JP3411064B2 - Method for producing solid electrolyte sintered body for solid oxide fuel cell - Google Patents

Method for producing solid electrolyte sintered body for solid oxide fuel cell

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JP3411064B2
JP3411064B2 JP17121093A JP17121093A JP3411064B2 JP 3411064 B2 JP3411064 B2 JP 3411064B2 JP 17121093 A JP17121093 A JP 17121093A JP 17121093 A JP17121093 A JP 17121093A JP 3411064 B2 JP3411064 B2 JP 3411064B2
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安伸 水谷
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    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明は、固体電解質型燃料電池
に用いられる固体電解質焼結体の製造方法に関するもの
である。 【0002】 【従来の技術】近年、いわゆる固体電解質が各種技術分
野および用途において研究開発されている。固体電解質
を使用する技術分野として例えば、固体電解質型燃料電
池(以下「SOFC」という。)は、従来開発されてき
たリン酸型、溶融炭酸塩型など他の燃料電池に比べて発
電効率が良く、排熱温度も高いため効率的な利用が可能
な発電システムを構築できるということで近年特に注目
を浴びている。 【0003】ところでこのSOFCの形態としては、一
般に図5に示した平板型のものと、図示しないが円筒型
のものとに大きく分類される。また、この図5に示した
平板型のものにおいても、図6(a)に示した外部マニ
ホールドタイプのものと、図6(b)に示した内部マニ
ホールドタイプのものとが代表的なものとして挙げられ
る。 【0004】図5及び図6(a)(b)に示したSOF
Cの構造について簡単に説明すると、燃料ガスが接する
燃料極20aと空気が接する酸素極20bとの間に固体
電解質板30を挟み、燃料極20aの外側および酸素極
20bの外側にそれぞれセパレータ40a、40bを設
けた構造の単セルが多数層にわたって積層状に設けられ
てなる。 【0005】そして、このように構成されたSOFCに
おいては、燃料極に燃料ガス(水素、一酸化炭素等)が
接触し、酸素極には酸化ガス(空気、もしくは酸素)が
接触する。そして、酸素極で生成した酸素イオン(O
2−)が固体電解質中を移動して燃料極に到達し、燃料
極では酸素イオンが水素(H)と反応して電子を放出
する。これにより酸素極と燃料極との間に電位差が発生
し、電気の流れが生ずるものである。 【0006】このSOFCにおいては、用いられる固体
電解質の電気的特性、特に導電率が電池の性能に大きく
影響する。従来この種の固体電解質としては、安定化ジ
ルコニアが用いられてきた。この安定化ジルコニアは、
ジルコニア(ZrO)が高温度(約1150℃付近)
で単斜晶から正方晶へ結晶構造が変化することに伴ない
容積変化が生じることから、この容積変化を防ぐ手段と
してカルシウム(Ca)やイットリウム(Y)などの酸
化物を固溶させて結晶構造の安定化を図ったものであ
る。 【0007】そして、近年ではカルシウムやイットリウ
ムの代わりにスカンジウムの酸化物を固溶させたスカン
ジア安定化ジルコニア(Sc Stabilized Zr
、以下「ScSZ」という。)が、その導電率の高
さ等の特徴から注目を集めるに至っている。かかるSc
SZ固体電解質は、原料であるScとZrO
をボールミル等の物理的手段により混合し、高温で熱処
理し、その後粉砕して得たScSZ粉末を、成形、焼結
して製造するのが普通であった。 【0008】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来方法で得られたScSZ固体電解質の場合、物理的手
段により得られたScSZ粉末を使用していることか
ら、当該粉末におけるScとZrO との混合
及び固溶が充分でなく、組成に不均一があった。このた
め、以下の問題点を有していた。第一に、組成の不均一
のために1700℃以上の高い焼結温度と長い焼成時間
とを要し、製造コストが高かった。 【0009】また、ジルコニアの結晶相を安定化させる
ために配合されるスカンジアの一部が、未反応のまま残
留する場合があった。かかる場合、ジルコニア部分では
スカンジアが不足するため結晶相が完全には安定化され
ず、結晶相変態に伴う体積変化等の問題が排除しきれな
かった。また、ScSZ固体電解質として理想的な立方
晶単相にならず、正方晶や単斜晶との混晶となってしま
い導電率が下がる。さらに、未反応のスカンジア相も固
体電解質中のイオン電導の障害となるため、ScSZ本
来の高い導電率を活かすことができず、結果的に得られ
る固体電解質焼結体の導電率はさほど高くなかった。ま
た、得られた固体電解質焼結体はポーラスで密度が低
く、機械的強度が低かった。 【0010】このため、SOFCへの適用を考えると以
下の不都合があった。SOFCの加熱冷却時に体積変
化が起こるため電池内部に歪が生じる(応力が生じ
る)。体積変化が大きい場合には、応力により電極材
料が剥離する可能性がある。燃料極や酸素極はScSZ
固体電解質板とは材質が異なるからである。導電率が
下がって発電効率が悪くなる。このため、SOFCとし
ての発生電力が稼げない。特に、固体電解質板に燃料
極や酸素極をコーティングしてなる、いわゆる自立膜平
板型のSOFCに使用する場合、固体電解質には機械的
強度も要求されるので、機械的強度が不足する。さらに
これらの他、物理的手段による混合及び粉砕の際に不純
