JP3620800B2 - Method for producing solid electrolyte sintered body - Google Patents

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Description

【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などとして好適な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材料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。
その中で例えば、固体電解質型燃料電池(以下「SOFC」という。)は、それまでに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6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6に示した平板型のものにおいても、図7(a)に示した外部マニホールドタイプのものと、図7(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6及び図7(a)(b)に示したSOFC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10と空気が接する酸素極20との間に固体電解質板30を挟み、燃料極10の外側および酸素極20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)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(O2−)が固体電解質内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。これにより電気が作り出され、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材料の電気的特性、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材料としては、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)で単斜晶形から正方晶形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。現在ではイットリア安定化ジルコニア(Y Stabilized ZrO、以下「YSZ」という。)が最も多く使用されている。また、電気的特性は劣るものの高強度材料である正方晶ジルコニア多結晶体TZP(Tetragonal ZrO Policrystalline)が用いられる例もある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、YSZ単体の固体電解質材料は、導電率特性には優れるものの、このYSZ単体の固体電解質材料より平板状に形成した固体電解質焼結体を用いてSOFCを提供しようとした場合には、固体電解質焼結体の板厚を0.2〜0.3mmと厚くせざるを得ず、これにより内部抵抗が増大して電力密度が低下し(0.5W/cm程度)、高い発電効率、発電性能を備えた固体電解質型燃料電池が得られないといった問題があった。
【0008】
一方本発明者らは、上記YSZ固体電解質材料に代わるものとして、これよりも導電率特性に優れたスカンジア安定化ジルコニア(Sc Stabilized ZrO、以下「ScSZ」という。)単体の固体電解質材料を先に開発し、既に出願している。そしてこのScSZ固体電解質材料中のスカンジアの固溶量としては、8モル%〜15モル%の範囲で最も導電率特性が優れていることがわかった。
【0009】
しかしながら、このScSZ固体電解質材料は、YSZ固体電解質材料と比較して、高い導電率を持ち、SOFCの固体電解質材料として優れた電気的特性を持っているが、スカンジアの固溶量を8モル%程度とした場合、長期間高温で保持すると導電率が低下するといった問題があった。そこでこれを解決するため、スカンジアの固溶量を8モル%より若干多くし、10〜15モル%とすることが有効であるが、スカンジアの固溶量が11モル%以上の場合には、立方晶相(C相)のジルコニア以外に、ジルコニアとスカンジアの化合物である菱面体晶相(R相)が析出する。この菱面体晶相は立方晶相よりも導電率が低く、また加熱時650℃近辺で菱面体晶相から立方晶相へ相変態するため、菱面体晶相が多くなると大きな体積変化を生じるといった問題があった。
【0010】
そのため、このようなScSZ固体電解質材料より固体電解質焼結体を形成し、SOFCの固体電解質として適用した場合には、長期に渡って導電率を安定に保つことができないため、内部抵抗が増大して発電性能の劣化が生じたり、固体電解質型燃料電池の加熱冷却時における体積膨張によって電池内部に歪みや熱応力が発生したり、体積膨張が大きな場合には、電極材料が剥離してしまうといった問題が生じていた。
【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、長期に渡って高い導電率を保ちつつ、相変態を生じることがなく、その結晶相が立方晶相に安定化された固体電解質焼結体を製造する製造方法を提供することにある。これにより例えば、固体電解質型燃料電池(SOFC)の発電性能の劣化を抑制し、また加熱冷却時における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】
本発明に係る固体電解質焼結体の製造方法は、請求項1に記載のように、 Sc/ZrOのモル比が11/89〜15/85の範囲内でジルコニアにスカンジアが固溶されたスカンジア安定化ジルコニア粉末に、0.35重量%の範囲内でアルミナ粉末を混合し、得られた混合粉末を成形、焼成し、その結晶相立方晶相に安定化さることを要旨とするものである。
【0013】
上記製造方法によれば、Sc /ZrO のモル比が11/89〜15/85の範囲内でジルコニアにスカンジアが固溶されたスカンジア安定化ジルコニア中に、0.3〜5重量%の範囲内でアルミナが混合、分散され、かつ、その結晶相が立方晶相に安定化されてなる固体電解質焼結体が得られる。
【0014】
