JP4855599B2 - Scandia stabilized zirconia electrolyte - Google Patents

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    • Y02E60/30Hydrogen technology
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はスカンジア安定化ジルコニア電解質に関し、特に安定して優れた酸素イオン導電性を示すと共に、ハンドリングに十分な機械的強度を有し、燃料電池用の固体電解質膜用として優れた性能を有するスカンジア安定化ジルコニア電解質に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
固体酸化物型燃料電池の電解質として、立方晶のジルコニア系セラミックスや正方晶のジルコニア系セラミックスが広く検討されており、該セラミックスの結晶構造を安定化するための安定化剤としては、イットリアが一般的に使用されている。
【0003】
しかしジルコニア系セラミックスの酸素イオン導電性は、添加する金属イオンの半径や固溶量によって異なり、イットリアを固溶させたジルコニアよりもスカンジアを固溶させたジルコニアの方が高い導電性を持つ可能性が示されている。また、固体酸化物型燃料電池発電システムを実用化していくには、他の発電システム等に比肩し得る経済性と優れた発電性能に加えて、少なくとも40,000時間以上といった長時間の高温耐久性が要求される。
【0004】
そこで、燃料電池の固体電解質膜としてイットリア安定化ジルコニア(YSZ)よりも低コストで優れた発電性能を実現すべく、種々研究が進められており、イットリア安定化ジルコニアよりも高い酸素イオン導電性を有するスカンジア安定化ジルコニアセラミックスが注目されている。
【0005】
例えば、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)にアルミナを添加した三元系金属酸化物からなるセラミックス製の酸素イオン導電体が知られている。そしてこのセラミックスは、副ドーパントとして特定比率のアルミナを添加し結晶構造を安定化したもので、室温と高温の作動温度の間で構造変態を起こすことがなく、イットリア安定化ジルコニアよりも高いイオン導電性を有しており、燃料電池用の固体電解質としても実用可能な酸素イオン導電体になり得ると考えられる。
【0006】
また、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)に、原子価が2価または3価で安定な副ドーパントであるM23(Mは金属元素を示す)を添加した三元系金属酸化物からなる酸素イオン導電体も知られている。
【0007】
この副ドーパントは、上記金属MがIn,Ga,Ti,V,Cr,Fe,Co,Mg,Ca,Zn,Sr,Baの中から選ばれる1種であり、これらが添加されることによって、Scの特性を保持しつつ、なおかつ結晶構造は立方晶で安定化されて高温での結晶変態が現れず、高イオン導電性で且つ熱サイクルを受けたときの強度持続性にも優れたものとなる。
【0008】
しかし何れにも、発電特性を長期的に持続させる上で重要な要件の1つである酸素イオン導電性の経時変化については記載されていない。
【0009】
一方、“Solid State Ionics”の72巻、271−275頁(1994年)、79巻、137−142頁(1995年)、132巻、235−239頁(2000年)には、スカンジア量を2.9〜12モル%の範囲で変化させたスカンジア安定化ジルコニア(2.9〜12ScSZ)、20質量%のアルミナを添加した8〜11モル%スカンジア安定化ジルコニア(8〜11ScSZ20A)について、導電性の経時変化が検討されている。その中で、結晶構造が菱面体である11〜12ScSZや11ScSZ20Aは、1000℃で4000〜6000時間の長時間曝露でも殆ど経時変化が見られない。
【0010】
しかし立方晶構造である8ScSZは、1000℃で1300時間の曝露で導電率が0.32S/cmから0.14S/cmに低下することが報告されている。また、正方晶構造である2.9ScSZは1000℃で1000時間の曝露で導電率が0.09S/cmから0.063S/cmに低下することが報告されている。即ちこれらは、1000〜1300時間の曝露で導電率が30〜60%大きく低下していることになる。
【0011】
上記の様にアルミナは、分散強化剤として優れた特性を有しているが、反面アルミナは反応性が高いため、ジルコニア電解質シートの表層部にアルミナが存在すると、高温に長時間曝されたときに、電極成分中に含まれる遷移金属や希土類元素との間で固相反応を起こし、新たにアルミナ系の複合酸化物を生成することがある。例えばアノードにNi成分が存在する場合は、NiAl24(スピネル結晶系)が生成し易くなる。また、カソードにMn成分が存在する場合は、MnAlO3(ペロブスカイト結晶系)が生成し易くなる。これらがジルコニア電解質シートの表層部に存在すると、異物となってジルコニアとの熱膨張差によりジルコニア電解質シートの割れの起点となり、強度劣化の原因となる。この様なことから、アルミナは電解質用ジルコニアの分散強化剤として好ましいものとはいい難い。
【0012】
また燃料電池発電システムに用いる固体電解質としては、高い酸素イオン導電性と共に、長時間、たとえば40,000時間といったレベルまでその高い酸素イオン導電性を安定に維持することが重要であり、イオン導電率の低下率を小さく抑え、高レベルの電気特性を長時間持続せしめ得る様な改質が望まれる。
【0013】
即ち、燃料電池システムに用いられるスカンジア安定化ジルコニア中に配合する酸化物については、その種類などを含めて更に検討の余地があり、また、得られる燃料電池用スカンジア安定化ジルコニアの結晶構造や強度、更には、これを用いた燃料電池用スカンジア安定化ジルコニア電解質の導電性の経時変化などについても、同様に検討の余地が残されている。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の様な事情に着目してなされたもので、その目的は、スカンジア安定化ジルコニア電解質の高温長時間使用時における酸素イオン導電率の経時変化を少なくし、安定して高い導電性を持続し、特に2000時間までの初期導電率の劣化程度を低減すると共に、優れた高温強度と強度持続性を有するスカンジア安定化ジルコニア電解質を提供することにある。
【0015】
また、新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)における平成13年度からの「固体酸化物形燃料電池の研究開発」の開発目標として、熱自立モジュールの目標性能が、初期特性評価と同じ条件で3000時間の発電を行なったときの電圧低下率が「0.25%/1000時間」以下(平成12年度「高温形燃料電池発電技術」研究開発成果報告会講演要旨集(NEDO、燃料・貯蔵技術開発室、平成13年2月27日)と計画されていることからも、固体電解質として酸素イオン導電率の経時劣化が電圧低下率に大きく影響しない様なスカンジア安定化ジルコニア電解質を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記の様な課題の下で、スカンジア安定化ジルコニアに配合する酸化物の種類と、得られる配合物である燃料電池用のスカンジア安定化ジルコニア電解質の結晶構造と導電性の経時変化に主眼を置いて検討を進めた結果、これら両特性を満たす燃料電池用スカンジア電解質を得ることに成功した。
【0017】
即ち、上記課題を解決することのできた本発明に係る燃料電池用のスカンジア安定化ジルコニア電解質とは、スカンジアで安定化されると共に、4A族、5A族、7A族および4B族元素の酸化物よりなる群から選択される少なくとも1種を、スカンジア安定化ジルコニアに対して0.01〜5質量%含有するところに要旨を有している。
【0018】
更に具体的には、上記燃料電池用のスカンジア安定化ジルコニアは、3〜15モル%のスカンジアで安定化されると共に、原子価が4価もしくは5価である元素の酸化物であるTiO2、Nb25、Ta25およびMnO2よりなる群から選択される少なくとも1種を、スカンジア安定化ジルコニアに対し0.01〜5質量%含有するものが好ましい。
【0019】
また本発明の上記電解質においては、酸化ケイ素、および/またはNa,K,Rb,Csの如きアルカリ金属の酸化物の含有量を極力少なく抑えることが望ましく、好ましくは何れも0.1質量%以下、より好ましくは0.05質量%以下に抑えることが望ましい。
【0020】
【発明の実施の形態】
前述した様な課題の下で本発明者らは、スカンジアで安定化されたジルコニア電解質を対象とし、該電解質の導電率の経時変化を少なくしてより耐久性に優れた電解質を得るべく、様々の角度から研究を進めてきた。
【0021】
その結果、導電率の経時変化は結晶構造の変化とグレイン粒子径の安定性に大きく影響され、スカンジア安定化ジルコニアにある特定の酸化物を特定量含有させれば、初期導電性を若干低下させるだけで、その後の導電性の経時変化を小さく抑え得ることを見出し、上記本発明に想到したものである。
【0022】
また上記特定の酸化物は、スカンジア安定化ジルコニアセラミックスに対し分散強化剤としても作用し、結果として優れた高温強度と強度持続性を与えることも見出した。
【0023】
まず本発明では、スカンジアで安定化されたジルコニアを対象とするもので、一般的なスカンジアの添加量は3モル%以上、15モル%以下である。即ちスカンジアの含有量が3モル%未満では、セラミックスの結晶構造に単斜晶の割合が多くなり、ジルコニアの安定化が不十分となって満足のいく強度が得られ難くなる。一方、スカンジアによる安定化効果は約15モル%で飽和し、高価なスカンジアをそれ以上に含有させることは、経済的不利益を被るだけである。
【0024】
高温耐久強度と常温でのハンドリング強度を高める上では、正方晶系を主体とする結晶構造を有するものであることが好ましく、そのための好ましいスカンジアの量は3モル%以上、9モル%以下、更に好ましくは3.5モル%以上、6モル%以下、更に好ましくは5モル%以下である。
