JPH05225820A - イオン導伝体及び固体燃料電池 - Google Patents
イオン導伝体及び固体燃料電池Info
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- JPH05225820A JPH05225820A JP4057078A JP5707892A JPH05225820A JP H05225820 A JPH05225820 A JP H05225820A JP 4057078 A JP4057078 A JP 4057078A JP 5707892 A JP5707892 A JP 5707892A JP H05225820 A JPH05225820 A JP H05225820A
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- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
- H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
- H01M8/1246—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides
- H01M8/1253—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides the electrolyte containing zirconium oxide
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- Y02E60/50—Fuel cells
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- Compounds Of Alkaline-Earth Elements, Aluminum Or Rare-Earth Metals (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 ＹＳＺに比べてイオン伝導率が高く、さら
に、燃料電池の固体電解質としも実用上使用可能なイオ
ン導伝体及び固体燃料電池を提供することを目的とす
る。 【構成】 （１−ｘ−ｙ）ＺｒＯ2−ｘＳｃ2Ｏ3−ｙＡ2
Ｏ3なる組成を有することを特徴とする。 ただし、０＜ｘ＋ｙ≦０．１６， ｘ＞０， ｙ＞０ ＡはＥｒ，Ｈｏからなる群のうちから選ばれた１種以上
に、燃料電池の固体電解質としも実用上使用可能なイオ
ン導伝体及び固体燃料電池を提供することを目的とす
る。 【構成】 （１−ｘ−ｙ）ＺｒＯ2−ｘＳｃ2Ｏ3−ｙＡ2
Ｏ3なる組成を有することを特徴とする。 ただし、０＜ｘ＋ｙ≦０．１６， ｘ＞０， ｙ＞０ ＡはＥｒ，Ｈｏからなる群のうちから選ばれた１種以上
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、イオン導伝体及び固体
燃料電池に係る。
燃料電池に係る。
【０００２】
【従来の技術】近年、酸素イオン伝導体を用いた固体電
解質材料に関心が高まりつつある。特に、固体燃料電池
における固体電解質として、また、ガスセンサーにおけ
る固体電解質としての用途に関する研究が進められてい
る。
解質材料に関心が高まりつつある。特に、固体燃料電池
における固体電解質として、また、ガスセンサーにおけ
る固体電解質としての用途に関する研究が進められてい
る。
【０００３】燃料電池は図５に示すような基本構造を有
しており、装置の小型化等の観点から、電解質として固
体電解質を用い、装置全体を固体化した固体燃料電池が
試みられている。エネルギーの有効利用という観点から
も、固体燃料電池は本質的に高いエネルギー変換効率を
有し、さらに良好な環境保全が期待されるなどの優れた
特長をも有している。
しており、装置の小型化等の観点から、電解質として固
体電解質を用い、装置全体を固体化した固体燃料電池が
試みられている。エネルギーの有効利用という観点から
も、固体燃料電池は本質的に高いエネルギー変換効率を
有し、さらに良好な環境保全が期待されるなどの優れた
特長をも有している。
【０００４】ところで、固体電解質、特に固体燃料電池