得られた固体電解質焼結体は、長期に渡って高い導電率を保ちつつ、相変態を生じることがほとんどいので、導電率が低下して固体電解質焼結体の内部抵抗が増大してしまうといったことがなく、また、加熱冷却時の体積変化による歪みや熱応力が発生することもない。
【0015】
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、電池当たりの出力低下、発電効率の低下を招くことがなく、長期間安定して良好な発電効率が得られる固体電解質型燃料電池を得ることが可能となり、これにより、電池の恒久的使用が可能となる。また、電池使用時における加熱冷却時に体積膨張して、電池内部に歪みが生じるといった問題や、固体電解質焼結体に形成された電極材料が剥離するといった問題を回避することが可能となり、構造材としての信頼性にも優れたものとなる。
【0016】
この際、前記スカンジア安定化ジルコニア粉末は、請求項2に記載のように、固相法、ゾルゲル法または共沈法を用いて製造されたものであることが好ましい。
【0017】
【実施例】
以下に本発明の一実施例に係る固体電解質焼結体の製造方法について詳細に説明する。尚、以下に述べる実施例では、固体電解質型燃料電池(SOFC)に供される固体電解質焼結体を想定して説明している。また、以下に説明する図中においては、便宜上、重量%をWt%と表記してある。
図1は、本発明の一実施例に係る平板状に形成され固体電解質板の製造工程を示したものである。それによれば、初めに主材料であるジルコニア(ZrO )の粉末粒子と安定化材料であるスカンジア(Sc)の粉末粒子とを適当な配合比率で混合する。ここではボールミル等により機械的に混合している。この混合粉末の平均粒径は3μm程度である。ジルコニアとスカンジアの混合粉末を調製する方法として、ゾルゲル法や共沈法などの液相製造プロセスを適用すれば、不純物が少なく、均一な混合粉末を得ることができる。ジルコニアとスカンジアの配合比率については、ジルコニア92〜85モル%、スカンジア8〜15モル%の範囲で適宜選択している。
【0018】
そしてこのジルコニアとスカンジアの混合粉末を高温(600〜700℃)で熱処理してスカンジアがジルコニア中に固溶化したスカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)を得、しかる後粉砕することにより調製されたスカンジア安定化ジルコニア粉末が得られる。
次にこのスカンジア安定化ジルコニア粉末に結晶相安定化材としてアルミナ(Al)の粉末を適当な配合比率で混合する。アルミナの配合比率としては、スカンジア安定化ジルコニア粉末に対し0.35重量%の範囲が適当である。
【0019】
このようにしてスカンジア安定化ジルコニア粉末とアルミナ粉末との混合粉末が得られたら、次にこの混合粉末を板厚100〜300μmの板(およそ20cm角板)に成形する。この成形手段としては、この実施例では静水圧プレス機(CIP)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1500〜1700℃の温度で焼成する。これによりSc/ZrOのモル比が8/92〜15/85の範囲内でジルコニアにスカンジアが固溶されたスカンジア安定化ジルコニア中に、0.35重量%の範囲内でアルミナが混合、分散され、かつ、結晶相が立方晶相(C相)に安定化されてなる固体電解質板が得られる。
【0020】
次にこの固体電解質板(以下「ScSZA固体電解質板」という。)に燃料極あるいは酸素極を形成するに当たっては、これらの極材料のセラミックス粉末を泥状にしていわゆるスラリーコーティング法によりこのScSZA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る。
燃料極の場合には、例えばニッケル(Ni)40重量%−ジルコニア(ZrO )60重量%のニッケル−ジルコニアサーメットを50μm程度の厚さでこのScSZA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ScSZA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。
【0021】
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 )を50μm程度の厚さでScSZA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ScSZA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。
次にこのようにして製作されたSOFCのScSZA固体電解質板について種々の実験を行なったのでこれらについて説明する。
【0022】
初めに、図2は、スカンジア安定化ジルコニア中に混合、分散されるアルミナ(Al)量を変化させた各ScSZA固体電解質板の導電率特性に対する温度依存性を調べた結果を示したものである。この実験では、スカンジア安定化ジルコニアにおけるスカンジアの固溶量は12モル%とし、これにアルミナを0,0.3,0.7,3,5,10,20各重量%配合したものを供試している。
尚、図面中、横軸に温度変数1000/T[1/K](K:絶対温度)を示し、縦軸に導電率変数log σ[S/cm]を示している。
【0023】
その結果、いずれの供試材料も温度変数1000/T[1/K]が高くなるにつれて、導電率特性が低下してくるが、スカンジア安定化ジルコニア中にアルミナが全く配合されないもの(12Sc0A)は特に温度変数が1.1 以上(およそ650K以上)の温度で導電率特性の低下が目立つ傾向にあることが分かる。そしてアルミナが微量でも配合されたもの(12Sc0.3A)と、それよりもアルミナが多く配合されたもの(〜12Sc20A)とを比較した場合、ほとんど導電率特性に有意差が認められないことが分かる。
【0024】
次に、図3は、本製造方法により得られたScSZA固体電解質板における、スカンジア安定化ジルコニア中に混合、分散されるアルミナ(Al)量と導電率(870℃及び1000℃における)との関係を示したものである。
この際、スカンジア安定化ジルコニアとしては12モル%Sc−88モル%ZrO のものを用い、これにアルミナを0重量%〜20重量%の範囲で混合、分散させている。尚、図面中、横軸にAl量[重量%]を示し、縦軸に導電率σ[S/cm]を示している。
