JPH07149521A - Zirconia electrolyte powder - Google Patents

Zirconia electrolyte powder

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JPH07149521A
JPH07149521A JP5323375A JP32337593A JPH07149521A JP H07149521 A JPH07149521 A JP H07149521A JP 5323375 A JP5323375 A JP 5323375A JP 32337593 A JP32337593 A JP 32337593A JP H07149521 A JPH07149521 A JP H07149521A
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JP
Japan
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zirconia
alumina
weight
added
sintering
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JP5323375A
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Japanese (ja)
Inventor
Masashi Mori
昌史 森
Hibiki Ito
響 伊藤
Noriyuki Mori
則之 森
Toshio Abe
俊夫 阿部
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Central Research Institute of Electric Power Industry
Original Assignee
Central Research Institute of Electric Power Industry
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Abstract

PURPOSE:To control the sintering behavior in the preparation of a ceramic substance by sintering a zirconia electrolyte powder doped with a dopant for improving the electrical conductivity. CONSTITUTION:The amounts of the compounds or mixtures of SiO2 (xwt.%), Al2O3 (ywt.%) and Na2O (zwt.%) in a zirconia electrolyte powder doped with a conductivity-improving dopant are adjusted to 0<x<=1, 0<y<=5 and 0<z<=2, respectively. A single cell 4 having high reliability can be produced taking advantage of the low-temperature sinterability of the powder by placing the electrolyte 1 produced from the zirconia electrolyte powder between an air electrode 3 and a fuel electrode 2 and co-sintering the laminate.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、イットリアなどの導電
率向上用のドーパントを添加したジルコニア電解質粉体
の焼結挙動を改善する組成に関する。更に詳述すると、
本発明は、特に、共焼結法により固体電解質燃料電池の
ジルコニア電解質膜を製造するのに好適なジルコニア電
解質粉体に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a composition for improving the sintering behavior of zirconia electrolyte powder to which a dopant for improving conductivity such as yttria is added. More specifically,
The present invention particularly relates to a zirconia electrolyte powder suitable for producing a zirconia electrolyte membrane for a solid oxide fuel cell by a co-sintering method.

【0002】[0002]

【従来の技術】ジルコニア電解質粉体、例えば8〜10
モル%のイットリア(Y2 3 )を添加され結晶構造が
安定化または部分安定化されたジルコニア(ZrO2
は、高温でも電子導電性がほとんどなく、高い酸素イオ
ン(O2-)導電性を持ち、高温での酸化・還元雰囲気中
でも化学的に極めて安定である。そのため、その緻密な
焼結体は、固体電解質燃料電池あるいは酸素センサの電
解質として用いられている。
2. Description of the Prior Art Zirconia electrolyte powder, for example 8-10.
Zirconia (ZrO 2 ) whose crystal structure is stabilized or partially stabilized by adding mol% of yttria (Y 2 O 3 ).
Has almost no electronic conductivity even at high temperature, has high oxygen ion (O 2− ) conductivity, and is extremely chemically stable even in an oxidizing / reducing atmosphere at high temperature. Therefore, the dense sintered body is used as an electrolyte of a solid electrolyte fuel cell or an oxygen sensor.

【0003】このようなジルコニアを固体電解質燃料電
池などの電解質に用いる場合に限らず、一般に、セラミ
ックスを緻密に焼結する温度が低いほど、生産時に必要
なエネルギも少なく、大量生産にも適している。そのた
め、低温(約1300℃)で焼結するジルコニア粉体
は、既に開発され、市販されている。
Not only when such zirconia is used as an electrolyte in a solid electrolyte fuel cell, but generally, the lower the temperature at which ceramics are densely sintered, the less energy is required at the time of production, which is suitable for mass production. There is. Therefore, zirconia powder that is sintered at a low temperature (about 1300 ° C.) has already been developed and put on the market.

【0004】一般に、ジルコニアのようなセラミックス
粉体は、温度その他の焼成条件によって様々な相対密度
を示す。この焼結挙動を制御する(例えば緻密焼結に要
する温度等の条件を低下させる)ことができれば、ジル
コニアはより幅広い分野に有効に応用することができ
る。
Generally, ceramic powder such as zirconia shows various relative densities depending on temperature and other firing conditions. If this sintering behavior can be controlled (for example, the conditions such as the temperature required for dense sintering can be reduced), zirconia can be effectively applied to a wider range of fields.