物が混入しやすく、品質管理上の難点となっていた。 【0011】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、混
合が原子レベルで均一であり焼結性に優れ、未反応スカ
ンジア相の残留がなく従って結晶相が単相でその安定性
に優れ、そして高い導電率と高い機械的強度を有し、か
つ不純物の混入がほとんどない緻密な固体電解質焼結体
を提供することにある。これにより例えば、SOFCの
固体電解質としての発電性能を向上し、また加熱冷却時
の材料の体積変化をなくして恒久的使用の達成を図らん
とするものである。 【0012】 【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るため本発明者らは、種々の製法によるスカンジア−ジ
ルコニア系の固体電解質について実験研究を重ねた結
果、ゾルゲル法または共沈法により調製されたスカンジ
ア安定化ジルコニア粉末を主材料とし、このスカンジア
安定化ジルコニア粉末を原料として成形し焼成すること
により緻密で均質な固体電解質焼結体が得られることを
見い出した。 【0013】すなわち、本発明の固体電解質型燃料電池
用固体電解質焼結体の製造方法は、加熱処理後のスカン
ジア安定化ジルコニア中のジルコニアに対するスカンジ
アの固溶量が8〜15%に相当するように、ジルコニウ
ムとスカンジウムとを溶解してなる硝酸塩またはハロゲ
ン化物の混合溶液にゾル化物として蟻酸及びポリエチレ
ングリコールを添加して混合ゾルとし、この混合ゾルを
乾固して混合ゲルとした後、この混合ゲルを加熱処理す
ることによって、ジルコニアに対するスカンジアの固溶
量が8〜15モル%であると共にジルコニアとスカンジ
アとが原子レベルで均一に混合されてなる立方晶単相の
結晶構造を有するスカンジア安定化ジ ルコニアの粉末と
なし、このスカンジア安定化ジルコニア粉末を所定形状
に成形して焼成することを要旨とするものである。【0014】 この固体電解質型燃料電池用固体電解質焼
結体の製造方法によれば、スカンジアの固溶量が8〜1
5モル%の範囲内となるように配合したスカンジウムと
ジルコニウムの粉末を溶解した硝酸塩またはハロゲン化
物からなる混合溶液にゾル化物を添加して混合ゾルを生
成させ、この混合ゾルを乾固させて混合ゲルとしている
ので、この混合ゲルは、それぞれ前駆体状態にあるスカ
ンジアとジルコニアが原子レベルで均一に混合された状
態で得られる。【0015】 そして、この混合ゲルを加熱処理して得ら
れる粉末は、スカンジアとジルコニアが原子レベルで均
質に混合され、かつ、単斜晶や正方晶、未反応のスカン
ジア等が一切含まれない、立方晶単相からなる結晶構造
を有しているので、優れた電気的特性を発現する。ま
た、このスカンジア安定化ジルコニア粉末は、微細で焼
結性に優れた粉末であり、これまでジルコニア粉末の焼
成温度として使用されている1700℃よりも低温度か
つ短時間での焼成が可能となる。【0016】 またここで、混合ゾルを得るために添加す
るゾル化物として蟻酸及びポリエチレングリコールを用
いることによって、ジルコニアとスカンジアとの混合状
態における均一性をより高めることができると共に未反
応のジルコニアが残留しない混合ゾルを得ることができ
る。 【0017】 そして、この粉末を焼成してなる焼結体
は、空隙が少なく緻密で均質な組織を有するので機械的
強度に優れていると共に、導電率に優れていることか
ら、高い発電性能を有し、さらには、高温度におけるジ
ルコニアの相変態による容積変化も生じないので、固体
電解質型燃料電池として長期間に亘って安定した使用が
可能な固体電解質焼結体を提供することができる。【0018】 【実施例】以下に本発明の一実施形態に係る実施例につ
いて詳細に説明する。以下に述べる実施例では、平板型
の固体電解質型燃料電池に供される固体電解質焼結体を
想定して説明することとする。図1は、本発明に係る固
体電解質型燃料電池用固体電解質焼結体の原料粉末であ
るスカンジア安定化ジルコニア(Sc Stabiliz
ed ZrO、以下「ScSZ」という。)粉末の製造
工程を示したものである。図1はゾルゲル法による製造
程を示している。ここでは実施例として図1のゾルゲ
ル法による製造工程およびそれにより得られるScSZ
粉末、このScSZ粉末を原料に用いて板状に形成され
た固体電解質板(以下「ScSZ板」という。)につい
て説明する。【0019】 ゾルゲル法によれば、初めに原材料である
スカンジウム粉末1とジルコニウム粉末2を用意する。
そして、これらの粉末を適当な比率で配合し、硝酸と水
とに加熱しながら溶解して混合溶液3となす。粉末の配
合比率としては、加熱処理後のスカンジア安定化ジルコ
ニアのジルコニアに対するスカンジアの固溶量が8〜1
5モル%に相当するように、スカンジウム粉末とジルコ
ニウム粉末を配合するのがよい。このときの混合溶液3
はスカンジウムとジルコニウムの硝酸塩の混合溶液とな
っている。【0020】 次に、この混合溶液3にゾル化物4を添加
する。ここでゾル化物4として添加するのは、蟻酸とポ
リエチレングリコール(以下「PEG」という。)であ
る。添加量は、蟻酸についてはモル%で前記硝酸の2倍
程度、PEGについては混合溶液全体に対して200m
l/1kg程度がよい。これにより、スカンジアとジル
コニアとの混合ゾル6が得られる。【0021】 次いで、この混合ゾル6を加熱乾固して混
合ゲル8とする。加熱温度は約120℃で、1日乾固す
れば、混合ゲル8が得られる。そして、この混合ゲル8
を700〜800℃で約12時間加熱処理をすると、S
cSZ粉末10を得ることができる。【0022】 かくして得られたScSZ粉末10は、ス
カンジアとジルコニアとが原子レベルで均一性よく混合
して立方晶の単相となっており、正方晶等の他相や未反
応のスカンジア相を含有していない。このことを図2に
示すX線回折測定結果により説明する。図2に示すの
は、前記ゾルゲル法により得られたScSZ粉末10
(スカンジア配合率は8モル%とした)のX線回折パタ
ーンであり、縦軸に回折強度(cps)、横軸に回折角