【0025】
その結果、870℃及び1000℃のいずれの温度環境においてもこのScSZA固体電解質板の導電率は、アルミナを全く混合、分散させない状態で最も高く、アルミナ量を増していくにつれて低下していくことが分かる。但し、アルミナ量が20重量%程度までは導電率の値として使用に耐え得るものである。
次に、図4は、本製造方法により得られたScSZA固体電解質板のX線解析データを示したものである。ここでは、スカンジア安定化ジルコニアとして、12モル%Sc−88モル%ZrO のものを用い、これにアルミナを0,0.3,3,5各重量%配合したものを供試している。尚、図4においては、横軸に2θ=20〜90°の範囲で縦軸に強度を表わしている。
【0026】
この結果、アルミナが全く配合されない従来のスカンジア安定化ジルコニア単体の固体電解質材料(12Sc0A)はその結晶相が菱面体晶相(R相)で満たされていることが分かる。しかしながら、アルミナ(Al)が配合されたものにおいてはいずれも(12Sc0.3A ,12Sc3A,12Sc5Aのいずれも)、立方晶相(C相)で満たされていることが分かる。したがってこの試験データよりスカンジア安定化ジルコニア中にアルミナを0.3 〜5重量%の範囲で少量分散配合させることにより結晶相は菱面体晶相よりも導電率の高い立方晶相で満たされ、しかも加熱時の菱面体晶相から立方晶相への相変態も起こりえないので加熱膨張による体積変化が少ないと言える。
【0027】
次に、図5は、本製造方法により得られたScSZA固体電解質板における、1000℃でのエージング後の導電率変化特性を示したものである。この実験においても、スカンジア安定化ジルコニアとして、12モル%Sc−88モル%ZrO のものを用い、これにアルミナを0,0.3,0.7,3,5,10,20各重量%配合したものを供試している。
尚、図面中、横軸にエージング時間[hr]を示し、縦軸に導電率[S/cm]を示している。エージング時間は、0〜1600時間までプロットした。
【0028】
その結果、ScSZA固体電解質板において、アルミナ量が多いもの程導電率が低い値を示すことが分かる。そしてアルミナ量が0〜5重量%の範囲では導電率特性値として使用に耐え得るものであるが、アルミナ量が20重量%以上となると導電率特性値として使用に耐え得ないものであると言える。尚、エージング時間が長い短かいによる導電率の変動はほとんど認められないことが分かる。
【0029】
以上の各種実験データよりScSZA固体電解質板におけるアルミナ量としては、導電率特性の観点からは出来るだけ配合されない方が良いが、結晶相安定化の観点からは少量分散配合させた方が良い。そして結晶相安定化の観点からは、0.3 〜5重量%の範囲で少量分散配合させれば足り、その程度のアルミナ量ではそれ程導電率特性の低下も招かないと言える。
【0030】
【発明の効果】
以上各種実施例に示したように、本発明に係る固体電解質焼結体の製造方法によれば、長期に渡って高い導電率を保ちつつ、相変態を生じることがなく、結晶相が立方晶相(C相)に安定化された固体電解質焼結体を得ることが可能となり、また、これを固体電解質型燃料電池(SOFC)の固体電解質として用いれば、SOFCの発電性能の劣化を抑制し、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ることが可能となる等といった多くの効果を奏し、産業上の有益性は極めて高いものと言える。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る平板状に形成され固体電解質板の製造工程を示した図である。
【図2】スカンジア安定化ジルコニア中に混合、分散されるアルミナ(Al)量を変化させた各ScSZA固体電解質板の導電率特性に対する温度依存性のデータを示した図である。
【図3】本製造方法により得られたScSZA固体電解質板における、スカンジア安定化ジルコニア中に混合、分散されるアルミナ(Al)量と導電率との関係を示した図である。
【図4】本製造方法により得られたScSZA固体電解質のX線解析データを示した図である。
【図5】本製造方法により得られたScSZA固体電解質板における、1000℃でのエージング後の導電率変化特性データを示した図である。
【図6】本製造方法により得られる固体電解質焼結体が適用される、従来一般に知られる平板型のSOFCの単セル構造の一例を示した図である。
【図7】(a)は図6に示した平板型SOFC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。
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a manufacturing method of the preferred solid-solid electrolyte sintered body as etc. solid electrolyte used in the solid oxide fuel cell.
[0002]
[Prior art]
In recent years, so-called solid electrolyte materials have been researched and developed in various technical fields and applications.
Among them, for example, solid oxide fuel cells (hereinafter referred to as “SOFC”) have higher power generation efficiency and exhaust heat than other fuel cells such as phosphoric acid type and molten carbonate type that have been developed so far. In recent years, it has attracted particular attention for its ability to build a power generation system that can be used efficiently due to its high temperature.