【0005】例えば、図1に示すような平板型固体電解
質燃料電池の電解質にジルコニアを用いる場合には、一
般に図2に示すようなプロセスで単セルが作製されてい
る。まず、ジルコニア粉体に有機溶剤や添加剤などを加
えて、スラリー状にする。そして、ドクターブレード
(テープキャスティング法の一種)法などを用い、30
0μm以下の薄い平板(グリーンシート)に加工する必
要がある。このように平板加工するのは、ジルコニア
は、固体電解質燃料電池の電解質として用いるには、そ
の導電率が充分高くないからである。その後、グリーン
シートをゆっくり熱処理して脱脂、高温焼成などするこ
とにより、真平でかつ緻密な電解質1を得る。そして、
最初にスラリーコーティング法などによりこの電解質1
の板上に燃料極2を成膜し、1400℃、2時間程度の
焼成条件で焼き付ける。その後、再び、スラリーコーテ
ィングなどにより空気極3を燃料極2と反対側に成膜
し、1200℃、4時間程度の焼成条件で焼成して単セ
ル4を得る。このようにして得られた単セル4の性能
は、電極特性の劣化を最小限にとどめることができるた
め、極めて優れている。しかしながら、この製造方法で
は、電極2,3の焼き付け工程時に、焼成していない電
極2,3が熱収縮し、焼成している電解質1が熱膨張す
るので、単セル4が大型化すると、電解質1の板に熱応
力が発生し、電解質1に反り、あるいは割れが発生す
る。このような電解質1に発生する反り、割れをできる
限り少なくするためには、電極2,3を極めて薄く成膜
する必要があり、電極2,3の厚さを4μm程度以下に
した場合には反りが少ない単セル4を製造することがで
きる。尚、セパレータ5は燃料極3と同様の素材からな
る。また、セパレータ6は空気極2と同様の素材から形
成される。
For example, when zirconia is used as the electrolyte of a flat plate type solid electrolyte fuel cell as shown in FIG. 1, a single cell is generally produced by the process as shown in FIG. First, an organic solvent, an additive and the like are added to zirconia powder to form a slurry. Then, using a doctor blade (a kind of tape casting method) method, 30
It is necessary to process into a thin flat plate (green sheet) of 0 μm or less. The plate processing is performed in this manner because the conductivity of zirconia is not high enough to be used as an electrolyte of a solid oxide fuel cell. After that, the green sheet is slowly heat-treated to be degreased and fired at a high temperature to obtain a flat and dense electrolyte 1. And
First, this electrolyte 1
The fuel electrode 2 is formed on the plate of No. 1 and baked under the baking conditions of 1400 ° C. and about 2 hours. After that, the air electrode 3 is again formed into a film on the side opposite to the fuel electrode 2 by slurry coating or the like, and the single cell 4 is obtained by firing at 1200 ° C. for about 4 hours. The performance of the single cell 4 thus obtained is extremely excellent because the deterioration of the electrode characteristics can be minimized. However, in this manufacturing method, the unbaked electrodes 2 and 3 are thermally contracted during the baking process of the electrodes 2 and 3, and the baked electrolyte 1 is thermally expanded. Thermal stress is generated in the plate No. 1 and the electrolyte 1 is warped or cracked. In order to reduce the warpage and cracks generated in the electrolyte 1 as much as possible, it is necessary to form the electrodes 2 and 3 extremely thinly. When the thickness of the electrodes 2 and 3 is about 4 μm or less, It is possible to manufacture the single cell 4 with less warpage. The separator 5 is made of the same material as the fuel electrode 3. The separator 6 is made of the same material as the air electrode 2.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
薄い電極2,3にした単セル4は、発生した電気が集電
極に到達するまでの電気抵抗が極めて大きいため(つま
り、発電した電子は薄い電極2,3を通って集電される
ので、集電経路部分の比抵抗が高い)、集電極付近でし
か発電していない計算になり、電圧を高めるために積層
してスタックを製造した場合、図3に示すようにスタッ
クは単セルと同等の発電性能を示さない。そのため、厚
い電極を持つ高性能な単セルを製造する方法は、高性能
スタックを得るために極めて重要である。
However, the unit cell 4 having such thin electrodes 2 and 3 has an extremely large electric resistance until the generated electricity reaches the collector electrode (that is, the generated electrons are Since the current is collected through the thin electrodes 2 and 3, the specific resistance of the current collecting path is high), so it is calculated that power is being generated only near the collector electrode, and stacks were manufactured by stacking to increase the voltage. In this case, as shown in FIG. 3, the stack does not show the same power generation performance as the single cell. Therefore, the method of manufacturing a high-performance single cell having a thick electrode is extremely important for obtaining a high-performance stack.