の固体電解質としては従来、酸素イオン導伝体であるＹ
2Ｏ3安定化ＺｒＯ2（ＹＳＺ）が最も有望視されてき
た。
の固体電解質としては従来、酸素イオン導伝体であるＹ
2Ｏ3安定化ＺｒＯ2（ＹＳＺ）が最も有望視されてき
た。
【０００５】しかし、Ｙ2Ｏ3安定化ＺｒＯ2（ＹＳＺ）
において十分なイオン伝導度を得るには１０００℃の高
温動作が必要である。しかるに、このような高温では電
極界面との反応による部品寿命の劣化が激しい。そのた
め固体燃料電池の実用化が遅れているのが現状である。
において十分なイオン伝導度を得るには１０００℃の高
温動作が必要である。しかるに、このような高温では電
極界面との反応による部品寿命の劣化が激しい。そのた
め固体燃料電池の実用化が遅れているのが現状である。
【０００６】このような観点から動作温度を下げること
が望まれ、そのためＹＳＺより高いイオン伝導体の出現
が望まれている。
が望まれ、そのためＹＳＺより高いイオン伝導体の出現
が望まれている。
【０００７】一方、ＹＳＺ以外のイオン導伝体としてＺ
ｒＯ2−Ｓｃ2Ｏ3系のものが知られている。このイオン
導伝体は、ドーパントとしてＳｃを含有せしめたもので
あり、ジルコニア系で最も高いイオン伝導度を有するこ
とが知られている。このようにＳｃを含有せしめたもの
が高いイオン伝導度を示すのは、次の理由からと考えら
れる。すなわち、一般にジルコニア系の酸素イオン伝導
体ではドーパントのイオン半径が小さくなるほどイオン
伝導度が上昇する傾向がある。これはドーパントのイオ
ン半径がＺｒ4+のイオン半径に近づくと、動きうる酸素
イオンの活性化エネルギーが小さくなるためである。し
かるに、Ｓｃのイオン半径はＺｒ4+のイオン半径に近
く、従って、Ｓｃを含有せしめた場合、高いイオン伝導
度を示すものである。
ｒＯ2−Ｓｃ2Ｏ3系のものが知られている。このイオン
導伝体は、ドーパントとしてＳｃを含有せしめたもので
あり、ジルコニア系で最も高いイオン伝導度を有するこ
とが知られている。このようにＳｃを含有せしめたもの
が高いイオン伝導度を示すのは、次の理由からと考えら
れる。すなわち、一般にジルコニア系の酸素イオン伝導
体ではドーパントのイオン半径が小さくなるほどイオン
伝導度が上昇する傾向がある。これはドーパントのイオ
ン半径がＺｒ4+のイオン半径に近づくと、動きうる酸素
イオンの活性化エネルギーが小さくなるためである。し
かるに、Ｓｃのイオン半径はＺｒ4+のイオン半径に近
く、従って、Ｓｃを含有せしめた場合、高いイオン伝導
度を示すものである。
【０００８】しかし、Ｓｃを含有せしめたイオン導伝体
を燃料電池の固体電解質として用いると、電極（図５の
燃料極、酸化剤極）との間で剥離が生じ実用上使用困難
であるという問題がある。
を燃料電池の固体電解質として用いると、電極（図５の
燃料極、酸化剤極）との間で剥離が生じ実用上使用困難
であるという問題がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、ＹＳＺに比
べてイオン伝導率が高く、さらに、燃料電池の固体電解
質としも実用上使用可能なイオン導伝体及び固体燃料電
池を提供することを目的とする。
べてイオン伝導率が高く、さらに、燃料電池の固体電解
質としも実用上使用可能なイオン導伝体及び固体燃料電
池を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明のイオン導伝体
は、（１−ｘ−ｙ）ＺｒＯ2−ｘＳｃ2Ｏ3−ｙＡ2Ｏ3な
る組成を有することを特徴とする。
は、（１−ｘ−ｙ）ＺｒＯ2−ｘＳｃ2Ｏ3−ｙＡ2Ｏ3な
る組成を有することを特徴とする。
【００１１】また、本発明の固体燃料電池は、（１−ｘ
−ｙ）ＺｒＯ2−ｘＳｃ2Ｏ3−ｙＡ2Ｏ3なる組成を有す
るイオン導伝体を固体電解質として用いたことを特徴と
する。
−ｙ）ＺｒＯ2−ｘＳｃ2Ｏ3−ｙＡ2Ｏ3なる組成を有す
るイオン導伝体を固体電解質として用いたことを特徴と
する。
【００１２】 ただし、０＜ｘ＋ｙ≦０．１６， ｘ＞０， ｙ＞０ ＡはＥｒ，Ｈｏからなる群のうちから選ばれた１種以上
である。
である。
【００１３】なお、上記のようなイオン伝導体は、例え
ば、通常の固相反応による焼結法で得られる。