[0003]
By the way, the SOFC modes are generally classified into a flat plate type shown in FIG. 6 and a cylindrical type (not shown). In the flat plate type shown in FIG. 6, the external manifold type shown in FIG. 7A and the internal manifold type shown in FIG. It is done.
[0004]
The SOFC structure shown in FIG. 6 and FIGS. 7A and 7B will be briefly described. A solid electrolyte plate 30 is sandwiched between a fuel electrode 10 in contact with fuel gas and an oxygen electrode 20 in contact with air. A single cell having a structure in which separators 40a and 40b are respectively provided on the outer side of 10 and the outer side of the oxygen electrode 20 is provided in a laminated manner over a plurality of layers.
[0005]
In the SOFC configured as described above, the fuel gas (hydrogen or carbon monoxide) is in contact with the fuel electrode, and the oxidizing gas (air or oxygen) is in contact with the oxygen electrode. Then, oxygen ions (O 2− ) generated at the oxygen electrode move through the solid electrolyte and reach the fuel electrode, where the oxygen ions react with hydrogen (H 2 ) to release electrons. As a result, electricity is generated and electricity flows.
[0006]
In this SOFC, the electrical characteristics of the solid electrolyte material used, particularly the electrical conductivity, greatly affects the performance of the battery. Conventionally, stabilized zirconia has been used as this type of solid electrolyte material. This stabilized zirconia is a means for preventing this volume change because zirconia (ZrO 2 ) undergoes a volume change accompanying a change in crystal structure from monoclinic to tetragonal at a high temperature (about 1150 ° C.). As described above, an oxide such as calcium (Ca) or yttrium (Y) is dissolved to stabilize the crystal structure. At present, yttria-stabilized zirconia (Y 2 O 3 Stabilized ZrO 2 , hereinafter referred to as “YSZ”) is most frequently used. In addition, there is an example in which tetragonal zirconia polycrystal TZP (Tetragonal ZrO 2 Policrystalline), which is a high-strength material although it has poor electrical characteristics, is used.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, although the solid electrolyte material of YSZ alone has excellent conductivity characteristics, when it is intended to provide SOFC using a solid electrolyte sintered body formed in a flat plate shape from this solid electrolyte material of YSZ alone, The plate thickness of the electrolyte sintered body must be increased to 0.2 to 0.3 mm, thereby increasing the internal resistance and lowering the power density (about 0.5 W / cm 2 ), high power generation efficiency, There was a problem that a solid oxide fuel cell having power generation performance could not be obtained.