【0007】そこで、図4に示すように、ドクターブレ
ード法などの湿式法によって成形された電解質材、空気
極材、燃料極材のテープを、グリーン(未焼成)の状態
で接着することで一枚のテープとし、このテープから一
回の焼成工程により単セルを製造する共焼結法、言い換
えれば、燃料極材/電解質材/空気極材からなるマルチ
テープを一度に焼成させ、製造する同時焼結法が考案さ
れている。この共焼結法を用いれば、3層は焼成工程で
同時に収縮するので、熱応力が発生することがなく、膜
厚の厚い電極を持つ高性能の固体電解質燃料電池の単セ
ルを作製することができると考えられる。
Therefore, as shown in FIG. 4, tapes of an electrolyte material, an air electrode material, and a fuel electrode material formed by a wet method such as a doctor blade method are adhered in a green (unfired) state. A co-sintering method in which a single cell is produced from this tape by a single firing step, in other words, a multi-tape consisting of a fuel electrode material / electrolyte material / air electrode material is fired at once and manufactured simultaneously. A sintering method has been devised. If this co-sintering method is used, the three layers shrink at the same time during the firing process, so that thermal stress does not occur and a high-performance solid electrolyte fuel cell single cell having a thick electrode can be produced. It is thought that it can be done.

【0008】しかしながら、この共焼結法により固体電
解質燃料電池の単セルを製造する場合、高い製造温度
(長時間の1400℃以上)条件で焼成すると空気極で
あるランタンマンガナイトの触媒活性(O2 を2O2-
する能力)が喪失してしまったり、ランタンマンガナイ
ト((La,Sr)MnO 3)の空気極とジルコニア電
解質との界面に10-3S/cm以下の低い導電率を持つ
ランタンジルコネート(La2 Zr2 7 )、ストロン
チウムジルコネート(SrZrO3 )の層が生成し、単
セルの発電特性を大きく低下させる、電解質、空気
極、燃料極の3層を焼成する工程において各温度での熱
収縮率を同じにする必要がある、熱膨張係数を一致さ
せる必要があるなどの多くの問題を解決する必要があ
る。
However, when a single cell of a solid oxide fuel cell is manufactured by this co-sintering method, the catalytic activity (O) of lanthanum manganite, which is an air electrode, is increased by firing at a high manufacturing temperature (1400 ° C. or higher for a long time). The ability to turn 2 into 2O 2- ) is lost, or a low conductivity of 10 -3 S / cm or less is provided at the interface between the air electrode of lanthanum manganite ((La, Sr) MnO 3 ) and the zirconia electrolyte. A step of firing three layers of an electrolyte, an air electrode, and a fuel electrode, in which a layer of lanthanum zirconate (La 2 Zr 2 O 7 ) and a layer of strontium zirconate (SrZrO 3 ) are formed, which greatly deteriorates the power generation characteristics of the single cell. It is necessary to solve many problems such as the need to make the thermal contraction rate the same at each temperature and the thermal expansion coefficient to be the same.

【0009】そこで、(1)焼結助剤としてアルミナ
(Al2 3 )やシリカ(SiO2 )などの2次成分を
用いてジルコニアが緻密に焼結する温度を下げる、
(2)より細かいジルコニア粒子(例えば一次粒子径が
200〜500オングストローム(0.02〜0.05
μm)の粒子)を合成することにより緻密焼結温度を低
下させる(細かい粒子は、低い緻密焼結温度を持つ)、
(3)焼結性に影響する不純物を取り除き、高純度化を
図るなどの課題を解決する試みがなされた。
Therefore, (1) by using a secondary component such as alumina (Al 2 O 3 ) or silica (SiO 2 ) as a sintering aid, the temperature at which zirconia is densely sintered is lowered.
(2) Finer zirconia particles (for example, a primary particle diameter of 200 to 500 angstroms (0.02 to 0.05
μm) particles) to lower the dense sintering temperature (fine particles have a lower dense sintering temperature),
(3) Attempts have been made to solve the problems such as removing impurities that affect the sinterability and achieving high purity.