(2θ)をとっている。図2によれば、ジルコニアの立
方晶に対応する鋭いピークのみが検出されており、他相
が存在しない単相であること及び結晶歪のない良好な結
晶であることが明白に示されている。【0023】 ここで、比較のために従来の物理的混合法
により作製したScSZ粉末(スカンジア配合率は同様
に8モル%とした)のX線回折パターンを図3に示す。
図3では、ジルコニアの立方晶に対応するピーク(図中
cで示す)の他、ジルコニアの正方晶に対応するピーク
(図中tで示す)が検出されており、本実施例のScS
Z粉末10と異なり多相より成り結晶性に劣ることがわ
かる。【0024】 尚、回折角約30゜に見られる最強ピーク
の回折強度が、本実施例の図2では約9000cpsで
あるのに対し、比較例の図3では約2700cpsと小
さい。これは、従来のScSZ粉末では他相が存在して
いる分立方晶の占める体積比率が少ないことに起因する
と考えられ、逆に言えば本実施例のScSZ粉末10の
結晶性の良さを示しているといえる。【0025】 次に、かかる良好な結晶性を有するScS
Z粉末10からScSZ板を製造する工程を説明する。
まず、上記工程で得られたScSZ粉末10は20〜3
0μm程度の粒子径を有しているので、粉砕して粒子径
を2〜3μm程度に整粒してから以下に説明する成形、
焼成に供する。【0026】 図4に、その工程を示している。それによ
れば、初めに整粒済みのScSZ粉末を板厚100〜3
00μmの板(およそ20cm角板)に成形する。この
成形手段としては、この実験例では静水圧プレス機(C
IP)を用いて1t/cmの押圧力により加圧成形し
ている。ただし、この成形手段に限られるものではな
く、従来一般に用いられているドクターブレード法やカ
レンダーロール法により薄板を製作するものであっても
よい。そしてしかる後、この成形板を1500〜170
0℃の温度で焼成する。これによりスカンジア(Sc
)がジルコニア(ZrO)中に8〜15モル%の
範囲で固溶され、かつ、立方晶単相よりなるScSZよ
り板状に形成されたScSZ板が得られる。【0027】 ここで、本実施例ではゾルゲル法により調
製した組成均一性及び結晶性のよいScSZ粉末より焼
成を行っているので粉末の焼結性がよく、1700℃以
下の比較的低い焼成温度で焼結体であるScSZ板を得
ることができるのである。また、焼成時間も従来のもの
より短縮されている。また、得られた焼結体は、空隙の
少ない緻密な組織よりなり、機械的強度にも優れてい
る。【0028】 かくして得られたScSZ板の導電率(S
/cm)を測定し、従来の物理混合法によるScSZ粉
末から得られた固体電解質板の導電率と比較した。その
結果を表1に示す。表1によれば、ゾルゲル法により得
られた本発明に係るScSZ板の導電率は0.38S/
cmであり、従来のScSZ板の導電率0.25S/c
mと比較して5割程度良好な値となっている。【0029】 【表1】 【0030】このように本実施例のScSZ板は、スカ
ンジアとジルコニアとの混合が原子レベルで均一であり
焼結性に優れ、未反応スカンジア相の残留がなく、従っ
て結晶相が単相でその安定性に優れ、そして高い導電率
と高い機械的強度を有し、かつ不純物の混入がほとんど
ない緻密な焼結体となっている。そして、このScSZ
板をSOFCの固体電解質板に適用する際には、その両
面に燃料極と酸素極とを形成すればよい。これらの電極
の形成に当たっては、例えばいわゆるスラリーコーティ
ング法により、これらの極材料のセラミックス粉末を泥
状にしてこのScSZ系固体電解質板の片面と反対側の
面とにそれぞれ塗布し、しかる後所定温度で焼成すれば
よい。【0031】 燃料極の場合には、例えばニッケル(N
i)40重量%−ジルコニア(ZrO)60重量%の
Ni−ジルコニアサーメット材料を50μm程度の厚さ
でこのScSZ系固体電解質板の片面にコーティング
し、1400〜1500℃の温度で焼成する。これによ
りScSZ系固体電解質板の片面に薄膜状の燃料極が形
成されることとなる。【0032】 また酸素極の場合には、例えばランタンス
トロンチウムマンガネイト(La(Sr)MnO)材
料を50μm程度の厚さで固体電解質板の前述の燃料極
とは反対側の面にコーティングし、1150℃前後の温
度で焼成する。これによりScSZ系固体電解質板の反
対側の面に、同じく薄膜状の酸素極が形成されることと
なる。尚、酸素極の材料の配合比率としては、ランタン
マンガネイト95〜85モル%に対し、ストロンチウム
5〜15モル%程度とするのが適当である。かかる固体
電解質型燃料電池(SOFC)では、本発明に係る固体
電解質を使用しているので、SOFCとしての発電性能
に優れ、また加熱冷却時の材料の体積変化も少なく恒久
的使用を図ることができる。【0033】 以上説明したように、ゾルゲル法を用いる
ことによって、結晶性、均一性、緻密性等に優れたSc
SZ粉末を得て、これを成形、焼成することにより、固
体電解質型燃料電池に要求される導電率に優れたScS
Z板を得ることができる。尚、前記実施例ではScSZ
材料におけるスカンジアとジルコニアとのモル比率をス
カンジア8モル%として説明したが、この比率に限られ
るものでないことはいうまでもない。【0034】 また、前記実施例ではいずれも、スカンジ
ウムとジルコニウムとを硝酸に溶解した硝酸塩の混合溶
液から製造することとしたが、硝酸塩以外の出発原料を
用いることとしてもよい。ここで使用可能な出発原料と
しては、硫酸塩やあるいはハロゲン化物等が考えられ
る。【0035】 【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る固体
電解質型燃料電池用固体電解質焼結体及びその製造方法
によれば、緻密で均質、かつ、立方晶単相からなる結晶
構造を有することから、優れた導電率を示す固体電解質
型燃料電池用の固体電解質焼結体を得ることが可能とな
り、この固体電解質型燃料電池用固体電解質焼結体を固
体電解質型燃料電池に使用すれば、発電性能と恒久的使
用との両立が可能となるので、産業上の有益性は極めて