【0025】
また本発明においては、機械的強度と共に導電率の経時変化を抑えるため、4A族、5A族、7A族および4B族元素の酸化物よりなる群から選択される少なくとも1種を、スカンジア安定化ジルコニアに対し0.01質量%以上、5質量%以下含有させることが必要となる。
【0026】
ここで、4A族、5A族、7A族および4B族元素とは、例えば、理化学辞典第5版(岩波書店:1998年4月24日発行)に記載されている元素の周期表(短周期型)に示されている族のことであり、具体的には、4A族元素の酸化物としてはTiO2;5A族元素の酸化物としてはV25、Nb25、Ta25;7A族元素の酸化物としてはMnO2;4B族元素の酸化物としてはGeO2が好適である。
【0027】
特に、スカンジア安定化ジルコニアの導電率の初期劣化を抑制すると共に、焼結性を高めてその結晶構造を安定化させるには、TiO2、Nb25、Ta25およびMnO2よりなる群から選択される少なくとも1種を選択することが望ましい。
【0028】
上記金属酸化物の効果を有効に発揮させるには、スカンジアで安定化されたジルコニアの総量、具体的には、ジルコニア分とスカンジア分の合計量に対し、0.01質量%以上、5.0質量%以下の範囲で含有させるのがよく、より好ましくは0.1質量%以上、3.0質量%以下、更に好ましくは0.3質量%以上、2.0質量%以下の範囲である。
【0029】
上記金属酸化物の含有量が0.01質量%を下回る場合は、前述した作用効果が有効に発揮されず、逆に5質量%を上回る場合は、初期導電率を低下させる原因になるので好ましくない。
【0030】
更に本発明においては、不純物として混入してくる恐れのある酸化ケイ素、および/またはNa,K,Rb,Csの如きアルカリ金属の酸化物の含有量を極力少なく抑えることが望ましく、好ましくは何れも0.1質量%以下、より好ましくは0.05質量%以下に抑えることが好ましい。
【0031】
上記酸化ケイ素やアルカリ金属酸化物類は、ジルコニアや前記酸化物に比べると低融点の溶融型酸化物であり、高温に長時間曝されるとスカンジア安定化ジルコニア中の粒界付近に偏析して導電率を低下させる恐れがあるからである。
【0032】
従って本発明の燃料電池用スカンジア安定化ジルコニア電解質中には、酸化ケイ素および/またはアルカリ金属酸化物が実質的に含まれていないことが望ましいが、何れもジルコニア原料粉末中に不可避的に混入してくる成分であり、より好ましくは酸化ケイ素の含有量は0.03質量%以下、アルカリ金属酸化物の合計含有量は0.01質量%以下に抑えることが望ましい。
【0033】
ここでアルカリ金属酸化物の合計量とは、Na2O,K2O,Rb2O,Cs2Oとしたときの各酸化物の合計量を言う。
【0034】
本発明でいう導電率とは、固体酸化物型燃料電池用の電解質膜として用いられるセラミックから、導電率測定用サンプルとしてダイヤモンドカッターで一部切り出されたテストピースを使用し、直流4端子法で測定した値をいい、最初から導電率測定用サンプルとして作製されたテストピースを用いた値ではない。尚、この測定に用いたテストピースの大きさは、長さ50mm、幅5mmで厚さ0.01〜0.6mmとした。
【0035】
次に、本発明の燃料電池用スカンジア安定化ジルコニア電解質においては、その結晶構造が立方晶を主体とするものである場合、そのグレイン粒子径で平均径が1μm以上、3μm以下、最大径が4μm以上、8μm以下で、その変動係数が35%以下であることが、導電率の経時変化を抑えると共に高レベルの強度を確保する上で好ましい。
【0036】
また、その結晶構造が正方晶を主体とするものの場合は、そのグレイン粒子径で平均径が0.1μm以上、0.5μm以下、最大径が0.5μm以上、1.0μm以下で、その変動係数が30%以下であることが、導電率の経時変化を抑えると共に高温強度耐久性を確保する上で好ましい。
【0037】
グレイン粒子径の変動係数が、立方晶の場合で35%を上回り、あるいは正方晶の場合で30%を上回るものでは、導電率の経時変化が大きくなると共に、ワイブル係数が10以下に低下する傾向が生じてくる。なおワイブル係数とは、強度バラツキの度合いを反映する材料定数とみなされ、燃料電池用の固体電解質として使用するには、ワイブル係数で10以上、より好ましくは12以上、更に好ましくは15以上とすることによって、素材としての信頼性が高められ、発電システムの設計も容易となる。一方この値が10以下のものは、強度バラツキが大きくて材料としての信頼性を欠き、実用にそぐわなくなる。
【0038】
ここで、上記スカンジア安定化ジルコニアセラミックスのグレイン粒子径は、その表面を走査型電子顕微鏡で写真撮影し(10,000〜20,000倍)、写真視野内の全グレイン粒子の大きさをノギスで測定した値を元に、個々のデータを集計して求めた平均径、最大径および変動係数をいう。なお、グレイン粒子径をノギスで測定する際に、写真視野の端縁に位置するグレイン粒子で粒子全体が現れていないものは測定対象から外し、また、縦・横方向の寸法の異なるグレイン粒子については、その長径と短径の平均値をその粒子径とした。
【0039】
また本発明で言う強度とは、JlS R1601の規定に準拠し、導電率測定用のテストピースと同様にして作製したテストピースを用いて測定した3点曲げ強度を言い、高温耐久性とは、950℃で1000時間以上保持した後に測定した強度の経時変化の小さいものを言う。
【0040】
この様に本発明の燃料電池用スカンジア安定化ジルコニア電解質は、添加物として4A族、5A族、7A族および4B族元素の酸化物よりなる群から選択される少なくとも1種を、スカンジア安定化ジルコニアに対し0.01〜5質量%添加することで、スカンジア安定化ジルコニア電解質の導電率の経時変化が抑えられると共に、常温強度や高温強度およびその耐久性において一層優れたものとなるので、固体酸化物型燃料電池の固体電解質として極めて有用なものとなる。
【0041】
中でも、前記酸化物としてTiO2,Nb23、Ta25およびMnO2から選択される少なくとも1種を使用した本発明のスカンジア安定化ジルコニア電解質は、それらの酸化物が含まれていないものに比べて初期導電率の低下率が非常に小さく、導電率の経時安定性にも優れているので、例えば0.01〜0.6mm程度の薄膜シート状とすることにより、燃料電池の固体電解質膜として極めて優れた性能を発揮する。
【0042】
こうした優れた特性を有する本発明に係る燃料電池用スカンジア安定化ジルコニア電解質の原料となる粉末は、市販のスカンジア安定化ジルコニア粉末に前記特定元素の酸化物粉末をそのまま添加混合して原料粉末としてもよいし、アルコキシドや硝酸塩、炭酸塩などの水溶液等の形で市販ジルコニア粉末に添加し、必要によっては更に他の添加物などと共に配合し、加水分解・濾過・洗浄・仮焼・混合粉砕などの処理を施して原料粉末としてもよい。
【0043】
この原料粉末の粉体としての好ましい粒度構成は、平均粒子径が0.3〜3μm、好ましくは0.5〜1.5μmで、比表面積は3〜30m2/g、好ましくは5〜15m2/gである。
【0044】
特に、混合粉砕後さらに噴霧乾燥してから造粒し、10〜100μm程度の顆粒状とした原料粉末は、その後に成形・焼成したセラミックスとしての密度を理論密度の97%以上、好ましくは98%以上に高めるのに好適である。
【0045】
噴霧乾燥する場合は、上記粉砕混合したジルコニア粉末をそのままスプレードライ等により噴霧乾燥してもよいが、噴霧乾燥する際にバインダー成分(A)を添加し、それを噴霧乾燥してバインダーを含む顆粒状としたものを原料粉末として使用すれば、成形性や焼結性を更に高めることができるので好ましい。
【0046】
ここで用いられるバインダー(A)の種類に格段の制限はないが、水溶性のものが好ましく、従来から知られた有機質もしくは無機質のバインダーを適宜選択して使用できる。上記バインダー(A)のうち、有機質バインダーの具体例としては、例えばエチレン系共重合体、スチレン系共重合体、アクリレート系及びメタクリレート系共重合体、酢酸ビニル系共重合体、マレイン酸系共重合体、ビニルブチラール系樹脂、ビニルアセタール系樹脂、ビニルホルマール系樹脂、ビニルアルコール系樹脂、ワックス類、エチルセルロース等のセルロース類が例示される。また、無機質バインダーの具体例としては、ジルコニアゾル、チタニアゾル等が例示される。これらのバインダーは、単独で使用し得る他、必要により2種以上を混合して使用することも勿論可能である。
【0047】
該バインダー(A)の好ましい配合量は、スカンジア安定化ジルコニア粉末と前記添加酸化物との合計100質量部に対し、バインダーの固形分換算で0.5質量部以上、10質量部以下、より好ましくは1質量部以上、5質量部以下である。この様にして調製されたジルコニア粉末を含む顆粒状の原料粉末は、プレス成形用原料として好適に使用される。
【0048】
本発明に係る燃料電池用のスカンジア安定化ジルコニア電解質の製法は特に制限されず、上記の様にして調製したスカンジア安定化ジルコニア粉末を使用し、金型やラバーを用いたプレス成形法、押出成形法、ドクターブレードによるシート成形法、支持基体へのスラリーコート法や蒸着法等によって成膜し、焼成する方法が採用される。
【0049】
特に10〜200μmの薄膜シート状物を製造するには、ドクターブレード法によるシート成形が好適であり、前述した特定の酸化物が配合されたスカンジア安定化ジルコニア原料粉末とバインダー(B)および分散媒からなるスラリーをキャリアフィルム上に敷き延べてシート状に成形し、これを乾燥し分散媒を揮発させることによってグリーンシートを得、これを切断、パンチング等により適当な寸法に揃えてから焼成すればよい。
【0050】
焼成は、上記の様な方法で成形したグリーンシートあるいはスラリーコート体を棚板や多孔質セッター上に載置し、1300〜1600℃、好ましくは1350〜1500℃程度、最も一般的には1400〜1450℃で1〜5時間程度加熱することによって行なわれる。
【0051】
シート状の該ジルコニアセラミックスは、高度の熱的、機械的、電気的、化学的特性を有しており、燃料電池の固体電解質膜用として実用化する場合は、要求強度を満たしつつ通電ロスを可及的に抑えるため、シート厚さを0.01mm以上、より好ましくは0.02mm以上で、0.6mm以下、より好ましくは0.3mm以下、更に好ましくは0.2mm以下とするのが良い。