【0010】このような背景の中で、例えば(2)に対
応するものとして、現在、緻密に焼結する温度が最も低
いジルコニア粉体は、例えば株式会社東ソー製のイット
リア安定化ジルコニア(商品名:TZ−3Y、TZ−8
Y、平均の一次粒子径250オングストローム(0.0
25μm))であり、1300℃〜1400℃の温度で
5時間程度保持することで緻密に焼結する。しかしなが
ら、この粉体は、粒子が細かすぎるため、ドクターブレ
ード法によって成形されたグリーンシート成膜時の充填
率が低く、その乾燥工程におけるグリーンシート中の上
下の熱収縮の違いや焼成工程中のわずかな温度差によ
り、未焼成のグリーンシートが反ったり、焼成後のセラ
ミックスシートに反りが生じたりする。これによって、
例えば固体電解質燃料電池の製品歩留まりの低下や発電
性能の低下を引き起こし、ひいては固体電解質燃料電池
の実用化に最も大きな因子となる信頼性を欠くことにな
り、実用化を著しく阻害する欠点がある。
Under these circumstances, for example, as the one corresponding to (2), the zirconia powder having the lowest temperature for dense sintering is, for example, yttria-stabilized zirconia (trade name, manufactured by Tosoh Corporation). : TZ-3Y, TZ-8
Y, average primary particle size 250 Å (0.0
25 μm)), and the temperature is maintained at 1300 ° C. to 1400 ° C. for about 5 hours for dense sintering. However, since this powder has too small particles, the filling rate when forming a green sheet formed by the doctor blade method is low, and the difference between the upper and lower heat shrinkages in the green sheet in the drying step and the firing step Due to a slight temperature difference, the green sheet that has not been fired may warp or the ceramic sheet that has been fired may warp. by this,
For example, it causes a decrease in product yield of a solid electrolyte fuel cell and a decrease in power generation performance, and eventually lacks reliability, which is the largest factor in putting a solid electrolyte fuel cell into practical use, which is a drawback that significantly impedes practical use.

【0011】本発明は、導電性向上用のドーパントを添
加したジルコニア電解質粉体を焼結してセラミックスを
得る際の焼結挙動を改善できる組成のジルコニア電解質
粉体を提供することを目的とする。
It is an object of the present invention to provide a zirconia electrolyte powder having a composition capable of improving the sintering behavior when sintering a zirconia electrolyte powder to which a dopant for improving conductivity is added to obtain a ceramic. .

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
め、本発明のジルコニア電解質粉体は、導電率向上用の
ドーパントを添加したジルコニア電解質粉体中のSiO
2 、Al2 3 、Na2 Oの化合物あるいは混合物の含
有量をそれぞれx、y、zとすると、 SiO2 0<x≦1重量% Al2 3 0<y≦5重量% Na2 O 0<z≦2重量% の範囲に調整されている。
In order to achieve the above object, the zirconia electrolyte powder of the present invention comprises SiO in the zirconia electrolyte powder to which a dopant for improving conductivity is added.
When the contents of the compound or mixture of 2 , 2 , Al 2 O 3 and Na 2 O are x, y and z respectively, SiO 2 0 <x ≦ 1 wt% Al 2 O 3 0 <y ≦ 5 wt% Na 2 O It is adjusted within the range of 0 <z ≦ 2% by weight.

【0013】ここで、ジルコニア(ZrO2 )の導電率
向上用のドーパントとしては、ジルコニア結晶構造を安
定化あるいは部分安定化する安定剤、例えばイットリア
(Y2 3 )やカルシア(CaO)等が挙げられる。
Here, as the dopant for improving the conductivity of zirconia (ZrO 2 ), stabilizers that stabilize or partially stabilize the zirconia crystal structure, such as yttria (Y 2 O 3 ) and calcia (CaO), are used. Can be mentioned.