[0008]
On the other hand, as an alternative to the YSZ solid electrolyte material, the present inventors have used a scandia-stabilized zirconia (Sc 2 O 3 Stabilized ZrO 2 , hereinafter referred to as “ScSZ”) simple substance having superior conductivity characteristics. The material was developed first and has already been filed. And it turned out that the electrical conductivity characteristic is most excellent in the range of 8 mol%-15 mol% as a solid solution amount of the scandia in this ScSZ solid electrolyte material.
[0009]
However, this ScSZ solid electrolyte material has higher electrical conductivity than the YSZ solid electrolyte material and has excellent electrical characteristics as a solid electrolyte material of SOFC, but the amount of scandia solid solution is 8 mol%. In the case of the degree, there is a problem that the electrical conductivity is lowered when held at a high temperature for a long time. Therefore, in order to solve this, it is effective to slightly increase the amount of scandia solid solution from 8 mol% to 10 to 15 mol%, but when the amount of scandia solid solution is 11 mol% or more, In addition to the cubic phase (C phase) zirconia, a rhombohedral phase (R phase), which is a compound of zirconia and scandia, is precipitated. This rhombohedral phase has a lower conductivity than the cubic phase, and when heated, the rhombohedral phase transforms from the rhombohedral phase to the cubic phase around 650 ° C., so that a large volume change occurs when the rhombohedral phase increases. There was a problem.
[0010]
Therefore, when a solid electrolyte sintered body is formed from such a ScSZ solid electrolyte material and applied as a solid electrolyte of SOFC, the electrical resistance cannot be stably maintained over a long period of time, so that the internal resistance increases. Degradation of power generation performance occurs, strain or thermal stress is generated inside the battery due to volume expansion during heating and cooling of the solid oxide fuel cell, or electrode material peels off when the volume expansion is large There was a problem.
[0011]
The present invention has been made to solve such problems, and the object of the present invention is to maintain a high electrical conductivity over a long period of time without causing phase transformation, and the crystalline phase is It is to provide a method of producing a stabilized solid body electrolyte sintered body cubic phase. Thereby, for example, the deterioration of the power generation performance of the solid oxide fuel cell (SOFC) is suppressed, and the volume change at the time of heating and cooling is eliminated to achieve permanent use.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
Manufacturing method of engaging Ru solid body electrolyte sintered body in the present invention, as described in claim 1, zirconia within the range of Sc 2 O 3 / molar ratio of ZrO 2 is 11 / 89-15 / 85 scandia a scandia-stabilized zirconia powder but solid-dissolved by mixing alumina powder in the range of 0.3 to 5 wt%, molding the resultant mixed powder is calcined, stabilize the crystal phase in the cubic phase it is an gist Rukoto is.
[0013]
According to the above production method , 0.3 to 5 wt.% In scandia-stabilized zirconia in which scandia is solid-solved in zirconia within a range of the Sc 2 O 3 / ZrO 2 molar ratio of 11/89 to 15/85. %, A solid electrolyte sintered body in which alumina is mixed and dispersed and the crystal phase is stabilized to a cubic phase is obtained.
[0014]
The resulting solid electrolyte sintered body, while maintaining a high conductivity over a long period, the phase transformation is almost Do Ino causing conductivity is lowered increases the internal resistance of the solid electrolyte sintered body In addition, there is no occurrence of distortion or thermal stress due to volume changes during heating and cooling.