【0052】
大きさは特に制限されないが、実用規模で十分な発電容量の燃料電池システムを得るには、50cm2以上、好ましくは100cm2以上の寸法とすることが望ましい。
【0053】
またシートの形状は、正方形や長方形、円盤状、もしくは中央部に穴が形成されたドーナツ状が一般的であるが、これらに限定される理由はなく、他の任意の多角形状や穴明き多角形状など、どの様な形状であっても構わない。またシート形状以外にも、円筒状や一方が封じられた円筒状、ハニカム状、コルゲート状やディンプル状の如き3次元形状のものでも有効に使用できる。
【0054】
上記スラリーに配合されるバインダー(B)の種類にも格別の制限はなく、従来から知られた有機質もしくは無機質のバインダーを適宜選択して使用することができる。有機質バインダーとしては、例えばエチレン系共重合体、スチレン系共重合体、アクリレート系及びメタクリレート系共重合体、酢酸ビニル系共重合体、マレイン酸系共重合体、ビニルブチラール系樹脂、ビニルアセタール系樹脂、ビニルホルマール系樹脂、ビニルアルコール系樹脂、ワックス類、エチルセルロース等のセルロース類等が例示される。
【0055】
これらの中でも未焼成ジルコニア系成形体を得る際の成形性や強度、焼成時の熱分解性等の点から、メチルアクリレート、エチルアクリレート、プロピルアクリレート、ブチルアクリレート、イソブチルアクリレート、シクロヘキシルアクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート等の炭素数10以下のアルキル基を有するアルキルアクリレート類;メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、ブチルメタクリレート、イソブチルメタクリレート、オクチルメタクリレート、2−エチルヘキシルメタクリレート、デシルメタクリレート、ドデシルメタクリレート、ラウリルメタクリレート、シクロヘキシルメタクリレート等の炭素数20以下のアルキル基を有するアルキルメタクリレート類;ヒドロキシエチルアクリレート、ヒドロキシプロピルアクリレート、ヒドロキシエチルメタクリレート、ヒドロキシプロピルメタクリレート等のヒドロキシアルキル基を有するヒドロキシアルキルアクリレートまたはヒドロキシアルキルメタクリレート類;ジメチルアミノエチルアクリレート、ジメチルアミノエチルメタクリレート等のアミノアルキルアクリレートまたはアミノアルキルメタクリレート類;(メタ)アクリル酸、マレイン酸、モノイソプロピルマレートの如きマレイン酸半エステル等のカルボキシル基含有モノマー;などの少なくとも1種を重合または共重合させることによって得られる、数平均分子量が20,000〜200,000、より好ましくは50,000〜100,000の(メタ)アクリレート系共重合体が好ましいものとして推奨される。
【0056】
これらの有機質バインダーは、単独で使用し得る他、必要により2種以上を適宜組み合わせて使用することができる。特に好ましいのはイソブチルメタクリレートおよび/または2−エチルヘキシルメタクリレートを60質量%以上含むモノマーの重合体である。
【0057】
また無機質バインダーとしては、ジルコニアゾル、シリカゾル、チタニアゾル等が単独で若しくは2種以上組み合わせて使用できる。
【0058】
ジルコニア系原料粉末とバインダーの使用比率は、前者100質量部に対して後者が固形分換算で5〜30質量部、より好ましくは10〜20質量部の範囲が好適であり、バインダーの使用量が不足する場合は、成形体の強度や柔軟性が不十分となり、逆に多過ぎると、スラリーの粘度調節が困難になるばかりでなく、焼成時のバインダー成分の分解放出が多く且つ激しくなって均質な焼結体が得られ難くなる。
【0059】
この様にして得られたジルコニア粉末を含むスラリーは、ドクターブレード法によって好適にシート成形することができる。
【0060】
また未焼成ジルコニア成形体の製造に使用される溶媒としては、水;メタノール、エタノール、2−プロパノール、1−ブタノール、1−ヘキサノール等のアルコール類;アセトン、2−ブタノン等のケトン類;ペンタン、ヘキサン、ヘプタン等の脂肪族炭化水素類;ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン等の芳香族炭化水素類;酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル等の酢酸エステル類等が適宜選択して使用される。これらの溶媒も単独で使用し得る他、2種以上を適宜混合して使用することができる。これら溶媒の使用量は、グリーンシート成形時におけるスラリーの粘度を加味して適当に調節すればよいが、好ましくはスラリー粘度が1〜10Pa・s、より好ましくは2〜5Pa・sの範囲となる様に調整するのがよい。
【0061】
上記スラリーの調製に当たっては、ジルコニア系原料粉末の解膠や分散を促進するため、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸アンモニウム等の高分子電解質;クエン酸、酒石酸等の有機酸;イソブチレンまたはスチレンと無水マレイン酸との共重合体およびそのアンモニウム塩あるいはアミン塩、ブタジエンと無水マレイン酸との共重合体およびそのアンモニウム塩等の分散剤;未焼成成形体(グリーンシート)に柔軟性を付与するためのフタル酸ジブチル、フタル酸ジオクチル等のフタル酸エステル類、プロピレングリコール等のグリコール類やグリコールエーテル類などの可塑剤;更には界面活性剤や消泡剤などを必要に応じて添加することができる。
【0062】
上記原料配合からなるスラリーを前述の様な方法で成形し、乾燥してジルコニア系グリーン体を得た後、これを加熱焼成することによって本発明のスカンジア安定化ジルコニア電解質を得る。
【0063】
この焼成工程では、反りやうねり等の変形を生じることなく平坦度の高い薄肉シート状の焼結体を得るための手段として、該グリーンシート以上の面積を有し、JIS K7125(1987)で規定されている「プラスチックフィルムおよびシートの摩擦係数試験方法」に準拠して測定される静摩擦係数が1.5以下で、通気性が0.0005m/s・kPa以上である多孔質シートの間に、前記グリーンシートを、その周縁がはみ出さない様に挟み込んで焼成し、あるいは上記多孔質シートを前記グリーンシートの周縁がはみ出さない様に載せてから焼成を行なうことが望ましい。
【0064】
【実施例】
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更して実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【0065】
実施例1
4.5モル%スカンジア部分安定化ジルコニア粉末(第一稀元素化学社製:商品名「4.5ScSZ」)100質量部に、イソプロピルアルコール60質量部にチタニウムイソプロポキシドを酸化チタン換算で0.3質量部となる様に添加した混合物を加え、ロータリーエバポレーターでイソプロピルアルコールを減圧留去した後、さらに減圧乾燥してから800℃で仮焼し、酸化チタンが0.3質量%分散した4.5モル%スカンジア部分安定化ジルコニア粉末(A)を得た。該粉末中のシリカ含量は0.004質量%、酸化ナトリウム含量は0.001質量%であった。
【0066】
この粉末(A)100質量部に対し、水70質量部と、エチルアクリレートを主成分とするアクリレート共重合体からなる水溶性バインダー(分子量:50,000、ガラス転移温度:−14℃)を固形分換算で5質量部加え、ボールミルで20時間分散混合した後、得られたスラリーをスプレードライにより噴霧乾燥し、バインダー添加0.3質量%酸化チタン分散4.5モル%スカンジア部分安定化ジルコニア粉末(B)を得た。
【0067】
該ジルコニア粉末(B)を使用し、ラバープレス法により1000kg/cm2の圧力で板状に成形した後1400℃で3時間焼成し、1辺が約50mm角の正方形で、厚さが0.5mmの酸化チタン0.3質量%を含む燃料電池用の4.5モル%スカンジア部分安定化ジルコニアシート(I)を得た。このシート焼成体の密度をアルキメデス法によって求めたところ、理論密度の98.8%であった。
【0068】
また、上記で得たジルコニア粉末(A)100質量部を、メタクリル酸エステル共重合体からなるバインダー(分子量:30,000、ガラス転移温度:−8℃)を固形分換算で14質量部、可塑剤としてジブチルフタレート2質量部、分散媒としてトルエン/イソプロピルアルコール(質量比:3/2)の混合溶剤50質量部と共に、直径5mmのジルコニアボールが装入されたナイロンポットに入れ、臨界速度の70%の約60rpmで40時間混練してスラリーを調製した。
【0069】
このスラリーの一部を採取し、トルエン/イソプロピルアルコール(質量比:3/2)の混合溶剤で希釈し、島津製作所製のレーザー回折式粒度分布測定装置「SALD−1000」を用いて、スラリー中の固形成分の粒度分布を測定したところ、平均粒子径(50体積%径)が0.49μm、90体積%径が1.18μm、限界粒子径(100体積%径)が2.88μmであった。
【0070】
このスラリーを濃縮脱泡してから粘度を3Pa・s(23℃)に調整し、最後に200メッシュのフィルターに通してから、ドクターブレード法によりポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム上に塗工し、厚さ約0.18mmのグリーンシートを得た。このグリーンシートを1辺が約125mmの正方形に切断し、その上下をウネリ最大高さが10μmの99.5%アルミナ多孔質板で挟んで脱脂した後、1400℃で3時間焼成し、1辺が約100mm角の正方形で、厚さが0.15mmの酸化チタン0.3質量%を含む燃料電池用の4.5モル%スカンジア部分安定化ジルコニアシート(II)を得た。
【0071】
上記ジルコニアシート(I)と(II)をダイヤモンドカッターで幅5mm、長さ50mmの短冊状に切断して導電率測定用と3点曲げ強度測定用のテストピースとし、このテストピースを、950℃および750℃に保持した電気炉中に500時間、1000時間、2000時間および3000時間曝露した後、導電率と3点曲げ強度を測定した。