ば、通常の固相反応による焼結法で得られる。
【００１４】
【作用】以下に本発明の作用を本発明をなすに際して得
た知見とともに説明する。
た知見とともに説明する。
【００１５】本発明者は、まず、ＺｒＯ2−Ｓｃ2Ｏ3系
のイオン導伝体を固体電解質として燃料電池に使用した
場合に何故に電極との間での剥離が生ずるかの原因の解
明を行った。その結果、剥離は次のような理由によって
生ずるのであろうとの知見を得た。
のイオン導伝体を固体電解質として燃料電池に使用した
場合に何故に電極との間での剥離が生ずるかの原因の解
明を行った。その結果、剥離は次のような理由によって
生ずるのであろうとの知見を得た。
【００１６】すなわち、ドーパントの増加とともに結晶
構造は単斜晶−菱面体−立方晶と変化し、またイオン伝
導度が最大の値をとる領域では菱面体が室温で安定とな
り立方晶が安定化されない。さらに６５０℃以上では立
方晶に構造相転移するため、熱膨張率の相違に基づき、
熱サイクルによる破壊（剥離）を引き起こすものである
と考えられる。
構造は単斜晶−菱面体−立方晶と変化し、またイオン伝
導度が最大の値をとる領域では菱面体が室温で安定とな
り立方晶が安定化されない。さらに６５０℃以上では立
方晶に構造相転移するため、熱膨張率の相違に基づき、
熱サイクルによる破壊（剥離）を引き起こすものである
と考えられる。
【００１７】かかる相変態を防止するための手段として
はＺｒＯ2−Ｓｃ2Ｏ3系にＹｂ2Ｏ3を添加することは公
知である（特開昭５４−５７５０６号公報）。しかし、
固体燃料電池用の固体電解質材料では相転移抑制ととも
に動作温度である８００℃以上の高温において導伝率の
経時変化のできるだけ少ないことが要求される。
はＺｒＯ2−Ｓｃ2Ｏ3系にＹｂ2Ｏ3を添加することは公
知である（特開昭５４−５７５０６号公報）。しかし、
固体燃料電池用の固体電解質材料では相転移抑制ととも
に動作温度である８００℃以上の高温において導伝率の
経時変化のできるだけ少ないことが要求される。
【００１８】そこで、本発明者は、幾多の実験を重ね創
意探究し、副ドーパントのイオン半径をＹｂ3+より大き
いものを用いたところ、立方晶の安定化度が増し、８０
０℃以上での高温における伝導率の経時変化小さな特性
を有する材料が得られることを知見した。
意探究し、副ドーパントのイオン半径をＹｂ3+より大き
いものを用いたところ、立方晶の安定化度が増し、８０
０℃以上での高温における伝導率の経時変化小さな特性
を有する材料が得られることを知見した。
【００１９】しかし、そのような副ドーパントであって
も、高い伝導度の得られない場合もあり、その理由をさ
らに探求したところ、主ドーパントであるＳｃと副ドー
パントの合計添加量が一つの要因をなしており、ある限
定された範囲内における添加量とすることが必要である
ことを解明し、本発明をなすにいたった。
も、高い伝導度の得られない場合もあり、その理由をさ
らに探求したところ、主ドーパントであるＳｃと副ドー
パントの合計添加量が一つの要因をなしており、ある限
定された範囲内における添加量とすることが必要である
ことを解明し、本発明をなすにいたった。
【００２０】本発明では、（１−ｘ−ｙ）ＺｒＯ2−ｘ
Ｓｃ2Ο3−ｙＡ2Ο3なる材料を用いる。
Ｓｃ2Ο3−ｙＡ2Ο3なる材料を用いる。
【００２１】すなわち、本発明によって得られるイオン
伝導体は、主ドーパントとしてＳｃを含有する。Ｓｃの
イオン半径はＺｒに近いためＹＳＺより酸素イオンが動
きやすい。このためＹＳＺに比ベて低温で著しく大きな
酸素イオン伝導率を実現できる。
伝導体は、主ドーパントとしてＳｃを含有する。Ｓｃの
イオン半径はＺｒに近いためＹＳＺより酸素イオンが動
きやすい。このためＹＳＺに比ベて低温で著しく大きな
酸素イオン伝導率を実現できる。
【００２２】また、本発明では、Ｓｃよりイオン半径の
大きい副ドーパント（Ｅｒ，Ｈｏのうちの１種以上）を
添加する。かかる副ドーパントによりイオン伝導度はほ
ぼＳｃの特性を保持し、なおかつ、結晶構造は立方晶に
安定化され高温での結晶変態は現われない。
大きい副ドーパント（Ｅｒ，Ｈｏのうちの１種以上）を
添加する。かかる副ドーパントによりイオン伝導度はほ
ぼＳｃの特性を保持し、なおかつ、結晶構造は立方晶に