高いものとなる。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a solid electrolyte sintered body used for a solid oxide fuel cell. [0002] In recent years, so-called solid electrolytes have been researched and developed in various technical fields and applications. As a technical field using a solid electrolyte, for example, a solid electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as “SOFC”) has a higher power generation efficiency than other fuel cells such as a phosphoric acid type and a molten carbonate type which have been conventionally developed. In recent years, attention has been paid particularly to the fact that a power generation system that can be efficiently used due to a high exhaust heat temperature can be constructed. The SOFCs are generally classified into a flat type shown in FIG. 5 and a cylindrical type (not shown). Also, in the flat type shown in FIG. 5, the external manifold type shown in FIG. 6A and the internal manifold type shown in FIG. 6B are representative. No. The SOF shown in FIGS. 5 and 6 (a) and (b)
The structure of C will be briefly described. The solid electrolyte plate 30 is sandwiched between a fuel electrode 20a in contact with a fuel gas and an oxygen electrode 20b in contact with air, and separators 40a, 40a outside the fuel electrode 20a and outside the oxygen electrode 20b, respectively. A single cell having a structure provided with 40b is provided in a stacked manner over many layers. [0005] In the SOFC thus configured, a fuel gas (hydrogen, carbon monoxide or the like) contacts the fuel electrode, and an oxidizing gas (air or oxygen) contacts the oxygen electrode. Then, oxygen ions (O 2) generated at the oxygen electrode
2- ) moves through the solid electrolyte and reaches the fuel electrode, where oxygen ions react with hydrogen (H 2 ) to emit electrons. As a result, a potential difference is generated between the oxygen electrode and the fuel electrode, and a flow of electricity is generated. [0006] In this SOFC, the electrical characteristics of the solid electrolyte used, particularly the electrical conductivity, greatly affect the performance of the battery. Conventionally, stabilized zirconia has been used as this type of solid electrolyte. This stabilized zirconia is
High temperature of zirconia (ZrO 2 ) (around 1150 ° C)
As the crystal structure changes from monoclinic to tetragonal, the volume change occurs, and as a means to prevent this volume change, oxides such as calcium (Ca) and yttrium (Y) are dissolved to form crystals. This is to stabilize the structure. In recent years, scandia-stabilized zirconia (Sc 2 O 3 Stabilized Zr) in which a scandium oxide is dissolved in place of calcium or yttrium has been dissolved.