【0072】
導電率の測定は、上記高温に曝露されたテストピースを1cm間隔で4ヵ所に直径0.2mmの白金線を巻付け、白金ペーストを塗ってから100℃で乾燥・固定して電流・電圧端子とし、白金線がテストピースに密着する様に白金線を巻いたテストピースの両端をアルミナ板で挟み、その上から約500gの荷重をかけた状態で、外側の2端子に0.1mAの一定電流を流し、内側の2端子の電圧をデジタルマルチメーター(アドバンテスト社製:商品名「TR6845型」)を使用し、直流4端子法で測定した。
【0073】
導電率の耐久安定性は、初期の導電率と所定時間後の導電率の経時変化を測定し、その比から下記式によって求めた。
導電率の劣化率=[(初期導電率−所定時間保持後の導電率)/(初期導電率)]×100(%)
曲げ強度の測定は、JIS R1601に準拠し、高温曝露されたテストピースを室温で測定し、初期の曲げ強度と所定時間後の曲げ強度との比から、下記式によって求めた。
強度の劣化率=[(初期強度−所定時間保持後の強度)/(初期強度)]×100(%)
更に、得られた燃料電池用のジルコニアシート(I)と(II)の組成をICP発光分析法によって測定した。結果を表1に示す。
【0074】
実施例2
4.0モル%スカンジア部分安定化ジルコニア粉末(第一稀元素化学社製:商品名「4ScSZ」)100質量部に、水60質量部に酸化ニオブ換算で1.0質量部の塩化ニオブを加水分解して得た水酸化ニオブと、上記実施例1で用いたのと同じアクリレート共重合体からなる水溶性バインダー1質量部を加え、ボールミルで20分間分散混合する。次いでスプレードライ法で噴霧乾燥することにより、本発明に係る燃料電池用のバインダー添加1.0%酸化ニオブ分散4.0モル%スカンジア部分安定化ジルコニア粉末(C)を得た。該粉末中のシリカ含量は0.005質量%、酸化ナトリウム含量は0.001質量%であった。
【0075】
この粉末(C)を用いて、前記実施例1と同様にしてラバープレス法により成形してから焼成し、1辺が約50mm角の正方形で厚さが0.5mmの酸化ニオブ1.0質量%を含む燃料電池用の4.0モル%スカンジア部分安定化ジルコニアシート(III)を得た。このシート焼成体の密度をアルキメデス法によって求めたところ、理論密度の98.1%であった。
【0076】
このシートを、実施例1と同様にしてテストピースを作成し、導電率と3点曲げ強度の耐久安定性を求めた。結果を表1に示す。
【0077】
実施例3
スカンジアで安定化されていないジルコニア粉末(住友大阪セメント社製:商品名「OZC−0」)に対して、酸化スカンジウム粉末(和光純薬工業社製:試薬99.9%)を8モル%となる様に添加して混合し、これらの混合粉末100質量部に対して更に酸化タンタル粉末(和光純薬工業社製:試薬99.8%)を1.5質量%添加して得た合計2Kgの粉末を、水3Kgと共に0.5mm径のジルコニアボールの入ったビーズミル(コトブキ技研工業社製:商品名「アペックスミルAM−1」)に入れて、ローター先端周速度が7m/secで1時間湿式粉砕した。
【0078】
得られたスラリーをロータリーエバーポレータに入れ、更に等量のオクタノールを入れ減圧しながら加熱して水を流出させ、オクタノール置換スラリーを得た。このスラリーを更に減圧下に加熱してオクタノールを流出させた後、減圧乾燥することにより、本発明にかかる燃料電池用の酸化タンタル1.5質量%分散8.0モル%スカンジア安定化ジルコニア粉末(D)を得た。該粉末中のシリカ含量は0.004質量%、酸化ナトリウム含量は0.001質量%であった。
【0079】
この粉末(D)を用いて、1250Kg/cm2の圧力で前記実施例1と同様にラバープレス法によって成形した後、1450℃で焼成し、1辺が約50mm角の正方形で厚さが0.5mmの、酸化タンタル1.5質量%を含む燃料電池用の8.0モル%スカンジア安定化ジルコニアシート(IV)を得た。このシート焼成体の密度は、理論密度の97.2%であった。
【0080】
このシート(IV)を用いて、前記実施例1と同様にしてテストピースを作成し、導電率と3点曲げ強度の耐久安定性を求め、表1に示す結果を得た。
【0081】
実施例4
4.5モル%スカンジア部分安定化ジルコニア粉末(第一稀元素化学社製:商品名「4.5ScSZ」)100質量部に、酸化マンガン換算で0.8質量部の硝酸マンガンを溶解した水60質量部と、前記実施例1で用いたのと同じ水溶性バインダー1質量部を加え、ボールミルで20時間分散した後、スプレードライ法によって噴霧乾燥し、バインダー添加0.8質量%酸化マンガン分散4.0モル%スカンジア部分安定化ジルコニア粉末(E)を得た。該粉末中のシリカ含量は0.004質量%、酸化ナトリウム含量は0.001質量%であった。
【0082】
この粉末(E)を用いて、前記実施例1と同様にしてラバープレス法により板状に成形してから焼成し、1辺が約50mm角の正方形で、厚さが0.5mmの酸化マンガン0.8質量%を含む燃料電池用の4.5モル%スカンジア部分安定化ジルコニアシート(V)を得た。このシートの密度は、理論密度の98.4%であった。
【0083】
このシートを、実施例1と同様にしてテストピースを作成し、導電率と3点曲げ強度の耐久安定性を求めた。結果を表1に示す。
【0084】
比較例1
4.5モル%スカンジア部分安定化ジルコニア粉末(第一稀元素化学社製:商品名「4.5ScSZ」)100質量部に対し、水70質量部と、エチルアクリレートを主成分とする水溶性アクリレート共重合体からなるバインダーを固形分換算で5質量部加え、ボールミルで20時間分散混合した後、得られたスラリーをスプレードライ法によって噴霧乾燥することにより、バインダー添加4.5モル%スカンジア部分安定化ジルコニア粉末(a)を得た。
【0085】
このジルコニア粉末(a)を使用し、ラバープレス法により1000kg/cm2の圧力で板状に成形した後、1400℃で3時間加熱焼成することにより、1辺が約50mm角の正方形で、厚さが0.5mmの燃料電池用の4.5モル%スカンジア部分安定化ジルコニアシート(i)を得た。このシート焼成体の密度は、理論密度の96.8%であった。
【0086】
このシートを、実施例1と同様にしてテストピースを作成し、導電率と3点曲げ強度の耐久安定性を求めた。結果を表2に示す。
【0087】
比較例2
4.5モル%スカンジア部分安定化ジルコニア粉末(第一稀元素化学社製:商品名「4.5ScSZ」)100質量部に対し、イソプロピルアルコール60質量部と、チタニウムイソプロポキシドを酸化チタン換算で8.0質量%となるように添加した混合物を加え、ロータリーエバーポレータでイソプロパノールを減圧留去した後、更に減圧乾燥してから800℃で仮焼し、酸化チタンが8.0質量%分散した燃料電池用の4.5モル%スカンジア部分安定化ジルコニア粉末(b)を得た。この粉末中のシリカ含量は0.004質量%、酸化ナトリウム含量は0.001質量%であった。
【0088】
このジルコニア粉末(b)100質量部に対し、水70質量部と、エチルアクリレートを主成分とする水溶性アクリレート共重合体からなるバインダー(日本触媒社製:商品名「AT−502」)を固形分換算で5質量%加え、ボールミルで20時間分散混合した後、得られたスラリーをスプレードライ法によって噴霧乾燥することにより、バインダー添加8.0質量%酸化チタン分散4.5モル%スカンジア部分安定化ジルコニア粉末(c)を得た。
【0089】
得られたジルコニア粉末(c)を使用し、ラバープレス法により1000kg/cm2の圧力で板状に成形した後、1400℃で3時間加熱焼成することにより、1辺が約50mm角の正方形で、厚さが0.5mmの酸化チタン8.0質量%を含む燃料電池用の4.5モル%スカンジア部分安定化ジルコニアシート(ii)を得た。このシート焼成体の密度は、理論密度の95.0%であった。
【0090】
このシートを、実施例1と同様にしてテストピースを作成し、導電率と3点曲げ強度の耐久安定性を求めた。結果を表2に示す。
【0091】
【表1】

Figure 0004855599
【0092】
【表2】
Figure 0004855599
【0093】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、スカンジア安定化ジルコニア電解質に特定の酸化物を少量含有させることによって、この種のジルコニア系セラミックスに欠けていたイオン導電性の長期安定性を改善すると共に、強度持続性にも優れた燃料電池用のスカンジア安定化ジルコニア電解質を提供し得ることになった。
【0094】
そして、この燃料電池用スカンジア安定化ジルコニア電解質は、その優れたイオン導電性とその安定性、および強度持続性を活かし、燃料電池用の酸化物形固体電解質膜として有効に活用できる。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a scandia-stabilized zirconia electrolyte, and in particular, scandia which has stable and excellent oxygen ion conductivity, has sufficient mechanical strength for handling, and has excellent performance as a solid electrolyte membrane for fuel cells. The present invention relates to a stabilized zirconia electrolyte.
[0002]
[Prior art]
Cubic zirconia ceramics and tetragonal zirconia ceramics have been widely studied as electrolytes for solid oxide fuel cells, and yttria is generally used as a stabilizer to stabilize the crystal structure of the ceramics. Has been used.