安定化され高温での結晶変態は現われない。
【００２３】さらに本発明では、０＜ｘ＋ｙ≦０．１６
とする。かかる限定された範囲における添加量によって
のみ、相変態がなく、しかも高いイオン伝導度を有する
イオン導伝体が得られる。すなわち、ｘ＋ｙ＞０．１６
とすると高いイオン伝導度が得られなくなる。
とする。かかる限定された範囲における添加量によって
のみ、相変態がなく、しかも高いイオン伝導度を有する
イオン導伝体が得られる。すなわち、ｘ＋ｙ＞０．１６
とすると高いイオン伝導度が得られなくなる。
【００２４】以上のような構成とすることによって、高
イオン伝導度かつ熱サイクルに対する機械的強度の強く
（例えば、電極との剥離が生じない）、高温における導
電率の経時変化の小さな特性を有する材料を実現でき
る。
イオン伝導度かつ熱サイクルに対する機械的強度の強く
（例えば、電極との剥離が生じない）、高温における導
電率の経時変化の小さな特性を有する材料を実現でき
る。
【００２５】
【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。なお、当
然のことではあるが本発明は以下の実施例に限定される
ものではない。
然のことではあるが本発明は以下の実施例に限定される
ものではない。
【００２６】（実施例１）（１−ｘ−ｙ）ＺｒＯ2−ｘ
Ｓｃ2Ο3−ｙＡ2Ο3（０＜ｘ＋ｙ≦０．１６かつｘ＞
０，ｙ＞０，Ａ＝Ｅｒ，Ｈｏのうちから選ばれた１種以
上）を所定の化学組成で配合した後、十分混合し、２０
ｍｍφ、厚さ２ｍｍのぺレットに成型した。次いで、こ
のペレットを１６００℃の温度で空気中２０時間焼成を
行ってイオン伝導体を作製した。
Ｓｃ2Ο3−ｙＡ2Ο3（０＜ｘ＋ｙ≦０．１６かつｘ＞
０，ｙ＞０，Ａ＝Ｅｒ，Ｈｏのうちから選ばれた１種以
上）を所定の化学組成で配合した後、十分混合し、２０
ｍｍφ、厚さ２ｍｍのぺレットに成型した。次いで、こ
のペレットを１６００℃の温度で空気中２０時間焼成を
行ってイオン伝導体を作製した。
【００２７】試料の生成相を粉末Ｘ線回折で同定した
後、イオン伝導率をインピーダンスメータにより、１０
Ｈｚ−１ＭＨｚの周波数でスイープした後、インピーダ
ンスプロットを行って測定した。
後、イオン伝導率をインピーダンスメータにより、１０
Ｈｚ−１ＭＨｚの周波数でスイープした後、インピーダ
ンスプロットを行って測定した。
【００２８】図１の（ａ）に、０．８８ＺｒＯ2−０．
１０Ｓｃ2Ｏ3−０．０２Ｅｒ2Ｏ3の場合の室温における
Ｘ線回折図形を示す。なお、図１の（ｂ）に、副ドーパ
ントを含まない０．８８ＺｒＯ2−０．１２ＳｃＯ3の場
合も示す。
１０Ｓｃ2Ｏ3−０．０２Ｅｒ2Ｏ3の場合の室温における
Ｘ線回折図形を示す。なお、図１の（ｂ）に、副ドーパ
ントを含まない０．８８ＺｒＯ2−０．１２ＳｃＯ3の場
合も示す。
【００２９】ドーパントを含まない場合、室温では菱面
体相が単一相として得られる。ところが、温度を上げる
と６５０℃付近で立方晶に転移する。しかし、副ドーパ
ントの添加により立方晶が安定化されていることがわか
る。
体相が単一相として得られる。ところが、温度を上げる
と６５０℃付近で立方晶に転移する。しかし、副ドーパ
ントの添加により立方晶が安定化されていることがわか
る。
【００３０】図２にイオン伝導度の温度依存性を示す。
Ｅｒ2Ｏ3を添加していない０．８８ＺｒＯ2−０．１２
Ｓｃ2Ｏ3では結晶構造の相転移にともないイオン伝導度
が転移温度付近で不連続的に変化する。Ｅｒ2Ｏ3を添加
した０．８８ＺｒＯ2−０．１０Ｓｃ2０3−０．０２Ｅ
ｒ2Ｏ3ではイオン伝導度はほぼ直線的なアレリウスの関
係をほぼ満足する。Ｅｒ2Ｏ3をドープした場合でも８０
０℃で８×ｌ０-2ｏｈｍ-1ｃｍ-1と優れたイオン伝導性
を示す。
Ｅｒ2Ｏ3を添加していない０．８８ＺｒＯ2−０．１２
Ｓｃ2Ｏ3では結晶構造の相転移にともないイオン伝導度
が転移温度付近で不連続的に変化する。Ｅｒ2Ｏ3を添加
した０．８８ＺｒＯ2−０．１０Ｓｃ2０3−０．０２Ｅ
ｒ2Ｏ3ではイオン伝導度はほぼ直線的なアレリウスの関
係をほぼ満足する。Ｅｒ2Ｏ3をドープした場合でも８０
０℃で８×ｌ０-2ｏｈｍ-1ｃｍ-1と優れたイオン伝導性
を示す。
【００３１】以下同様にして測定した８００℃でのイオ