O 2 , hereinafter referred to as “ScSZ”. ) Has attracted attention due to its characteristics such as high conductivity. Such Sc
The SZ solid electrolyte is produced by mixing the raw materials Sc 2 O 3 and ZrO 2 by physical means such as a ball mill, heat-treating at a high temperature, and then pulverizing the obtained ScSZ powder to form and sinter. Was normal. [0008] However, in the case of the ScSZ solid electrolyte obtained by the above-mentioned conventional method, since the ScSZ powder obtained by physical means is used, Sc 2 O in the powder is used. 3 and ZrO 2 were not sufficiently mixed and dissolved, and the composition was uneven. Therefore, it has the following problems. First, a high sintering temperature of 1700 ° C. or more and a long sintering time were required due to non-uniform composition, and the production cost was high. Further, a part of scandia compounded for stabilizing the crystal phase of zirconia sometimes remains unreacted. In such a case, scandia was insufficient in the zirconia portion, so that the crystal phase was not completely stabilized, and problems such as volume change accompanying the crystal phase transformation could not be completely eliminated. In addition, it does not become a cubic single phase which is ideal as a ScSZ solid electrolyte, but becomes a mixed crystal with a tetragonal crystal or a monoclinic crystal, thereby lowering the electrical conductivity. Further, since the unreacted scandia phase also hinders ionic conduction in the solid electrolyte, it cannot utilize the original high conductivity of ScSZ, and the conductivity of the resulting solid electrolyte sintered body is not so high. Was. Further, the obtained solid electrolyte sintered body was porous, had a low density, and had low mechanical strength. For this reason, there are the following disadvantages when considering application to SOFC. Since a volume change occurs during heating and cooling of the SOFC, distortion occurs (stress occurs) inside the battery. If the volume change is large, the electrode material may peel off due to stress. Fuel electrode and oxygen electrode are ScSZ
This is because the material is different from that of the solid electrolyte plate. The electric conductivity decreases and the power generation efficiency deteriorates. For this reason, the power generated by the SOFC cannot be obtained. In particular, when a solid electrolyte plate is coated with a fuel electrode or an oxygen electrode, that is, used in a so-called self-supporting flat plate type SOFC, the solid electrolyte is required to have mechanical strength, so that the mechanical strength is insufficient. Furthermore, in addition to these, impurities are liable to be mixed during mixing and pulverization by physical means, which is a problem in quality control. The present invention has been made in order to solve such problems, and it is an object of the present invention to mix uniformly at the atomic level, have excellent sintering properties, and retain unreacted scandia phase. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a dense solid electrolyte sintered body which has a single crystal phase, has excellent stability, has high electrical conductivity and high mechanical strength, and hardly contains impurities. Thereby, for example, the power generation performance of the solid electrolyte of the SOFC is improved, and the volume change of the material during the heating and cooling is eliminated to achieve the permanent use. In order to achieve the above object, the present inventors have repeated experimental studies on scandia-zirconia-based solid electrolytes by various production methods, and found that the sol-gel method or coprecipitation method was used. It has been found that a dense and homogeneous solid electrolyte sintered body can be obtained by molding and firing the scandia-stabilized zirconia powder as a main material using this scandia-stabilized zirconia powder as a raw material. That is, the method for producing a solid electrolyte sintered body for a solid oxide fuel cell according to the present invention comprises the steps of:
Scange for zirconia in dia-stabilized zirconia
Zirconium so that the solid solution amount of
Nitrate or halide obtained by dissolving
Formic acid and polyethylene as sols in a mixed solution of
Glycol to form a mixed sol.
After drying to form a mixed gel, heat the mixed gel.