[0003]
However, the oxygen ion conductivity of zirconia-based ceramics depends on the radius and amount of metal ions added, and zirconia in which scandia is dissolved may have higher conductivity than zirconia in which yttria is dissolved. It is shown. In addition, in order to put the solid oxide fuel cell power generation system into practical use, in addition to the economic efficiency and superior power generation performance comparable to other power generation systems, etc., long-term high-temperature durability of at least 40,000 hours or more Sex is required.
[0004]
Therefore, various researches have been carried out to realize excellent power generation performance at a lower cost than yttria-stabilized zirconia (YSZ) as a solid electrolyte membrane of a fuel cell, which has higher oxygen ion conductivity than yttria-stabilized zirconia. The scandia-stabilized zirconia ceramics that have been attracting attention.
[0005]
For example, a ceramic oxygen ion conductor made of a ternary metal oxide obtained by adding alumina to scandia-stabilized zirconia (ScSZ) is known. This ceramic is stabilized by adding a specific ratio of alumina as a sub-dopant and does not cause structural transformation between room temperature and high operating temperature, and has higher ionic conductivity than yttria-stabilized zirconia. It is considered that the oxygen ion conductor can be used as a solid electrolyte for a fuel cell.
[0006]
In addition, scandia-stabilized zirconia (ScSZ) has a valence of 2 or 3 and is a stable sub-dopant. 2 O Three An oxygen ion conductor made of a ternary metal oxide to which (M represents a metal element) is also known.
[0007]
The sub-dopant is one of the metals M selected from In, Ga, Ti, V, Cr, Fe, Co, Mg, Ca, Zn, Sr, and Ba, and by adding these, While maintaining the characteristics of Sc, the crystal structure is stabilized with cubic crystals, crystal transformations at high temperatures do not appear, high ionic conductivity, and excellent strength sustainability when subjected to thermal cycling. Become.
[0008]
However, none of them describes the change over time in oxygen ion conductivity, which is one of the important requirements for sustaining power generation characteristics over the long term.
[0009]
On the other hand, Volume 72, pages 271-275 (1994), volume 79, pages 137-142 (1995), volume 132, pages 235-239 (2000) of “Solid State Ionics” contain 2 scandia amounts. Scandia-stabilized zirconia (2.9-12ScSZ) varied in the range of 0.9-12 mol%, 8-11 mol% scandia-stabilized zirconia (8-11ScSZ20A) to which 20% by mass of alumina was added Changes over time have been studied. Among them, 11-12ScSZ and 11ScSZ20A having a rhombohedral crystal structure show almost no change over time even after long-term exposure at 1000 ° C. for 4000-6000 hours.
[0010]
However, it has been reported that 8ScSZ having a cubic structure has a conductivity reduced from 0.32 S / cm to 0.14 S / cm after exposure at 1000 ° C. for 1300 hours. In addition, 2.9ScSZ, which is a tetragonal structure, has been reported to decrease in conductivity from 0.09 S / cm to 0.063 S / cm after 1000 hours of exposure at 1000 ° C. In other words, the conductivity is greatly reduced by 30 to 60% after 1000 to 1300 hours of exposure.
[0011]
As described above, alumina has excellent properties as a dispersion strengthening agent. However, since alumina is highly reactive, when alumina is present in the surface layer of the zirconia electrolyte sheet, it is exposed to high temperatures for a long time. In addition, a solid-phase reaction may occur between transition metals and rare earth elements contained in the electrode component, and a new alumina-based composite oxide may be generated. For example, when Ni component is present in the anode, NiAl 2 O Four (Spinel crystal system) is easily generated. Further, when a Mn component is present in the cathode, MnAlO Three (Perovskite crystal system) is easily generated. When these exist in the surface layer part of a zirconia electrolyte sheet, it becomes a foreign substance and becomes a starting point of a crack of a zirconia electrolyte sheet by a thermal expansion difference with a zirconia, and causes strength deterioration. For this reason, it is difficult to say that alumina is preferable as a dispersion strengthener for zirconia for electrolyte.
[0012]
Further, as a solid electrolyte used in a fuel cell power generation system, it is important to stably maintain the high oxygen ion conductivity for a long period of time, for example, 40,000 hours, in addition to high oxygen ion conductivity. Therefore, it is desired to improve such that the rate of decrease in the temperature can be kept small and a high level of electrical characteristics can be maintained for a long time.
[0013]
In other words, there is room for further study, including the type of oxide, contained in the scandia-stabilized zirconia used in the fuel cell system, and the crystal structure and strength of the obtained scandia-stabilized zirconia for fuel cells. Furthermore, there is still room for study on the change over time of the conductivity of the scandia-stabilized zirconia electrolyte for a fuel cell using the same.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made by paying attention to the above-described circumstances, and its purpose is to reduce the time-dependent change in oxygen ion conductivity during high-temperature and long-time use of the scandia-stabilized zirconia electrolyte, thereby stably providing high conductivity. In particular, it is intended to provide a scandia-stabilized zirconia electrolyte having excellent high-temperature strength and strength sustainability, while reducing the degree of deterioration of the initial conductivity until 2000 hours.
[0015]
In addition, as a development goal of “Research and Development of Solid Oxide Fuel Cells” from FY 2001 by the New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO), the target performance of the thermal self-sustaining module is the same as the initial characteristic evaluation. The voltage drop rate after 3000 hours of power generation is less than “0.25% / 1000 hours” (2000 “High Temperature Fuel Cell Power Generation Technology” R & D Report Summary (NEDO, Fuel and Storage Technology) In order to provide a scandia-stabilized zirconia electrolyte in which the deterioration of oxygen ion conductivity over time does not significantly affect the voltage drop rate as a solid electrolyte. is there.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
Under the above-mentioned problems, the present inventors have determined the type of oxide to be blended with scandia-stabilized zirconia and the crystal structure and conductivity of scandia-stabilized zirconia electrolyte for fuel cells, which is the resulting blend. As a result of investigations focusing on changes, we succeeded in obtaining a scandia electrolyte for fuel cells that satisfies both of these characteristics.
[0017]
That is, the scandia-stabilized zirconia electrolyte for a fuel cell according to the present invention that has solved the above-mentioned problems is stabilized by scandia, and from oxides of 4A group, 5A group, 7A group, and 4B group elements. The gist of the invention is that it contains 0.01 to 5% by mass of at least one selected from the group consisting of scandia-stabilized zirconia.
[0018]
More specifically, the scandia-stabilized zirconia for a fuel cell is stabilized with 3 to 15 mol% of scandia and TiO, which is an oxide of an element having a valence of 4 or 5. 2 , Nb 2 O Five , Ta 2 O Five And MnO 2 What contains 0.01-5 mass% of at least 1 sort (s) selected from the group which consists of scandia stabilization zirconia is preferable.
[0019]
In the electrolyte of the present invention, the content of silicon oxide and / or oxides of alkali metals such as Na, K, Rb and Cs is desirably minimized, and preferably 0.1% by mass or less. More preferably, it is desirable to suppress the content to 0.05% by mass or less.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Under the problems as described above, the present inventors have focused on scandia-stabilized zirconia electrolytes, and in order to obtain a more durable electrolyte by reducing the change over time in the conductivity of the electrolyte. I have been researching from this angle.
[0021]
As a result, the change in conductivity over time is greatly influenced by the change in crystal structure and the stability of the grain particle size, and if a specific amount of a specific oxide in scandia-stabilized zirconia is contained, the initial conductivity is slightly reduced. Thus, the inventors have found that the subsequent change in conductivity with time can be suppressed to a small extent, and have arrived at the present invention.
[0022]
It has also been found that the above specific oxide also acts as a dispersion strengthening agent for scandia-stabilized zirconia ceramics, resulting in excellent high-temperature strength and strength sustainability.
[0023]
First, the present invention is directed to zirconia stabilized with scandia, and a general scandia addition amount is 3 mol% or more and 15 mol% or less. That is, if the scandia content is less than 3 mol%, the proportion of monoclinic crystals in the ceramic crystal structure increases, and the stabilization of zirconia becomes insufficient, making it difficult to obtain satisfactory strength. On the other hand, the stabilizing effect of scandia saturates at about 15 mol%, and the inclusion of more expensive scandia is only an economic disadvantage.
[0024]
In order to increase the high temperature endurance strength and the handling strength at room temperature, it is preferable to have a crystal structure mainly composed of a tetragonal system, and the preferable amount of scandia for that purpose is 3 mol% or more, 9 mol% or less, Preferably it is 3.5 mol% or more and 6 mol% or less, More preferably, it is 5 mol% or less.
[0025]
Further, in the present invention, at least one selected from the group consisting of oxides of 4A group, 5A group, 7A group and 4B group elements is used as a scandia-stabilized zirconia in order to suppress change in electrical conductivity as well as mechanical strength. It is necessary to make it contain 0.01 mass% or more and 5 mass% or less with respect to it.
[0026]
Here, 4A group, 5A group, 7A group and 4B group element are, for example, the periodic table of elements described in the RIKEN Dictionary 5th edition (Iwanami Shoten: issued on April 24, 1998) (short period type) ), Specifically, the oxide of the 4A group element is TiO. 2 ; V as an oxide of 5A group element 2 O Five , Nb 2 O Five , Ta 2 O Five ; MnO as an oxide of 7A group element 2 ; GeO as a group 4B element oxide 2 Is preferred.
[0027]
In particular, in order to suppress the initial deterioration of the conductivity of scandia-stabilized zirconia and to enhance the sinterability and stabilize its crystal structure, TiO 2 , Nb 2 O Five , Ta 2 O Five And MnO 2 It is desirable to select at least one selected from the group consisting of:
[0028]
In order to effectively exhibit the effect of the metal oxide, the total amount of zirconia stabilized with scandia, specifically, 0.01% by mass or more, 5.0% with respect to the total amount of zirconia and scandia. It is good to contain in the range of less than mass%, More preferably, it is 0.1 mass% or more and 3.0 mass% or less, More preferably, it is the range of 0.3 mass% or more and 2.0 mass% or less.