[0015]
Therefore, in the case of using a solid electrolyte sintered body this as a solid electrolyte of the solid electrolyte fuel cell, without causing output reduction per cell, a reduction in power generation efficiency, stably for a long period of time good power generation efficiency It is possible to obtain a solid oxide fuel cell from which the battery can be obtained, thereby enabling permanent use of the battery. In addition, it is possible to avoid problems such as volume expansion during heating and cooling during battery use and distortion inside the battery, and problems such as peeling of the electrode material formed on the solid electrolyte sintered body. As a result, the reliability is excellent.
[0016]
At this time, the scandia-stabilized zirconia powder is preferably produced by using a solid phase method, a sol-gel method or a coprecipitation method as described in claim 2.
[0017]
【Example】
Will be described in detail a manufacturing method of the engaging Ru solid body electrolyte sintered body to an embodiment of the present invention are described below. In the examples described below, a description is given assuming a solid electrolyte sintered body used for a solid oxide fuel cell (SOFC). In the drawings described below, for convenience,% by weight is written as Wt%.
FIG. 1 shows a manufacturing process of a solid electrolyte plate formed in a flat plate shape according to an embodiment of the present invention . According to this, first, powder particles of zirconia (ZrO 2 ) as a main material and powder particles of scandia (Sc 2 O 3 ) as a stabilization material are mixed at an appropriate blending ratio. Here, it is mechanically mixed by a ball mill or the like. The average particle diameter of this mixed powder is about 3 μm. If a liquid phase production process such as a sol-gel method or a coprecipitation method is applied as a method for preparing a mixed powder of zirconia and scandia, a uniform mixed powder with few impurities can be obtained. The blending ratio of zirconia and scandia is appropriately selected within the range of 92 to 85 mol% zirconia and 8 to 15 mol% scandia.
[0018]
Then, this mixed powder of zirconia and scandia is heat-treated at a high temperature (600 to 700 ° C.) to obtain scandia-stabilized zirconia (ScSZ) in which scandia is solid-solved in zirconia, and then the scandia stabilized by pulverization. Zirconia powder is obtained.
Next, alumina (Al 2 O 3 ) powder as a crystal phase stabilizing material is mixed with the scandia-stabilized zirconia powder at an appropriate blending ratio. The mixing ratio of alumina is suitably in the range of 0.3 to 5 % by weight based on the scandia-stabilized zirconia powder.
[0019]
When a mixed powder of scandia-stabilized zirconia powder and alumina powder is obtained in this manner, the mixed powder is then formed into a plate (approximately 20 cm square plate) having a plate thickness of 100 to 300 μm. As this forming means, in this embodiment, pressure forming is performed by using a hydrostatic press (CIP) with a pressing force of 1 t / cm 2 . However, it 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, the molded plate is fired at a temperature of 1500 to 1700 ° C. Thus, in the scandia-stabilized zirconia in which scandia is solid-dissolved in zirconia within the range of Sc 2 O 3 / ZrO 2 in the range of 8/92 to 15/85 , in the range of 0.3 to 5 % by weight. alumina mixture is dispersed and crystalline phases that Do is stabilized in the cubic phase (C phase) solid body electrolyte plate is obtained.
[0020]
Next, when forming a fuel electrode or an oxygen electrode on this solid electrolyte plate (hereinafter referred to as “ScSZA solid electrolyte plate”), the ScSZA solid electrolyte is formed by making a ceramic powder of these electrode materials into a mud and using a so-called slurry coating method. Each of the plates is applied to one side and the opposite side, and then fired at a predetermined temperature.
In the case of the fuel electrode, for example, nickel (Ni) 40 wt% -zirconia (ZrO 2 ) 60 wt% nickel-zirconia cermet is coated on one side of the ScSZA solid electrolyte plate with a thickness of about 50 μm, and 1400-1500 Bake at a temperature of ° C. As a result, a thin-film fuel electrode is formed on one side of the ScSZA solid electrolyte plate.