By dissolving Scandia in zirconia
Zirconia and scandi with an amount of 8 to 15 mol%
And a cubic single-phase
A powder of scandia-stabilized di- zirconia having a crystal structure
None, this scandia stabilized zirconia powder has the prescribed shape
The main point is to mold and bake it . According to the manufacturing method of the solid electrolyte fuel cell for a solid electrolyte sintered body, solid solution amount of scandia is 8-1
A sol is added to a mixed solution of a nitrate or a halide in which a powder of scandium and zirconium dissolved in a range of 5 mol% is mixed to form a mixed sol, and the mixed sol is dried and mixed. Since the gel is used, this mixed gel is obtained in a state where scandia and zirconia in the respective precursor states are uniformly mixed at the atomic level. The powder obtained by subjecting the mixed gel to heat treatment is such that scandia and zirconia are homogeneously mixed at the atomic level and do not contain any monoclinic crystal, tetragonal crystal, unreacted scandia, etc. Since it has a crystal structure composed of a cubic single phase, it exhibits excellent electrical characteristics. The scandia-stabilized zirconia powder is fine and excellent in sinterability, and can be fired at a temperature lower than 1700 ° C., which has been used as a firing temperature of zirconia powder, in a short time. . [0016] Here, it is added in order to obtain a mixed sol
Formic acid and polyethylene glycol used as sol
Is a mixture of zirconia and scandia
Quality can be further improved and
A mixed sol without residual zirconia can be obtained.
You. The sintered body obtained by firing this powder has a dense and homogeneous structure with a small number of voids, and thus has excellent mechanical strength and excellent electrical conductivity. Further, since there is no change in volume due to phase transformation of zirconia at high temperature, a solid electrolyte sintered body that can be used stably for a long time as a solid oxide fuel cell can be provided. [0018] EXAMPLES below examples according to an embodiment of the present invention will be described in detail. In the embodiments described below, a description will be made assuming a solid electrolyte sintered body to be used in a flat solid electrolyte fuel cell. FIG. 1 shows scandia-stabilized zirconia (Sc 2 O 3 Stabiliz) which is a raw material powder of a solid electrolyte sintered body for a solid oxide fuel cell according to the present invention.
ed ZrO 2 , hereinafter referred to as “ScSZ”. 1) shows the steps for producing the powder. Figure 1 shows a higher production <br/> Engineering by a sol-gel method. Here, as an example, the manufacturing process by the sol-gel method of FIG. 1 and the ScSZ obtained by it
A powder and a solid electrolyte plate (hereinafter, referred to as “ScSZ plate”) formed in a plate shape using the ScSZ powder as a raw material will be described. According to the sol-gel method, it is prepared scandium powder 1 and the zirconium powder 2 as a raw material initially.
Then, these powders are blended at an appropriate ratio and dissolved in nitric acid and water while heating to form a mixed solution 3. As the compounding ratio of the powder, the scandia-stabilized zirconia after the heat treatment has a solid solution amount of scandia to zirconia of 8 to 1%.
Scandium powder and zirconium powder are preferably blended so as to correspond to 5 mol%. Mixed solution 3 at this time
Is a mixed solution of scandium and zirconium nitrate. Next, the addition of the sol product 4 in the mixed solution 3. Here, formic acid and polyethylene glycol (hereinafter referred to as “PEG”) are added as the sol 4. The addition amount is about twice as much as the above nitric acid in mol% for formic acid, and 200 m
About 1/1 kg is good. Thereby, a mixed sol 6 of scandia and zirconia is obtained. [0021] Then, the mixed sol 6 and the heating to dryness to mixed gel 8. The heating temperature is about 120 ° C., and the mixture is dried for one day to obtain a mixed gel 8. And this mixed gel 8
Is heated at 700 to 800 ° C. for about 12 hours,
The cSZ powder 10 can be obtained. The ScSZ powder 10 thus obtained is a cubic single phase obtained by mixing scandia and zirconia at an atomic level with good uniformity, and contains other phases such as tetragonal and unreacted scandia phase. I haven't. This will be described with reference to the results of X-ray diffraction measurement shown in FIG. FIG. 2 shows the ScSZ powder 10 obtained by the sol-gel method.
FIG. 5 is an X-ray diffraction pattern (with a scandia blending ratio of 8 mol%), in which the vertical axis represents diffraction intensity (cps) and the horizontal axis represents diffraction angle (2θ). According to FIG. 2, only a sharp peak corresponding to a cubic crystal of zirconia is detected, and it is clearly shown that the crystal is a single phase having no other phase and a good crystal without crystal distortion. . [0023] Here, the X-ray diffraction pattern of ScSZ powder produced by conventional physical mixing method (scandia content rate was 8 mol% similarly) for comparison in Fig.
In FIG. 3, in addition to the peak corresponding to the cubic crystal of zirconia (indicated by c in the figure), the peak corresponding to the tetragonal zirconia (indicated by t in the figure) is detected.