【0014】また、SiO2 −Al2 3 −Na2 Oの
含有量を調整するのは、これらの成分がジルコニアの粒
界(粒子の回り)に存在し、ジルコニアの焼結性に大き
な影響を与えるからである。即ち、ジルコニア粒界に存
在するSiO2 −Al2 3−Na2 O層は、ジルコニ
ア粒子相互の固相拡散を妨げ、緻密焼結に要する温度を
上昇させる。ところが、ジルコニア粉体中にAl2 3
を添加すると、SiO2 −Al2 3 −Na2 Oと反応
してこれを吸収し、ジルコニア粒子相互の固相拡散を促
進し、緻密焼結に要する温度を低下させる。
Further, the content of SiO 2 —Al 2 O 3 —Na 2 O is adjusted because these components are present at the grain boundaries (around the grains) of zirconia and have a great influence on the sinterability of zirconia. Is given. That is, the SiO 2 —Al 2 O 3 —Na 2 O layer existing at the zirconia grain boundary hinders the solid phase diffusion between the zirconia particles and raises the temperature required for dense sintering. However, Al 2 O 3 is contained in the zirconia powder.
If added, it reacts with and absorbs SiO 2 —Al 2 O 3 —Na 2 O, promotes solid phase diffusion between zirconia particles, and lowers the temperature required for dense sintering.

【0015】SiO2 −Al2 3 −Na2 Oは、ジル
コニア電解質粉体中に元々含まれているもの、あるいは
添加したもの、いずれでもよく、また化合物あるいは混
合物いずれの形で含有されてもよい。通常、SiO2
Al2 3 −Na2 Oは、ジルコニアの不純物として含
まれており、それを繰り返して精製することにより除去
しているが、SiO2 が(0<x≦1重量%)、Na2
Oが(0<z≦2重量%)の範囲にまで除けば所望の焼
結挙動が得られる。添加する場合には、ジルコニア電解
質粉体に、高純度アルミナ粉体を機械的手法あるいは化
学的手法により分散させる。
SiO 2 --Al 2 O 3 --Na 2 O may be either originally contained in the zirconia electrolyte powder or added thereto, and may be contained in any form of compound or mixture. Good. Usually SiO 2
Al 2 O 3 —Na 2 O is contained as an impurity of zirconia and is removed by repeatedly refining it, but SiO 2 (0 <x ≦ 1 wt%), Na 2
The desired sintering behavior is obtained when O is excluded to the range of (0 <z ≦ 2% by weight). When added, high-purity alumina powder is dispersed in the zirconia electrolyte powder by a mechanical method or a chemical method.

【0016】Al2 3 の添加量も、5重量%を超える
と、アルミナ(Al2 3 )粒子とジルコニア粒子との
熱膨張係数が若干異なるため、焼成時に熱応力が働き、
焼成体にマイクロクラックを発生させ、焼結を妨げる。
また、Al2 3 は、0<y≦5重量%の範囲なら、導
電性を悪化させることもない。むしろAl2 3 を1重
量%とすると、導電率は向上する。
If the addition amount of Al 2 O 3 also exceeds 5% by weight, the thermal expansion coefficient of alumina (Al 2 O 3 ) particles and zirconia particles are slightly different from each other, so that thermal stress acts during firing.
Microcracks are generated in the fired body to prevent sintering.
Further, Al 2 O 3 does not deteriorate the conductivity as long as 0 <y ≦ 5% by weight. Rather, if Al 2 O 3 is 1% by weight, the conductivity will be improved.

【0017】なお、他にMgO、CaO、Fe2 3
がジルコニア中に不純物として存在することがあるが、
これらはジルコニア粒子中に固溶して粒界には存在して
いないか、あるいは焼結性に影響を与えない程度の量し
か粒界に存在しないから無視できる。
In addition, MgO, CaO, Fe 2 O 3, etc. may be present as impurities in the zirconia.
These can be ignored because they do not form a solid solution in the zirconia particles and are not present at the grain boundaries, or they are present at the grain boundaries in an amount that does not affect the sinterability.

【0018】本発明は、各種ドーパントを含んだ安定化
ジルコニアを合成する共沈法、水熱合成法等の種々の粉
体製造方法に応用できる。
The present invention can be applied to various powder production methods such as a coprecipitation method for synthesizing stabilized zirconia containing various dopants and a hydrothermal synthesis method.