ン伝導度の結果を表１に示す。いずれの場合も８００℃
におけるＹＳＺの値２×ｌ０-2ｏｈｍ-1ｃｍ-1より高い
イオン伝導度を示し、また結晶構造は室温まで立方晶が
安定化されていた。また、８００℃で３００時間保持し
たときの導電率の低下は、Ｙｂ２Ｏ３をドープした場合
（Δρ／ρ＝３．７〜４．１％）より小さかった。
ン伝導度の結果を表１に示す。いずれの場合も８００℃
におけるＹＳＺの値２×ｌ０-2ｏｈｍ-1ｃｍ-1より高い
イオン伝導度を示し、また結晶構造は室温まで立方晶が
安定化されていた。また、８００℃で３００時間保持し
たときの導電率の低下は、Ｙｂ２Ｏ３をドープした場合
（Δρ／ρ＝３．７〜４．１％）より小さかった。
【００３２】 表１ 材料 伝導率(ohm-1cm-1) 伝導率の低下(%) No.11 0.88ZrO2-0.10Sc2O3-0.02Er2O3 7.7xl0-2 2.0 No.12 0.88ZrO2-0.06Sc2O3-0.06Er2O3 6.1xl0-2 2.1 No.13 0.88ZrO2-0.04Sc2O3-0.08Er2O3 5.0xl0-2 2.0 No.14 0.88ZrO2-0.10Sc2O3-0.02Ho2O3 7.1xl0-2 1.9 No.15 0.88ZrO2-0.06Sc2O3-0.06Ho2O3 5.8xl0-2 1.7 No.16 0.88ZrO2-0.04Sc2O3-0.08Ho2O3 5.0xl0-2 1.8
【００３３】（実施例２）（１−ｘ−ｙ）ＺｒＯ2−ｘ
Ｓｃ2Ｏ3−ｙＡ2Ｏ3（０＜ｘ＋ｙ≦０．１６かつｘ＞
０，ｙ＞０，Ａ＝Ｅｒ，Ｈｏのうちから選ばれた１種以
上）を所定の化学組成で配合した後、十分混合し、２ｍ
ｍφ、厚さ２ｍｍのぺレットに成型した。次いで、この
ペレットを１６００℃の温度で空気中２０時間焼成を行
ってイオン伝導体を作製した。
Ｓｃ2Ｏ3−ｙＡ2Ｏ3（０＜ｘ＋ｙ≦０．１６かつｘ＞
０，ｙ＞０，Ａ＝Ｅｒ，Ｈｏのうちから選ばれた１種以
上）を所定の化学組成で配合した後、十分混合し、２ｍ
ｍφ、厚さ２ｍｍのぺレットに成型した。次いで、この
ペレットを１６００℃の温度で空気中２０時間焼成を行
ってイオン伝導体を作製した。
【００３４】試料の生成相を粉末Ｘ線回折で同定した
後、イオン伝導率をインピーダンスメータにより、１０
Ｈｚ−１ＭＨｚの周波数でスイープした後、インピーダ
ンスプロットを行って測定した。
後、イオン伝導率をインピーダンスメータにより、１０
Ｈｚ−１ＭＨｚの周波数でスイープした後、インピーダ
ンスプロットを行って測定した。
【００３５】図３に、０．９２ＺｒＯ2−０．０６Ｓｃ2
Ｏ3−０．０２Ｅｒ2Ｏ3の場合の室温におけるＸ線回折
図形を示す。なお、副ドーパントを含まない０．９２Ｚ
ｒＯ2−０．０８Ｓｃ2Ｏ3の場合も示す。この場合、生
成相は単一相にならず単斜相と菱面体相の混合相が生成
する。明らかに副ドーパントの添加により立方晶のみが
安定化されていることがわかる。
Ｏ3−０．０２Ｅｒ2Ｏ3の場合の室温におけるＸ線回折
図形を示す。なお、副ドーパントを含まない０．９２Ｚ
ｒＯ2−０．０８Ｓｃ2Ｏ3の場合も示す。この場合、生
成相は単一相にならず単斜相と菱面体相の混合相が生成
する。明らかに副ドーパントの添加により立方晶のみが
安定化されていることがわかる。
【００３６】図４にイオン伝導度の温度依存性を示す。
Ｅｒ2Ｏ3を添加していない０．９２ＺｒＯ2−０．０８
Ｓｃ2Ｏ3では単斜相と菱面体相の混合相のためイオン伝
導度の温度依存性がアレリウスの関係からずれて低温側
でイオン伝導度が低下する。Ｅｒ2Ｏ3を添加した０．９
２ＺｒＯ2−０．０６Ｓｃ2Ｏ3−０．０２Ｅｒ2Ｏ3では
立方晶の単一相が得られイオン伝導度は直線的なアレリ
ウスの関係をほぼ満足し低温でのイオン伝導度の低下も
より少ない。Ｅｒ2Ｏ3をドープした場合でも８００℃で
８．５×１０-2ohm-1cm-1と優れたイオン伝導性を示
す。
Ｅｒ2Ｏ3を添加していない０．９２ＺｒＯ2−０．０８
Ｓｃ2Ｏ3では単斜相と菱面体相の混合相のためイオン伝
導度の温度依存性がアレリウスの関係からずれて低温側
でイオン伝導度が低下する。Ｅｒ2Ｏ3を添加した０．９
２ＺｒＯ2−０．０６Ｓｃ2Ｏ3−０．０２Ｅｒ2Ｏ3では
立方晶の単一相が得られイオン伝導度は直線的なアレリ
