｔ％以上〜２０ｗｔ％程度まではそれ
程導電率を低下させることなく使用できるものである。
ことは、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）にγ
−Ａｌ２Ｏ３を添加することによって高い導電率を維持
しつつ、曲げ強度特性も良好な状態が得られるというこ
とである。そして特にγ−Ａｌ２Ｏ３の添加量としては
１ｗｔ％程度ですでに高い曲げ強度値が得られる（図３
より）ものであるから、あえてそれ以上にアルミナ添加
量を増す必要はないと思われる。しかし、実機運転にお
いてより高い機械的特性を要求するならば、アルミナの
添加量として１ｗｔ％以上〜２０ｗｔ％程度まではそれ
程導電率を低下させることなく使用できるものである。
【００３０】 以上の結果をまとめると、ＳＯＦＣの固体
電解質焼結体の材料として本発明による分散強化型固体
電解質材料を用いることで以下の効果が期待できる。
固体電解質焼結体をさらに薄くし、内部抵抗を減らすこ
とで、高い発電性能が得られる。固体電解質焼結体の
強度が確保でき、ＳＯＦＣの信頼性が向上する。材料
強度が高いため、機械的・熱的疲労破壊を起こしにく
く、長期間の使用に耐え得るものである。
電解質焼結体の材料として本発明による分散強化型固体
電解質材料を用いることで以下の効果が期待できる。
固体電解質焼結体をさらに薄くし、内部抵抗を減らすこ
とで、高い発電性能が得られる。固体電解質焼結体の
強度が確保でき、ＳＯＦＣの信頼性が向上する。材料
強度が高いため、機械的・熱的疲労破壊を起こしにく
く、長期間の使用に耐え得るものである。
【００３１】 尚、本発明は上記実施例に何ら限定される
ものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の
態様が考えられる。たとえば、ＳｃＳＺ原料粉末の調製
としては、上記実施例ではゾルゲル法や含浸法によるも
のを紹介したが、これは、これらの方法による粉末原料
の調製が最も均一な混合粉末を得ることができ、固体電
解質焼結体における機械的強度の特性に好結果が得られ
るからである。これら以外にも従来一般に行なわれてい
るように、ジルコニア粉末原料とスカンジア粉末原料と
をボールミル等により機械的に混合する方法によるもの
であっても構わない。ＹＳＺにγ−Ａｌ２Ｏ３を添加し
たものも同様の効果が期待できる。
ものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の
態様が考えられる。たとえば、ＳｃＳＺ原料粉末の調製
としては、上記実施例ではゾルゲル法や含浸法によるも
のを紹介したが、これは、これらの方法による粉末原料
の調製が最も均一な混合粉末を得ることができ、固体電
解質焼結体における機械的強度の特性に好結果が得られ
るからである。これら以外にも従来一般に行なわれてい
るように、ジルコニア粉末原料とスカンジア粉末原料と
をボールミル等により機械的に混合する方法によるもの
であっても構わない。ＹＳＺにγ−Ａｌ２Ｏ３を添加し
たものも同様の効果が期待できる。
【００３２】
【発明の効果】以上説明したことから明かなように、本
発明に係る分散強化型固体電解質材料は、導電率の高い
スカンジア安定化ジルコニアをマトリックスとし、この
スカンジア安定化ジルコニアにアルミナの前駆体である
γ−アルミナを強化材として複合化し、分散させること
により複合強化した複合材料であるので、この材料より
なる固体電解質焼結体は、導電率特性に優れ、かつ、機
械的強度にも優れる。
発明に係る分散強化型固体電解質材料は、導電率の高い
スカンジア安定化ジルコニアをマトリックスとし、この
スカンジア安定化ジルコニアにアルミナの前駆体である
γ−アルミナを強化材として複合化し、分散させること
により複合強化した複合材料であるので、この材料より
なる固体電解質焼結体は、導電率特性に優れ、かつ、機
械的強度にも優れる。
【００３３】 そのため、この固体電解質焼結体を固体電
解質型燃料電池の固体電解質として用いた場合には、固
体電解質焼結体を薄肉化し、内部抵抗を減少させること
ができるため、大容量・高発電性能を有する固体電解質
型燃料電池を得ることが可能となる。また、固体電解質
焼結体の強度を十分に確保できるので、固体電解質型燃
料電池の信頼性も向上し、機械的・熱的疲労破壊しにく
く、長期耐久性に優れた固体電解質型燃料電池を得るこ
とが可能となる。したがって 、オンサイト用コージェネ
レーションシステムへの実用化へ大いに寄与することが
可能となる。
解質型燃料電池の固体電解質として用いた場合には、固
体電解質焼結体を薄肉化し、内部抵抗を減少させること
ができるため、大容量・高発電性能を有する固体電解質
型燃料電池を得ることが可能となる。また、固体電解質
焼結体の強度を十分に確保できるので、固体電解質型燃
料電池の信頼性も向上し、機械的・熱的疲労破壊しにく
く、長期耐久性に優れた固体電解質型燃料電池を得るこ
とが可能となる。したがって 、オンサイト用コージェネ
レーションシステムへの実用化へ大いに寄与することが
可能となる。
【図１】本発明の一実施例に係る分散強化型固体電解質
材料及びこれを用いてなる固体電解質焼結体の調製及び
作製法を説明するための工程図である。
材料及びこれを用いてなる固体電解質焼結体の調製及び
作製法を説明するための工程図である。
【図２】本発明の一実施例に係る分散強化型固体電解質
材料よりなる固体電解質焼結体におけるアルミナ添加量
と導電率との関係を説明するための図である。
材料よりなる固体電解質焼結体におけるアルミナ添加量
と導電率との関係を説明するための図である。
【図３】本発明の一実施例に係る分散強化型固体電解質
材料よりなる固体電解質焼結体におけるアルミナ添加量
と曲げ強度との関係を説明するための図である。
材料よりなる固体電解質焼結体におけるアルミナ添加量