It can be seen that, unlike Z powder 10, it is composed of multiple phases and has poor crystallinity. [0024] Incidentally, the diffraction intensity of the strongest peak seen at about 30 ° diffraction angle, while about 9000cps in Figure 2 of the present embodiment, as small as in FIG. 3 about 2700cps comparative example. This is considered to be due to the fact that the conventional ScSZ powder has a small volume ratio occupied by the cubic crystals in which other phases are present, and conversely, shows the good crystallinity of the ScSZ powder 10 of the present embodiment. It can be said that there is. Next, ScS having such good crystallinity
A process of manufacturing a ScSZ plate from the Z powder 10 will be described.
First, the ScSZ powder 10 obtained in the above process is 20 to 3
Since it has a particle diameter of about 0 μm, after pulverizing and adjusting the particle diameter to about 2 to 3 μm,
Provide for firing. FIG . 4 shows the process. According to this, first, the sized SiSZ powder is added to a sheet thickness of 100 to 3 mm.
Form into a 00 μm plate (approximately 20 cm square plate). In this experimental example, a hydrostatic pressing machine (C
Pressure molding is performed using IP) with a pressing force of 1 t / cm 2 . However, the present invention is not limited to this forming means, and a thin plate may be manufactured by a doctor blade method or a calender roll method generally used conventionally. Then, after a while, this formed plate is put into a range of 1500 to 170
Bake at a temperature of 0 ° C. As a result, scandia (Sc 2
O 3) is dissolved in the range of 8 to 15 mol% in zirconia (ZrO 2), and, ScSZ plate formed in a plate shape from ScSZ consisting cubic Akiratansho is obtained. [0027] In this case, since in this embodiment and fired from compositional uniformity and good crystallinity ScSZ powder was prepared by a sol-gel method may sinterability of the powder, 1700 ° C. or less of the relatively low firing temperature It is possible to obtain a ScSZ plate as a sintered body. Also, the firing time is shorter than that of the conventional one. Further, the obtained sintered body has a dense structure with few voids and has excellent mechanical strength. The thus obtained ScSZ plate conductivity of (S
/ Cm) was measured and compared with the conductivity of a solid electrolyte plate obtained from ScSZ powder by a conventional physical mixing method. Table 1 shows the results. According to Table 1, the conductivity of the ScSZ plate according to the present invention obtained by the sol-gel method is 0.38 S /
cm, the conductivity of the conventional ScSZ plate is 0.25 S / c.
The value is about 50% better than m. [ Table 1] [0030] As ScSZ plate of the present embodiment thus, a uniform mixing of scandia and zirconia in an atomic level good sinterability, no residual unreacted scandia phase, thus crystalline phase in a single phase It is a dense sintered body that is excellent in stability, has high electrical conductivity and high mechanical strength, and hardly contains impurities. And this ScSZ
When the plate is applied to a solid electrolyte plate of an SOFC, a fuel electrode and an oxygen electrode may be formed on both surfaces thereof. In forming these electrodes, ceramic powder of these electrode materials is formed into a mud-like form by, for example, a so-called slurry coating method, and applied to one surface and the opposite surface of the ScSZ-based solid electrolyte plate, and then a predetermined temperature is applied. Should be fired. In the case of a fuel electrode, for example, nickel (N
i) 40% by weight of zirconia (ZrO 2 ) 60% by weight of a Ni-zirconia cermet material is coated on one surface of the ScSZ-based solid electrolyte plate at a thickness of about 50 μm, and fired at a temperature of 1400 to 1500 ° C. Thus, a thin-film fuel electrode is formed on one surface of the ScSZ-based solid electrolyte plate. In the case of an oxygen electrode, for example, a lanthanum strontium manganate (La (Sr) MnO 3 ) material is coated to a thickness of about 50 μm on the surface of the solid electrolyte plate opposite to the fuel electrode, It is fired at a temperature around 1150 ° C. Thus, a thin-film oxygen electrode is formed on the opposite surface of the ScSZ-based solid electrolyte plate. It is appropriate that the mixing ratio of the material of the oxygen electrode is about 5 to 15 mol% of strontium with respect to 95 to 85 mol% of lanthanum manganate. In such a solid oxide fuel cell (SOFC), since the solid electrolyte according to the present invention is used, it is excellent in power generation performance as an SOFC, and has a small volume change of a material during heating and cooling, and can be used permanently. it can. As described above, the sol-gel method is used.
As a result , Sc having excellent crystallinity, uniformity, denseness, etc.
By obtaining SZ powder, molding and firing it, ScS having excellent conductivity required for a solid oxide fuel cell is obtained.