[0029]
When the content of the metal oxide is less than 0.01% by mass, the above-described effects are not effectively exhibited. On the other hand, when the content is more than 5% by mass, the initial conductivity is preferably decreased. Absent.
[0030]
Furthermore, in the present invention, it is desirable to suppress the content of silicon oxide that may be mixed as impurities and / or alkali metal oxides such as Na, K, Rb, and Cs as much as possible. It is preferable to suppress the content to 0.1% by mass or less, more preferably 0.05% by mass or less.
[0031]
The silicon oxides and alkali metal oxides are low melting melting oxides compared to zirconia and the oxides, and segregate near the grain boundaries in scandia-stabilized zirconia when exposed to high temperatures for a long time. This is because there is a risk of decreasing the electrical conductivity.
[0032]
Therefore, it is desirable that the scandia-stabilized zirconia electrolyte for a fuel cell of the present invention is substantially free of silicon oxide and / or alkali metal oxide, but both are inevitably mixed in the zirconia raw material powder. More preferably, the content of silicon oxide is 0.03% by mass or less, and the total content of alkali metal oxides is preferably 0.01% by mass or less.
[0033]
Here, the total amount of alkali metal oxide is Na 2 O, K 2 O, Rb 2 O, Cs 2 The total amount of each oxide when O is used.
[0034]
The conductivity referred to in the present invention is a DC four-terminal method using a test piece partially cut with a diamond cutter as a sample for measuring conductivity from a ceramic used as an electrolyte membrane for a solid oxide fuel cell. It refers to the measured value, not the value using the test piece that was produced from the beginning as a sample for measuring conductivity. The size of the test piece used for this measurement was 50 mm long, 5 mm wide, and 0.01-0.6 mm thick.
[0035]
Next, in the scandia-stabilized zirconia electrolyte for fuel cells of the present invention, when the crystal structure is mainly composed of cubic crystals, the average particle size is 1 μm or more and 3 μm or less and the maximum diameter is 4 μm. As described above, it is preferable that the coefficient of variation is 8 μm or less and the variation coefficient is 35% or less in order to suppress the temporal change of the conductivity and ensure a high level of strength.
[0036]
Further, when the crystal structure is mainly composed of tetragonal crystals, the average particle diameter is 0.1 μm or more and 0.5 μm or less, and the maximum diameter is 0.5 μm or more and 1.0 μm or less, and the variation It is preferable that the coefficient is 30% or less in order to suppress the change in conductivity over time and to ensure high temperature strength durability.
[0037]
When the variation coefficient of the grain particle diameter exceeds 35% in the case of cubic crystals or exceeds 30% in the case of tetragonal crystals, the change in conductivity with time tends to increase and the Weibull coefficient tends to decrease to 10 or less. Will arise. The Weibull coefficient is regarded as a material constant that reflects the degree of strength variation, and in order to be used as a solid electrolyte for a fuel cell, the Weibull coefficient is 10 or more, more preferably 12 or more, and even more preferably 15 or more. As a result, the reliability as a material is enhanced and the design of the power generation system is facilitated. On the other hand, when the value is 10 or less, the strength variation is large, the reliability as a material is lacking, and it is not suitable for practical use.
[0038]
Here, the grain diameter of the above scandia-stabilized zirconia ceramics is photographed with a scanning electron microscope (10,000 to 20,000 times) on the surface, and the size of all grain particles in the photographic field of view is determined with calipers. The average diameter, maximum diameter, and coefficient of variation obtained by summing up individual data based on the measured values. When measuring the grain particle size with calipers, the grain particles located at the edge of the photographic field that do not appear as a whole are excluded from the object of measurement, and the grain particles with different vertical and horizontal dimensions are excluded. Used the average value of the major axis and minor axis as the particle diameter.
[0039]
The strength referred to in the present invention refers to a three-point bending strength measured using a test piece prepared in the same manner as a test piece for measuring conductivity in accordance with the provisions of JlS R1601, and the high temperature durability is This refers to a material having a small change over time in strength measured after being held at 950 ° C. for 1000 hours or more.
[0040]
Thus, the scandia-stabilized zirconia electrolyte for a fuel cell of the present invention comprises at least one selected from the group consisting of oxides of 4A group, 5A group, 7A group and 4B group elements as an additive. The addition of 0.01 to 5% by mass with respect to the amount suppresses the change over time in the conductivity of the scandia-stabilized zirconia electrolyte, and further improves the normal temperature strength, high temperature strength and durability thereof. This is extremely useful as a solid electrolyte for a physical fuel cell.
[0041]
Among them, TiO as the oxide 2 , Nb 2 O Three , Ta 2 O Five And MnO 2 The scandia-stabilized zirconia electrolyte of the present invention using at least one selected from the above has an extremely low decrease in initial conductivity compared to those not containing those oxides, and the stability of conductivity over time Therefore, for example, by forming a thin film sheet having a thickness of about 0.01 to 0.6 mm, extremely excellent performance is exhibited as a solid electrolyte membrane of a fuel cell.
[0042]
The powder used as the raw material for the scandia-stabilized zirconia electrolyte for fuel cells according to the present invention having such excellent characteristics may be obtained by adding and mixing the oxide powder of the specific element as it is to a commercially available scandia-stabilized zirconia powder. It can be added to commercially available zirconia powder in the form of an aqueous solution of alkoxide, nitrate, carbonate, etc., and if necessary, it can be further blended with other additives, etc., for hydrolysis, filtration, washing, calcining, mixed grinding, etc. It is good also as a raw material powder by processing.
[0043]
The preferred particle size of the raw material powder is an average particle size of 0.3 to 3 μm, preferably 0.5 to 1.5 μm and a specific surface area of 3 to 30 m. 2 / G, preferably 5-15m 2 / G.
[0044]
In particular, the raw material powder, which is granulated after spray-drying after mixing and pulverization, and having a granular shape of about 10 to 100 μm, has a density of 97% or more, preferably 98% of the theoretical density as a ceramic that has been molded and fired thereafter. It is suitable for increasing the above.
[0045]
In the case of spray drying, the pulverized and mixed zirconia powder may be spray dried by spray drying or the like as it is. However, the binder component (A) is added at the time of spray drying, and the granules containing the binder are spray dried. It is preferable to use the powdered material as a raw material powder because the moldability and sinterability can be further improved.
[0046]
The type of the binder (A) used here is not particularly limited, but is preferably water-soluble, and conventionally known organic or inorganic binders can be appropriately selected and used. Specific examples of the organic binder in the binder (A) include, for example, ethylene copolymers, styrene copolymers, acrylate and methacrylate copolymers, vinyl acetate copolymers, maleic acid copolymers. Examples thereof include cellulose such as coalescence, vinyl butyral resin, vinyl acetal resin, vinyl formal resin, vinyl alcohol resin, waxes, and ethyl cellulose. Specific examples of the inorganic binder include zirconia sol and titania sol. These binders can be used alone or, of course, can be used in combination of two or more if necessary.
[0047]
A preferable blending amount of the binder (A) is more preferably 0.5 parts by mass or more and 10 parts by mass or less in terms of solid content of the binder with respect to 100 parts by mass in total of the scandia-stabilized zirconia powder and the additive oxide. Is 1 part by mass or more and 5 parts by mass or less. The granular raw material powder containing the zirconia powder thus prepared is preferably used as a raw material for press molding.
[0048]
The production method of the scandia-stabilized zirconia electrolyte for a fuel cell according to the present invention is not particularly limited, and the scandia-stabilized zirconia powder prepared as described above is used, and a press molding method or extrusion molding using a mold or rubber. For example, a film forming method using a doctor blade, a sheet forming method using a doctor blade, a slurry coating method or a vapor deposition method on a supporting substrate, and a method of firing are employed.
[0049]
In particular, in order to produce a thin film sheet having a thickness of 10 to 200 μm, sheet forming by a doctor blade method is suitable, and the scandia-stabilized zirconia raw material powder, binder (B), and dispersion medium in which the specific oxide described above is blended. If a slurry is made on a carrier film and formed into a sheet shape, this is dried and the dispersion medium is volatilized to obtain a green sheet. Good.
[0050]
Firing is carried out by placing a green sheet or slurry-coated body formed by the above-described method on a shelf board or a porous setter, and 1300-1600 ° C., preferably about 1350-1500 ° C., most commonly 1400 It is performed by heating at 1450 ° C. for about 1 to 5 hours.
[0051]
The sheet-like zirconia ceramics have a high degree of thermal, mechanical, electrical, and chemical characteristics. When put into practical use for a solid electrolyte membrane of a fuel cell, the current loss is satisfied while satisfying the required strength. In order to suppress as much as possible, the sheet thickness should be 0.01 mm or more, more preferably 0.02 mm or more, 0.6 mm or less, more preferably 0.3 mm or less, and further preferably 0.2 mm or less. .
[0052]
The size is not particularly limited, but in order to obtain a fuel cell system with sufficient power generation capacity on a practical scale, it is 50 cm. 2 Above, preferably 100cm 2 The above dimensions are desirable.
[0053]
The sheet is generally square, rectangular, disc-shaped, or donut-shaped with a hole in the center, but there is no reason to limit it, and any other polygonal shape or hole Any shape such as a polygonal shape may be used. In addition to the sheet shape, a three-dimensional shape such as a cylindrical shape, a cylindrical shape with one side sealed, a honeycomb shape, a corrugated shape, or a dimple shape can also be used effectively.
[0054]
There is no particular limitation on the type of binder (B) blended in the slurry, and conventionally known organic or inorganic binders can be appropriately selected and used. Examples of organic binders include ethylene copolymers, styrene copolymers, acrylate and methacrylate copolymers, vinyl acetate copolymers, maleic acid copolymers, vinyl butyral resins, and vinyl acetal resins. And vinyl formal resins, vinyl alcohol resins, waxes, celluloses such as ethyl cellulose, and the like.