ウスの関係をほぼ満足し低温でのイオン伝導度の低下も
より少ない。Ｅｒ2Ｏ3をドープした場合でも８００℃で
８．５×１０-2ohm-1cm-1と優れたイオン伝導性を示
す。
【００３７】以下同様にして測定した８００℃でのイオ
ン伝導度の結果を表２に示す。いずれの場合も８００℃
におけるＹＳＺの値２×ｌ０-2より高いイオン伝導度を
示しまた結晶構造は室温まで立方晶が安定化されてい
た。また、８００℃で３００時間保持したときの伝導率
の低下は、Ｙｂ２Ｏ３をドープした場合（Δρ／ρ＝
４．１〜４．７％）より小さかった。
ン伝導度の結果を表２に示す。いずれの場合も８００℃
におけるＹＳＺの値２×ｌ０-2より高いイオン伝導度を
示しまた結晶構造は室温まで立方晶が安定化されてい
た。また、８００℃で３００時間保持したときの伝導率
の低下は、Ｙｂ２Ｏ３をドープした場合（Δρ／ρ＝
４．１〜４．７％）より小さかった。
【００３８】 表２ 材料 伝導率(ohm-1cm-1) 伝導率の低下(%) No.21 0.92ZrO2-0.06Sc2O3-0.02Er2O3 8.3xl0-2 2.3 No.22 0.92ZrO2-0.04Sc2O3-0.04Er2O3 6.8xl0-2 2.4 No.23 0.92ZrO2-0.02Sc2O3-0.06Er2O3 5.8xl0-2 2.3 No.24 0.92ZrO2-0.06Sc2O3-0.02Ho2O3 7.9xl0-2 2.1 No.25 0.92ZrO2-0.04Sc2O3-0.04Ho2O3 6.4xl0-2 2.0 No.26 0.92ZrO2-0.02Sc2O3-0.06Ho2O3 5.8xl0-2 2.1
【００３９】（実施例３）（１−ｘ−ｙ）ＺｒＯ2−ｘ
Ｓｃ2Ｏ3−ｙＥｒ2Ｏ3（０＜ｘ＋ｙ≦０．１６かつｘ＞
０，ｙ＞０を所定の化学組成で配合した後、十分混合
し、２０ｍｍφ、厚さ２ｍｍのぺレットに成型した。次
いで、このペレットを１６００℃の温度で空気中２０時
間焼成を行ってイオン伝導体を作製した。
Ｓｃ2Ｏ3−ｙＥｒ2Ｏ3（０＜ｘ＋ｙ≦０．１６かつｘ＞
０，ｙ＞０を所定の化学組成で配合した後、十分混合
し、２０ｍｍφ、厚さ２ｍｍのぺレットに成型した。次
いで、このペレットを１６００℃の温度で空気中２０時
間焼成を行ってイオン伝導体を作製した。
【００４０】試料の生成相を粉末Ｘ線回折で同定した
後、イオン伝導率をインピーダンスメータにより、１０
Ｈｚ−１ＭＨｚの周波数でスイープした後、インピーダ
ンスプロットを行って測定した。
後、イオン伝導率をインピーダンスメータにより、１０
Ｈｚ−１ＭＨｚの周波数でスイープした後、インピーダ
ンスプロットを行って測定した。
【００４１】副ドーパントＥｒ2Ｏ3により結晶構造は菱
面体相があらわれず室温まで立方晶が安定化されてい
た。実施例１と同様にして測定した８００℃でのイオン
伝導度の結果を表３に示す。ｘ＋ｙ≦０．１６では８０
０℃におけるＹＳＺの値２×ｌ０-2より高いイオン伝導
度を示した。
面体相があらわれず室温まで立方晶が安定化されてい
た。実施例１と同様にして測定した８００℃でのイオン
伝導度の結果を表３に示す。ｘ＋ｙ≦０．１６では８０
０℃におけるＹＳＺの値２×ｌ０-2より高いイオン伝導
度を示した。
【００４２】ｘ＋ｙ＞０．１６の場合（表３のＮｏ．３
７）は、ＹＳＺよりも伝導率が小さくなり、本発明の目
的を果たさなかった。
７）は、ＹＳＺよりも伝導率が小さくなり、本発明の目
的を果たさなかった。
【００４３】 表３ 材料 伝導率(ohm-1cm-1) No.31 0.96ZrO2-0.02Sc2O3-0.O2Er2O3 2.2xl0-2 （実施例） No.32 0.94ZrO2-0.04Sc2O3-0.02Er2O3 6.0xl0-2 （実施例） No.33 0.90ZrO2-0.08Sc2O3-0.02Er2O3 8.3xl0-2 （実施例） No.34 0.88ZrO2-0.10Sc2O3-0.02Er2O3 7.3xl0-2 （実施例） No.35 0.86ZrO2-0.12Sc2O3-0.02Er2O3 2.3xl0-2 （実施例） No.36 0.84ZrO2-0.14Sc2O3-0.02Er2O3 2.0xl0-2 （実施例） No.37 0.80ZrO2-0.18Sc2O3-0.02Er2O3 1.1xl0-2 （比較例）