A Z plate can be obtained. In the above embodiment , ScSZ
Although the molar ratio between scandia and zirconia in the material has been described as being 8 mol% for scandia, it is needless to say that the ratio is not limited to this ratio. Further, both the front you施例, it is assumed that prepared from a mixed solution of nitrate prepared by dissolving scandium and zirconium nitrate, it is also possible to use a starting material other than nitrates. As the starting materials usable here, sulfates and / or halides can be considered. As described above, according to the solid electrolyte sintered body for a solid oxide fuel cell and the method for producing the same according to the present invention, a dense, homogeneous, cubic single-phase crystal is provided. Due to having the structure, it is possible to obtain a solid electrolyte sintered body for a solid electrolyte fuel cell exhibiting excellent electrical conductivity, and this solid electrolyte sintered body for a solid electrolyte fuel cell is converted into a solid electrolyte fuel cell. If used, it is possible to achieve both power generation performance and permanent use, so that the industrial benefit is extremely high.

【図面の簡単な説明】 【図1】ルゲル法を用いた本発明に係る固体電解質型
燃料電池用固体電解質焼結体の製造方法におけるScS
Z粉末の製造工程を示した図である。 【図2】ゾルゲル法によるScSZ粉末のX線回折デー
タを示した図である。 【図3】従来の製造方法によるScSZ粉末のX線回折
データを示した図である。 【図4】本発明の一実施形態に係る固体電解質型燃料電
池用の固体電解質板を製造する製造工程を示した図であ
る。 【図5】従来一般に知られる平板型の固体電解質型燃料
電池(SOFC)の単セル構造の一例を示した図であ
る。 【図6】(a)は図5に示した平板型燃料電池における
外部マニホールドタイプのもの、(b)は同じく内部マ
ニホールドタイプのものの概略構成を示した図である。
ScS in the production method of the BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS [Figure 1] according to the present invention using a zone Rugeru method solid oxide fuel cell solid electrolyte sintered body
Is a diagram that shows the manufacturing process of the Z powder. FIG. 2 is a view showing X-ray diffraction data of ScSZ powder by a sol-gel method. FIG. 3 is a view showing X-ray diffraction data of ScSZ powder according to a conventional manufacturing method. FIG. 4 is a view showing a manufacturing process for manufacturing a solid electrolyte plate for a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention. FIG. 5 is a diagram showing an example of a single-cell structure of a conventionally known plate-type solid oxide fuel cell (SOFC). 6 (a) is a diagram showing a schematic configuration of an external manifold type in the flat fuel cell shown in FIG. 5, and FIG. 6 (b) is a diagram showing a schematic configuration of an internal manifold type of the flat fuel cell.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−215259(JP,A) 特開 平5−33179(JP,A) 特開 昭60−255622(JP,A) 特開 平3−199163(JP,A) 特開 平4−317414(JP,A) НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МА ТЕРИАЛЫ,ТОМ23,No.4 (1987),p.590〜593 金属,,第52巻,第7号(1982), p.24〜26 JOURNAL OF MATERI ALS SCIENCE LETTER S,Vol.8(1989),p.198〜200 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 8/02 C04B 35/48 H01M 8/12 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-4-215259 (JP, A) JP-A-5-33179 (JP, A) JP-A-60-255622 (JP, A) JP-A-3-255 199163 (JP, A) JP-A-4-317414 (JP, A) {}, {23, No. 4 (1987), p. 590-593 Metal, Vol. 52, No. 7 (1982), p. 24 to 26 JOURNAL OF MATERIAL ALS SCIENCE LETTER S, Vol. 8 (1989), p. 198-200 (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) H01M 8/02 C04B 35/48 H01M 8/12

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 加熱処理後のスカンジア安定化ジルコニ
ア中のジルコニアに対するスカンジアの固溶量が8〜1
5%に相当するように、ジルコニウムとスカンジウムと
を溶解してなる硝酸塩またはハロゲン化物の混合溶液に
ゾル化物として蟻酸及びポリエチレングリコールを添加
して混合ゾルとし、この混合ゾルを乾固して混合ゲルと
した後、この混合ゲルを加熱処理することによって、
ルコニアに対するスカンジアの固溶量が8〜15モル%
であると共にジルコニアとスカンジアとが原子レベルで
均一に混合されてなる立方晶単相の結晶構造を有する
カンジア安定化ジルコニアの粉末となし、このスカンジ
ア安定化ジルコニア粉末を所定形状に成形して焼成する
ことを特徴とする固体電解質型燃料電池用固体電解質焼
結体の製造方法。
(57) [Claims 1] The amount of scandia dissolved in zirconia in the scandia-stabilized zirconia after heat treatment is 8 to 1.
To a mixed solution of nitrate or halide obtained by dissolving zirconium and scandium so as to correspond to 5%
Added formic acid and polyethylene glycol as sol
To a mixed sol, then the mixed sol was mixed gel dryness by heating the gel mixture, di
8-15 mol% of scandia dissolved in luconia
And at the atomic level zirconia and scandia
A solid having a cubic single-phase crystal structure uniformly mixed and formed into a powder of scandia-stabilized zirconia; and forming the scandia-stabilized zirconia powder into a predetermined shape and firing. A method for producing a solid electrolyte sintered body for an electrolyte fuel cell.
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