と曲げ強度との関係を説明するための図である。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−107462（ＪＰ，Ａ) Ｅ．Ｆ．Ｈａｉｒｅｔｄｉｎｏｖ ｅ ｔａ．，Ｍｅｃｈａｎｏｃｈｅｍｉｃａ ｌ ａｌｌｙ ｉｎ ｃｏｍｐｏｓｉｔ ｅ ｓｏｌｉｄ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔ ｅｓ，Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎ ｃｅ Ｆｏｒｕｍ．88／90，723−728 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/02 H01M 8/10 H01B 1/06
Claims (5)
- 【請求項１】 ジルコニアにスカンジアを固溶させて結
晶構造を安定化させたスカンジア安定化ジルコニアをマ
トリックスとし、これにγ−アルミナを強化材として複
合化し、分散させてなることを特徴とする分散強化型固
体電解質材料。 - 【請求項２】 前記スカンジア安定化ジルコニアにはス
カンジアが８〜１５モル％の範囲内で固溶され、前記γ
−アルミナは前記スカンジア安定化ジルコニア中に０．
１ 〜２０重量％の範囲内で混合されてなることを特徴
とする請求項１に記載の分散強化型固体電解質材料。 - 【請求項３】 請求項１又は２に記載の分散強化型固体
電解質材料より形成されてなることを特徴とする固体電
解質焼結体。 - 【請求項４】 前記固体電解質焼結体は、平板状に形成
されていることを特徴とする請求項３に記載の固体電解
質焼結体。 - 【請求項５】 前記固体電解質焼結体は、固体電解質型
燃料電池の固体電解質として用いられることを特徴とす
る請求項３又は４に記載の固体電解質焼結体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18637194A JP3331056B2 (ja) | 1994-07-14 | 1994-07-14 | 分散強化型固体電解質材料及びこれを用いた固体電解質焼結体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18637194A JP3331056B2 (ja) | 1994-07-14 | 1994-07-14 | 分散強化型固体電解質材料及びこれを用いた固体電解質焼結体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0831433A JPH0831433A (ja) | 1996-02-02 |
| JP3331056B2 true JP3331056B2 (ja) | 2002-10-07 |
Family
ID=16187219
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18637194A Expired - Lifetime JP3331056B2 (ja) | 1994-07-14 | 1994-07-14 | 分散強化型固体電解質材料及びこれを用いた固体電解質焼結体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3331056B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| ID19327A (id) * | 1996-12-31 | 1998-07-02 | Praxiar Technology Inc | Membran elektrolit padat dengan unsur pokok pemertinggi secara mekanik dan pemertinggi secara katalitik yang bersifat dapat menyerap |
| US6165553A (en) * | 1998-08-26 | 2000-12-26 | Praxair Technology, Inc. | Method of fabricating ceramic membranes |
| JP4771579B2 (ja) * | 2000-10-23 | 2011-09-14 | 東邦瓦斯株式会社 | 固体電解質型燃料電池 |
| JP2003068324A (ja) * | 2001-06-15 | 2003-03-07 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 酸素イオン伝導性固体電解質並びにこれを用いた電気化学デバイス及び固体電解質型燃料電池 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3460727B2 (ja) * | 1992-08-12 | 2003-10-27 | 日本電信電話株式会社 | 酸素イオン導伝体及び固体燃料電池 |
-
1994
- 1994-07-14 JP JP18637194A patent/JP3331056B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Ｅ．Ｆ．Ｈａｉｒｅｔｄｉｎｏｖ ｅｔａ．，Ｍｅｃｈａｎｏｃｈｅｍｉｃａｌ ａｌｌｙ ｉｎ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｏｌｉｄ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅｓ，Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｒｕｍ．８８／９０，７２３−７２８ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0831433A (ja) | 1996-02-02 |
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