【００４４】（実施例４）上記実施例１〜実施例３に係
るイオン導伝体を用いて、固体電解質とし、図５に示す
燃料電池を構成した。その燃料電池に対し、室温〜８０
０℃の繰り返し熱サイクルを与えたところ、電極との剥
離は生じなかった。
るイオン導伝体を用いて、固体電解質とし、図５に示す
燃料電池を構成した。その燃料電池に対し、室温〜８０
０℃の繰り返し熱サイクルを与えたところ、電極との剥
離は生じなかった。
【００４５】
【発明の効果】以上説明したように、ＺｒＯ2−Ｓｃ2Ｏ
3系はジルコニア系で最も高いイオン伝導度を有するが
結晶構造の不安定性のため材料として使えなかったが第
２ドーパントの工夫により従来用いられている酸素イオ
ン導伝体ＹＳＺに比ベて約４倍の伝導度を有し、しかも
構造的には立方晶を室温まで安定化することにより熱サ
イクルに対する機械的強度が強く、高温における伝導率
の経時変化の小さな材料を得ることに成功した。
3系はジルコニア系で最も高いイオン伝導度を有するが
結晶構造の不安定性のため材料として使えなかったが第
２ドーパントの工夫により従来用いられている酸素イオ
ン導伝体ＹＳＺに比ベて約４倍の伝導度を有し、しかも
構造的には立方晶を室温まで安定化することにより熱サ
イクルに対する機械的強度が強く、高温における伝導率
の経時変化の小さな材料を得ることに成功した。
【００４６】本発明は各種の用途に有効であり、例え
ば、固体燃料電池あるいはガスセンサーの固体電解質と
して好適にもちいることができ、特に、固体燃料電池の
低温動作化に大きな貢献をなすものである。
ば、固体燃料電池あるいはガスセンサーの固体電解質と
して好適にもちいることができ、特に、固体燃料電池の
低温動作化に大きな貢献をなすものである。
【図１】（ａ）0.88ZrO2-0.10Sc2O3-0.02Er2O3、（ｂ）
0.88ZrO2-0.12Sc2O3のＸ線回折図形。
0.88ZrO2-0.12Sc2O3のＸ線回折図形。
【図２】（ａ）0.88ZrO2-0.10Sc2O3-0.02Er2O3、（ｂ）
0.88ZrO2-0.12Sc2O3のイオン伝導度を示すグラフ。
0.88ZrO2-0.12Sc2O3のイオン伝導度を示すグラフ。
【図３】（ａ）0.92ZrO2-0.06Sc2O3-0.02Er2Ｏ3、
（ｂ）0.88ZrO2-0.12Sc2O3のＸ線回折図形。
（ｂ）0.88ZrO2-0.12Sc2O3のＸ線回折図形。
【図４】（ａ）0.92ZrO2-0.06Sc2O3-0.02Er2O3、（ｂ）
0.88ZrO2-0.12Sc2O3のイオン伝導度を示すグラフ。
0.88ZrO2-0.12Sc2O3のイオン伝導度を示すグラフ。
【図５】燃料電池の概念構成図。
Claims (2)
- 【請求項１】 （１−ｘ−ｙ）ＺｒＯ2−ｘＳｃ2Ｏ3−
ｙＡ2Ｏ3なる組成を有することを特徴とするイオン導伝
体。 ただし、０＜ｘ＋ｙ≦０．１６， ｘ＞０， ｙ＞０ ＡはＥｒ，Ｈｏからなる群のうちから選ばれた１種以上 - 【請求項２】 （１−ｘ−ｙ）ＺｒＯ2−ｘＳｃ2Ｏ3−
ｙＡ2Ｏ3なる組成を有するイオン導伝体を固体電解質と
して用いたことを特徴とする固体燃料電池。 ただし、０＜ｘ＋ｙ≦０．１６， ｘ＞０， ｙ＞０ ＡはＥｒ，Ｈｏからなる群のうちから選ばれた１種以上
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4057078A JPH05225820A (ja) | 1992-02-07 | 1992-02-07 | イオン導伝体及び固体燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4057078A JPH05225820A (ja) | 1992-02-07 | 1992-02-07 | イオン導伝体及び固体燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05225820A true JPH05225820A (ja) | 1993-09-03 |
Family
ID=13045441