[0021]
In the case of an oxygen electrode, for example, lanthanum strontium manganate (La (Sr) MnO 3 ) is coated on the surface of the ScSZA solid electrolyte plate on the side opposite to the above-mentioned fuel electrode at a thickness of about 50 μm. Firing at a temperature of As a result, a thin-film oxygen electrode is formed on the opposite surface of the ScSZA solid electrolyte plate. The mixing ratio of the oxygen electrode material is suitably about 5 to 15 mol% of strontium with respect to 95 to 85 mol% of lanthanum manganate.
Next, various experiments were conducted on the SOFC ScSZA solid electrolyte plate manufactured as described above, and these will be described.
[0022]
First, FIG. 2 shows the results of examining the temperature dependence of the conductivity characteristics of each ScSZA solid electrolyte plate in which the amount of alumina (Al 2 O 3 ) mixed and dispersed in scandia-stabilized zirconia was changed. Is. In this experiment, the amount of scandia solid solution in scandia-stabilized zirconia was 12 mol%, and alumina was mixed in an amount of 0,0.3,0.7,3,5,10,20% by weight. ing.
In the drawing, the horizontal axis indicates the temperature variable 1000 / T [1 / K] (K: absolute temperature), and the vertical axis indicates the conductivity variable log σ [S / cm].
[0023]
As a result, as the temperature variable 1000 / T [1 / K] increases for any of the test materials, the conductivity characteristics decrease, but no scandia-stabilized zirconia is compounded with alumina (12Sc0A). In particular, it can be seen that the decrease in conductivity characteristics tends to be conspicuous at a temperature variable of 1.1 or more (approximately 650 K or more). And when the amount of alumina blended even in a small amount (12Sc0.3A) is compared with the amount of alumina blended more (~ 12Sc20A), it can be seen that there is almost no significant difference in conductivity characteristics. .
[0024]
Next, FIG. 3 shows the amount and conductivity (at 870 ° C. and 1000 ° C.) of alumina (Al 2 O 3 ) mixed and dispersed in scandia-stabilized zirconia in the ScSZA solid electrolyte plate obtained by this production method . It shows the relationship.
At this time, as the scandia-stabilized zirconia, 12 mol% Sc 2 O 3 -88 mol% ZrO 2 was used, and alumina was mixed and dispersed in the range of 0 wt% to 20 wt%. In the drawing, the horizontal axis represents the amount of Al 2 O 3 [wt%], and the vertical axis represents the conductivity σ [S / cm].
[0025]
As a result, the conductivity of the ScSZA solid electrolyte plate is highest in a state where no alumina is mixed and dispersed in both temperature environments of 870 ° C. and 1000 ° C., and it decreases as the amount of alumina increases. I understand. However, up to about 20% by weight of alumina can be used as a conductivity value.
Next, FIG. 4 shows X-ray analysis data of the ScSZA solid electrolyte plate obtained by this manufacturing method . Here, as the scan Kanjia stabilized zirconia, 12 mol% Sc 2 O 3 used as the -88 mol% ZrO 2, the tested those alumina was 0,0.3,3,5 blending each weight percent to ing. In FIG. 4, the horizontal axis represents the intensity in the range of 2θ = 20 to 90 °, and the vertical axis represents the intensity.
[0026]
As a result, it is found that the crystal phase of the conventional scandia-stabilized zirconia solid electrolyte material (12Sc0A) in which no alumina is blended is filled with the rhombohedral phase (R phase). However, it can be seen that all of the compounds containing alumina (Al 2 O 3 ) (12Sc0.3A, 12Sc3A, 12Sc5A) are filled with the cubic phase (C phase). Therefore, from this test data, the crystal phase is filled with a cubic phase having a higher conductivity than the rhombohedral phase by adding a small amount of alumina in a scandia-stabilized zirconia in the range of 0.3 to 5% by weight. Since no phase transformation from rhombohedral phase to cubic phase during heating can occur, it can be said that there is little volume change due to thermal expansion.
[0027]
Next, FIG. 5 shows conductivity change characteristics after aging at 1000 ° C. in the ScSZA solid electrolyte plate obtained by this production method . Also in this experiment, 12 mol% Sc 2 O 3 -88 mol% ZrO 2 was used as scandia-stabilized zirconia, and alumina was added to this with 0.3, 0.7, 3 , 5, 10, 20 Tested with each weight% blended.