[0055]
Among these, methyl acrylate, ethyl acrylate, propyl acrylate, butyl acrylate, isobutyl acrylate, cyclohexyl acrylate, 2-ethylhexyl are preferred from the viewpoints of moldability and strength when obtaining an unfired zirconia-based molded product, and thermal decomposition during firing. Alkyl acrylates having an alkyl group having 10 or less carbon atoms such as acrylate; carbons such as methyl methacrylate, ethyl methacrylate, butyl methacrylate, isobutyl methacrylate, octyl methacrylate, 2-ethylhexyl methacrylate, decyl methacrylate, dodecyl methacrylate, lauryl methacrylate, cyclohexyl methacrylate Alkyl methacrylates having an alkyl group of several 20 or less; hydroxyethyl acrylate, hydroxy Hydroxyalkyl acrylates or hydroxyalkyl methacrylates having a hydroxyalkyl group such as propyl acrylate, hydroxyethyl methacrylate, hydroxypropyl methacrylate; aminoalkyl acrylates or aminoalkyl methacrylates such as dimethylaminoethyl acrylate and dimethylaminoethyl methacrylate; (meth) acrylic A number average molecular weight of 20,000 to 200,000 obtained by polymerizing or copolymerizing at least one of a carboxyl group-containing monomer such as maleic acid half ester such as acid, maleic acid and monoisopropylmalate; More preferably, 50,000 to 100,000 (meth) acrylate copolymer is recommended.
[0056]
These organic binders can be used alone or in combination of two or more as necessary. Particularly preferred is a monomer polymer containing 60% by mass or more of isobutyl methacrylate and / or 2-ethylhexyl methacrylate.
[0057]
As the inorganic binder, zirconia sol, silica sol, titania sol and the like can be used alone or in combination of two or more.
[0058]
The use ratio of the zirconia-based raw material powder and the binder is preferably in the range of 5 to 30 parts by mass, more preferably 10 to 20 parts by mass in terms of solid content with respect to the former 100 parts by mass, and the amount of binder used is If the amount is insufficient, the strength and flexibility of the molded product will be insufficient. On the other hand, if the amount is too large, not only will it be difficult to adjust the viscosity of the slurry, but there will be a lot of decomposition and release of the binder component during firing, and it will become homogeneous. It becomes difficult to obtain a sintered body.
[0059]
The slurry containing the zirconia powder thus obtained can be suitably formed into a sheet by a doctor blade method.
[0060]
Moreover, as a solvent used for manufacture of a non-baking zirconia molded object, water; alcohols, such as methanol, ethanol, 2-propanol, 1-butanol, and 1-hexanol; ketones, such as acetone and 2-butanone; pentane, Aliphatic hydrocarbons such as hexane and heptane; aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, xylene and ethylbenzene; acetates such as methyl acetate, ethyl acetate and butyl acetate are appropriately selected and used. These solvents can also be used alone, or two or more of them can be appropriately mixed and used. The amount of the solvent used may be appropriately adjusted in consideration of the viscosity of the slurry at the time of forming the green sheet, but the slurry viscosity is preferably in the range of 1 to 10 Pa · s, more preferably 2 to 5 Pa · s. It is better to make adjustments.
[0061]
In the preparation of the slurry, in order to promote peptization and dispersion of the zirconia-based raw material powder, polymer electrolytes such as polyacrylic acid and ammonium polyacrylate; organic acids such as citric acid and tartaric acid; isobutylene or styrene and maleic anhydride Dispersants such as copolymers with acids and ammonium salts or amine salts thereof, copolymers of butadiene and maleic anhydride and ammonium salts thereof; phthalates for imparting flexibility to green bodies (green sheets) Plasticizers such as phthalates such as dibutyl acid and dioctyl phthalate, glycols such as propylene glycol and glycol ethers; and surfactants and antifoaming agents can be added as necessary.
[0062]
A slurry composed of the above raw material blend is formed by the method as described above, dried to obtain a zirconia green body, and then heated and fired to obtain the scandia-stabilized zirconia electrolyte of the present invention.
[0063]
In this firing step, as a means for obtaining a thin sheet-like sintered body having a high flatness without causing deformation such as warpage and undulation, it has an area larger than that of the green sheet and is defined by JIS K7125 (1987). Between a porous sheet having a static friction coefficient of 1.5 or less and a breathability of 0.0005 m / s · kPa or more, measured according to the “Friction Coefficient Test Method for Plastic Films and Sheets”, It is desirable that the green sheet is sandwiched and fired so that the periphery of the green sheet does not protrude, or is fired after the porous sheet is placed so that the periphery of the green sheet does not protrude.
[0064]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples and comparative examples. It is also possible to implement them, and they are all included in the technical scope of the present invention.
[0065]
Example 1
4.5 mol% scandia partially stabilized zirconia powder (Daiichi Rare Elemental Chemical Co., Ltd .: trade name “4.5ScSZ”) 100 parts by mass, isopropyl alcohol 60 parts by mass, titanium isopropoxide in terms of titanium oxide. 3. The mixture added to 3 parts by mass was added, and isopropyl alcohol was distilled off under reduced pressure using a rotary evaporator, followed by drying under reduced pressure, followed by calcination at 800 ° C. to disperse 0.3% by mass of titanium oxide. 5 mol% scandia partially stabilized zirconia powder (A) was obtained. The silica content in the powder was 0.004% by mass, and the sodium oxide content was 0.001% by mass.
[0066]
To 100 parts by mass of this powder (A), 70 parts by mass of water and a water-soluble binder (molecular weight: 50,000, glass transition temperature: -14 ° C.) made of an acrylate copolymer mainly composed of ethyl acrylate are solidified. After adding 5 parts by mass and dispersing and mixing with a ball mill for 20 hours, the resulting slurry is spray-dried by spray drying, and 0.3% by mass of titanium oxide dispersed 4.5 mol% scandia partially stabilized zirconia powder is added. (B) was obtained.
[0067]
Using this zirconia powder (B), 1000 kg / cm by rubber press method 2 After being formed into a plate shape at a pressure of 4.5 mm for a fuel cell containing 0.3% by mass of titanium oxide having a square of about 50 mm square on one side and a thickness of 0.5 mm, fired at 1400 ° C. for 3 hours. A mol% scandia partially stabilized zirconia sheet (I) was obtained. When the density of this sheet fired body was determined by the Archimedes method, it was 98.8% of the theoretical density.
[0068]
In addition, 100 parts by mass of the zirconia powder (A) obtained above was replaced with 14 parts by mass of a binder (molecular weight: 30,000, glass transition temperature: −8 ° C.) made of a methacrylic acid ester copolymer, and plastic. 2 parts by weight of dibutyl phthalate as an agent, 50 parts by weight of a mixed solvent of toluene / isopropyl alcohol (mass ratio: 3/2) as a dispersion medium, and placed in a nylon pot charged with a zirconia ball having a diameter of 5 mm. % Was kneaded at about 60 rpm for 40 hours to prepare a slurry.
[0069]
A part of this slurry was sampled, diluted with a mixed solvent of toluene / isopropyl alcohol (mass ratio: 3/2), and then in the slurry using a laser diffraction particle size distribution analyzer “SALD-1000” manufactured by Shimadzu Corporation. When the particle size distribution of the solid component was measured, the average particle diameter (50 volume% diameter) was 0.49 μm, the 90 volume% diameter was 1.18 μm, and the critical particle diameter (100 volume% diameter) was 2.88 μm. .
[0070]
The slurry was concentrated and defoamed, the viscosity was adjusted to 3 Pa · s (23 ° C.), and finally passed through a 200 mesh filter, and then coated on a polyethylene terephthalate (PET) film by the doctor blade method. A green sheet having a thickness of about 0.18 mm was obtained. This green sheet was cut into a square of about 125 mm on one side, degreased by sandwiching the top and bottom with a 99.5% alumina porous plate with a maximum height of 10 μm, fired at 1400 ° C. for 3 hours, Is a square of about 100 mm square, and a 4.5 mol% scandia partially stabilized zirconia sheet (II) for fuel cells containing 0.3% by mass of titanium oxide having a thickness of 0.15 mm was obtained.
[0071]
The zirconia sheets (I) and (II) are cut into strips having a width of 5 mm and a length of 50 mm with a diamond cutter to obtain test pieces for conductivity measurement and three-point bending strength measurement. And after exposure in an electric furnace maintained at 750 ° C. for 500 hours, 1000 hours, 2000 hours and 3000 hours, the conductivity and the three-point bending strength were measured.
[0072]
The electrical conductivity is measured by winding the test piece exposed to the above high temperature at four intervals at 1 cm intervals with a 0.2 mm diameter platinum wire, applying a platinum paste, drying and fixing at 100 ° C., and a current / voltage terminal. With both ends of the test piece wound with platinum wire sandwiched between alumina plates so that the platinum wire is in close contact with the test piece, a constant load of 0.1 mA is applied to the outer two terminals with a load of about 500 g applied from above. A current was passed, and the voltage at the inner two terminals was measured by a DC multi-terminal method using a digital multimeter (manufactured by Advantest Corporation: trade name “TR6845 type”).
[0073]
The durability stability of the conductivity was determined by the following formula from the initial conductivity and the change over time in the conductivity after a predetermined time.
Degradation rate of conductivity = [(initial conductivity−conductivity after holding for a predetermined time) / (initial conductivity)] × 100 (%)
The bending strength was measured in accordance with JIS R1601, a test piece exposed at high temperature was measured at room temperature, and the bending strength was determined from the ratio between the initial bending strength and the bending strength after a predetermined time by the following formula.