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4057078A Pending JPH05225820A (ja) | 1992-02-07 | 1992-02-07 | イオン導伝体及び固体燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05225820A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6447944B1 (en) | 1999-08-30 | 2002-09-10 | Nissan Motor Co., Ltd. | Solid electrolyte, method of producing same and fuel cell using same |
| EP1598892A1 (en) * | 2004-05-11 | 2005-11-23 | Toho Gas Co., Ltd. | Single cell for a solid oxide fuel cell |
| US7438837B2 (en) | 2003-03-20 | 2008-10-21 | Nissan Motor Co., Ltd. | Method of producing solid electrolyte and solid electrolyte |
| FR2998584A1 (fr) * | 2012-11-28 | 2014-05-30 | Areva | Electrolyseur comportant une membrane electrolytique a conduction anionique et procede d'electrolyse de vapeur d'eau |
-
1992
- 1992-02-07 JP JP4057078A patent/JPH05225820A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6447944B1 (en) | 1999-08-30 | 2002-09-10 | Nissan Motor Co., Ltd. | Solid electrolyte, method of producing same and fuel cell using same |
| US7438837B2 (en) | 2003-03-20 | 2008-10-21 | Nissan Motor Co., Ltd. | Method of producing solid electrolyte and solid electrolyte |
| EP1598892A1 (en) * | 2004-05-11 | 2005-11-23 | Toho Gas Co., Ltd. | Single cell for a solid oxide fuel cell |
| US7235325B2 (en) | 2004-05-11 | 2007-06-26 | Toho Gas Co., Ltd. | Single cell for a solid oxide fuel cell |
| US7422822B2 (en) | 2004-05-11 | 2008-09-09 | Toho Gas Co., Ltd. | Single cell for a solid oxide fuel cell |
| FR2998584A1 (fr) * | 2012-11-28 | 2014-05-30 | Areva | Electrolyseur comportant une membrane electrolytique a conduction anionique et procede d'electrolyse de vapeur d'eau |
| WO2014083134A1 (fr) * | 2012-11-28 | 2014-06-05 | Areva | Electrolyseur comportant une membrane electrolytique a conduction anionique et procede d'electrolyse de vapeur d'eau |
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