In the drawings, the horizontal axis indicates aging time [hr], and the vertical axis indicates conductivity [S / cm]. Aging time was plotted from 0 to 1600 hours.
[0028]
As a result, it can be seen that in the ScSZA solid electrolyte plate, the greater the amount of alumina, the lower the conductivity. And when the amount of alumina is in the range of 0 to 5% by weight, it can be used as a conductivity characteristic value, but when the amount of alumina is 20% by weight or more, it can be said that it cannot be used as a conductivity characteristic value. . In addition, it turns out that the fluctuation | variation of the electrical conductivity by the short aging time is hardly recognized.
[0029]
From the above various experimental data, the amount of alumina in the ScSZA solid electrolyte plate should not be blended as much as possible from the viewpoint of conductivity characteristics, but it is better to disperse and blend in a small amount from the viewpoint of crystal phase stabilization. From the viewpoint of stabilizing the crystal phase, it is sufficient to disperse and mix in a small amount in the range of 0.3 to 5% by weight, and it can be said that the electrical conductivity characteristics do not decrease so much with such an amount of alumina.
[0030]
【The invention's effect】
As shown in the various embodiments above, according to the manufacturing method of the engaging Ru solid body electrolyte sintered body of the present invention, while maintaining a high conductivity for a long time, without causing a phase transformation, crystalline phase it is possible to obtain a cubic phase stabilized solid body electrolyte sintered body (C phase), also this be used as a solid electrolyte of a solid oxide fuel cell (SOFC), power generation performance of the S oF C It can be said that the industrial benefits are extremely high, such as suppressing the deterioration of the material and eliminating the volume change of the material at the time of heating and cooling and achieving the permanent use.
[Brief description of the drawings]
1 is a diagram showing a manufacturing process of engaging Ru flat plate shape formed solid electrolyte plate to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing temperature dependence data on conductivity characteristics of each ScSZA solid electrolyte plate in which the amount of alumina (Al 2 O 3 ) mixed and dispersed in scandia-stabilized zirconia is changed.
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the amount of alumina (Al 2 O 3 ) mixed and dispersed in scandia-stabilized zirconia and conductivity in a ScSZA solid electrolyte plate obtained by this production method .
FIG. 4 is a diagram showing X-ray analysis data of a ScSZA solid electrolyte plate obtained by the present manufacturing method .
FIG. 5 is a graph showing conductivity change characteristic data after aging at 1000 ° C. in a ScSZA solid electrolyte plate obtained by the present manufacturing method .
FIG. 6 is a diagram showing an example of a plate-type SOFC single cell structure generally known in the past, to which a solid electrolyte sintered body obtained by the present manufacturing method is applied.
7A is a diagram showing a schematic configuration of an external manifold type in the flat plate type SOFC shown in FIG. 6, and FIG.

Claims (2)

Sc/ZrOのモル比が11/89〜15/85の範囲内でジルコニアにスカンジアが固溶されたスカンジア安定化ジルコニア粉末に、0.35重量%の範囲内でアルミナ粉末を混合し、得られた混合粉末を成形、焼成し、その結晶相を立方晶相に安定化させることを特徴とする固体電解質焼結体の製造方法Scandia-stabilized zirconia powder in which scandia is dissolved in zirconia within a molar ratio of Sc 2 O 3 / ZrO 2 in the range of 11/89 to 15/85, and alumina powder in the range of 0.3 to 5 % by weight. It was mixed, forming a mixed powder obtained, baking, manufacturing method of the solid electrolyte sintered body, characterized in Rukoto to stabilize the crystal phase to cubic phase. 前記スカンジア安定化ジルコニア粉末は、固相法、ゾルゲル法または共沈法を用いて製造されたものであることを特徴とする請求項1に記載の固体電解質焼結体の製造方法。The method for producing a solid electrolyte sintered body according to claim 1, wherein the scandia-stabilized zirconia powder is produced using a solid phase method, a sol-gel method, or a coprecipitation method.
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