Strength deterioration rate = [(initial strength−strength after holding for a predetermined time) / (initial strength)] × 100 (%)
Furthermore, the composition of the obtained zirconia sheets (I) and (II) for fuel cells was measured by ICP emission spectrometry. The results are shown in Table 1.
[0074]
Example 2
4.0 parts by mass of scandia partially stabilized zirconia powder (Daiichi Rare Elemental Chemical Co., Ltd .: trade name “4ScSZ”) with 100 parts by mass of water, 1.0 part by mass of niobium chloride in terms of niobium oxide was added to 60 parts by mass of water. Niobium hydroxide obtained by decomposition and 1 part by mass of a water-soluble binder composed of the same acrylate copolymer as used in Example 1 above are added and dispersed and mixed for 20 minutes by a ball mill. Subsequently, spray drying was performed by a spray drying method to obtain a binder-added 1.0% niobium oxide dispersion 4.0 mol% scandia partially stabilized zirconia powder (C) for the fuel cell according to the present invention. The silica content in the powder was 0.005% by mass, and the sodium oxide content was 0.001% by mass.
[0075]
Using this powder (C), it was molded by a rubber press method in the same manner as in Example 1, and then fired. A niobium oxide of 1.0 mass having a square of about 50 mm square and a thickness of 0.5 mm was 1.0 mass. A 4.0 mol% scandia partially stabilized zirconia sheet (III) for a fuel cell was obtained. When the density of this sheet fired body was determined by the Archimedes method, it was 98.1% of the theoretical density.
[0076]
A test piece was prepared from this sheet in the same manner as in Example 1, and the durability and durability of the electrical conductivity and the three-point bending strength were determined. The results are shown in Table 1.
[0077]
Example 3
The scandium oxide powder (Wako Pure Chemical Industries, Ltd .: Reagent 99.9%) is 8 mol% with respect to the zirconia powder (Sumitomo Osaka Cement Co., Ltd .: brand name "OZC-0") which is not stabilized by Scandia. A total of 2 kg obtained by adding 1.5% by mass of tantalum oxide powder (Wako Pure Chemical Industries, Ltd .: Reagent 99.8%) to 100 parts by mass of these mixed powders. Was put in a bead mill (manufactured by Kotobuki Giken Kogyo Co., Ltd .: trade name “Apex Mill AM-1”) containing 3 kg of water and zirconia balls having a diameter of 0.5 mm, and the rotor tip circumferential speed was 7 m / sec for 1 hour. Wet crushed.
[0078]
The obtained slurry was put in a rotary evaporator, and an equal amount of octanol was further added and heated under reduced pressure to discharge water to obtain an octanol-substituted slurry. The slurry was further heated under reduced pressure to allow octanol to flow out, and then dried under reduced pressure, whereby a 1.5% tantalum oxide dispersion 8.0 mol% scandia-stabilized zirconia powder for fuel cells according to the present invention ( D) was obtained. The silica content in the powder was 0.004% by mass, and the sodium oxide content was 0.001% by mass.
[0079]
Using this powder (D), 1250 Kg / cm 2 In the same manner as in Example 1 at a pressure of, after being molded by a rubber press method, it is fired at 1450 ° C. and includes 1.5% by mass of tantalum oxide having a square of about 50 mm square and a thickness of 0.5 mm. An 8.0 mol% scandia-stabilized zirconia sheet (IV) for a fuel cell was obtained. The density of the sheet fired body was 97.2% of the theoretical density.
[0080]
Using this sheet (IV), a test piece was prepared in the same manner as in Example 1, and the durability and stability of conductivity and three-point bending strength were determined. The results shown in Table 1 were obtained.
[0081]
Example 4
Water 60 in which 0.8 parts by mass of manganese nitrate in terms of manganese oxide was dissolved in 100 parts by mass of 4.5 mol% scandia partially stabilized zirconia powder (Daiichi Rare Element Chemical Co., Ltd .: trade name “4.5ScSZ”). 1 part by weight of the same water-soluble binder as used in Example 1 was added and dispersed for 20 hours by a ball mill, followed by spray drying by a spray drying method, and 0.8 mass% manganese oxide dispersion 4 added with a binder. 0.0 mol% scandia partially stabilized zirconia powder (E) was obtained. The silica content in the powder was 0.004% by mass, and the sodium oxide content was 0.001% by mass.
[0082]
Using this powder (E), in the same manner as in Example 1, it was molded into a plate shape by a rubber press method and then fired, and then a manganese oxide having a square of about 50 mm square and a thickness of 0.5 mm. A 4.5 mol% scandia partially stabilized zirconia sheet (V) for a fuel cell containing 0.8 mass% was obtained. The density of this sheet was 98.4% of the theoretical density.
[0083]
A test piece was prepared from this sheet in the same manner as in Example 1, and the durability and durability of the electrical conductivity and the three-point bending strength were determined. The results are shown in Table 1.
[0084]
Comparative Example 1
4.5 parts by weight of scandia partially stabilized zirconia powder (Daiichi Rare Elemental Chemical Co., Ltd .: trade name “4.5ScSZ”) 70 parts by weight of water and water-soluble acrylate mainly composed of ethyl acrylate After adding 5 parts by mass of a binder composed of a copolymer and dispersing and mixing with a ball mill for 20 hours, the resulting slurry is spray-dried by a spray drying method to add 4.5 mol% scandia partially stable. Zirconia powder (a) was obtained.
[0085]
Using this zirconia powder (a), 1000 kg / cm by rubber press method 2 After being molded into a plate shape at a pressure of 1400 ° C., it is heated and fired at 1400 ° C. for 3 hours, and a 4.5 mol% scandia partial stability for a fuel cell with a side of about 50 mm square and a thickness of 0.5 mm Zirconia sheet (i) was obtained. The density of this sheet fired body was 96.8% of the theoretical density.
[0086]
A test piece was prepared from this sheet in the same manner as in Example 1, and the durability and durability of the electrical conductivity and the three-point bending strength were determined. The results are shown in Table 2.
[0087]
Comparative Example 2
4.5 parts by mass of scandia partially stabilized zirconia powder (Daiichi Rare Elemental Chemical Co., Ltd .: trade name “4.5ScSZ”), 100 parts by mass of isopropyl alcohol and titanium isopropoxide in terms of titanium oxide After adding the mixture added so that it becomes 8.0 mass%, isopropanol was depressurizingly distilled with a rotary evaporator, and after further drying under reduced pressure, it calcined at 800 degreeC, and 8.0 mass% titanium oxide was disperse | distributed. Thus, 4.5 mol% scandia partially stabilized zirconia powder (b) for a fuel cell was obtained. The silica content in the powder was 0.004% by mass, and the sodium oxide content was 0.001% by mass.
[0088]
For 100 parts by mass of this zirconia powder (b), 70 parts by mass of water and a binder (manufactured by Nippon Shokubai Co., Ltd .: trade name “AT-502”) comprising a water-soluble acrylate copolymer containing ethyl acrylate as a main component are solidified. After adding 5 mass% in terms of minutes and dispersing and mixing with a ball mill for 20 hours, the resulting slurry is spray-dried by a spray drying method to add a binder to 8.0 mass% titanium oxide dispersion 4.5 mol% scandia partially stable Zirconia powder (c) was obtained.
[0089]
Using the obtained zirconia powder (c), 1000 kg / cm by rubber press method 2 For a fuel cell containing 8.0% by mass of titanium oxide having a square of about 50 mm square and a thickness of 0.5 mm by heating and baking at 1400 ° C. for 3 hours. Of 4.5 mol% scandia partially stabilized zirconia sheet (ii) was obtained. The density of the sheet fired body was 95.0% of the theoretical density.
[0090]
A test piece was prepared from this sheet in the same manner as in Example 1, and the durability and durability of the electrical conductivity and the three-point bending strength were determined. The results are shown in Table 2.
[0091]
[Table 1]
Figure 0004855599
[0092]
[Table 2]
Figure 0004855599
[0093]
【The invention's effect】
The present invention is configured as described above, and improves the long-term stability of ionic conductivity lacking in this kind of zirconia-based ceramics by containing a small amount of a specific oxide in a scandia-stabilized zirconia electrolyte. Thus, it was possible to provide a scandia-stabilized zirconia electrolyte for a fuel cell having excellent strength sustainability.
[0094]
The scandia-stabilized zirconia electrolyte for a fuel cell can be effectively used as an oxide solid electrolyte membrane for a fuel cell by utilizing its excellent ionic conductivity, its stability, and strength sustainability.

Claims (3)

スカンジア安定化ジルコニアにおいて、
3〜15モル%のスカンジアで安定化されると共に、
更にNb 2 5 、Ta 2 5 およびMnO 2 よりなる群から選択される少なくとも1種を、スカンジア安定化ジルコニアに対し0.01〜5質量%含有することを特徴とする固体酸化物型燃料電池用スカンジア安定化ジルコニア電解質。
In scandia stabilized zirconia,
Stabilized with 3-15 mol% scandia,
The solid oxide fuel further comprises 0.01 to 5% by mass of at least one selected from the group consisting of Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 and MnO 2 with respect to scandia-stabilized zirconia. Scandia-stabilized zirconia electrolyte for batteries.
酸化ケイ素および/またはアルカリ金属の酸化物の含有量が、それぞれ0.1質量%以下である請求項1に記載のスカンジア安定化ジルコニア電解質。The scandia-stabilized zirconia electrolyte according to claim 1, wherein the content of silicon oxide and / or alkali metal oxide is 0.1% by mass or less. 厚さが0.01mm以上、0.6mm以下のシート状である請求項1または2に記載のスカンジア安定化ジルコニア電解質。The scandia-stabilized zirconia electrolyte according to claim 1 or 2, wherein the scandia-stabilized zirconia electrolyte has a sheet shape having a thickness of 0.01 mm or more and 0.6 mm or less.
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