【0019】[0019]

【作用】ジルコニア粒子間に形成されたSiO2 −Al
2 3 −Na2 O層は、ジルコニア粒子相互の固相拡散
を妨げ、緻密焼結に要する温度を上昇させる。添加した
アルミナ(Al2 3 )粒子は、SiO2 やNa2 Oと
非常に反応性が良いので、このSiO2 −Al2 3
Na2 O層と反応して、これを吸収し、ジルコニア粒子
相互の固相拡散を促進し、緻密焼結に要する温度を低下
させる。Al2 3 は、0<y≦5重量%の範囲なら、
導電性を悪化させることもない。
[Function] SiO 2 -Al formed between zirconia particles
The 2 O 3 —Na 2 O layer prevents solid phase diffusion between the zirconia particles and increases the temperature required for dense sintering. Since the added alumina (Al 2 O 3 ) particles have very good reactivity with SiO 2 and Na 2 O, this SiO 2 —Al 2 O 3
It reacts with the Na 2 O layer, absorbs it, promotes solid phase diffusion between zirconia particles, and lowers the temperature required for dense sintering. Al 2 O 3 is in the range of 0 <y ≦ 5% by weight,
It does not deteriorate the conductivity.

【0020】このようにSiO2 −Al2 3 −Na2
Oがジルコニアの緻密焼結に要する温度を上昇させる一
方、Al2 3 の添加がジルコニアの緻密焼結に要する
温度を低下させるので、SiO2 、Al2 3 、Na2
Oの含有量をそれぞれx,y,zとすると、(0<x≦
1重量%)、(0<y≦5重量%)、(0<z≦2重量
%)の範囲で含有量を調整することによって、焼結挙動
を制御できる。
[0020] SiO 2 in this way -Al 2 O 3 -Na 2
O increases the temperature required for dense sintering of zirconia, while addition of Al 2 O 3 lowers the temperature required for dense sintering of zirconia. Therefore, SiO 2 , Al 2 O 3 , Na 2
If the contents of O are x, y, and z, respectively, (0 <x ≦
The sintering behavior can be controlled by adjusting the content within the range of 1% by weight), (0 <y ≦ 5% by weight), and (0 <z ≦ 2% by weight).

【0021】次に、8モル%イットリア安定化ジルコニ
ア粉体を例にあげて本発明を説明する。
Next, the present invention will be explained by taking an 8 mol% yttria-stabilized zirconia powder as an example.

【0022】導電率向上用ドーパントを添加したジルコ
ニアにアルミナ(Al2 3 )が添加量xを0<x≦5
重量%の範囲で添加されたものの導電率は、図5に示す
ようにアルミナを添加しない場合の導電率とほぼ同等
か、あるいは添加量によっては特異的に向上する。尚、
図5の導電率は、8モル%イットリア安定化ジルコニア
にアルミナを添加したときの値で、固体電解質燃料電池
の作動温度である1000℃の値である。
Alumina (Al 2 O 3 ) is added to zirconia to which a dopant for improving conductivity is added, and the addition amount x is 0 <x ≦ 5.
The conductivity of those added in the range of wt% is almost equal to the conductivity in the case where alumina is not added as shown in FIG. 5, or specifically improves depending on the addition amount. still,
The conductivity in FIG. 5 is the value when alumina is added to 8 mol% yttria-stabilized zirconia, and is the value at 1000 ° C. which is the operating temperature of the solid electrolyte fuel cell.

【0023】しかしながら、アルミナは電気を通さない
絶縁材料であるため、あまり多く添加するとジルコニア
中の酸素イオン導電を妨げることになり、ジルコニア本
来の導電率を低下させることになる。例えば、8モル%
イットリア安定化ジルコニアの場合、10重量%のアル
ミナを添加したジルコニアの導電率は急激に低下してい
る。これは、5重量%よりも多くのアルミナを加える
と、ジルコニアの導電率が低くなり、固体電解質燃料電
池の電解質として適さなくなるということである。
However, since alumina is an insulating material that does not conduct electricity, if it is added in a too large amount, it will impede the oxygen ion conductivity in zirconia and reduce the intrinsic conductivity of zirconia. For example, 8 mol%
In the case of yttria-stabilized zirconia, the conductivity of zirconia added with 10% by weight of alumina sharply decreases. This means that when more than 5% by weight of alumina is added, the conductivity of zirconia becomes low and it becomes unsuitable as an electrolyte of a solid oxide fuel cell.

【0024】反面、アルミナを全く添加しない場合のジ
ルコニアの導電率が最も高いはずであるが、本測定結果
によるとアルミナを添加しないとき(0%重量アルミ
ナ)の導電率は、アルミナを1重量%添加したときより
も導電率が低いことが分かった。
On the other hand, the conductivity of zirconia should be the highest when alumina is not added at all, but according to the measurement results, the conductivity when alumina is not added (0% by weight alumina) is 1% by weight of alumina. It was found that the conductivity was lower than when added.

【0025】更に、図6に示すように、0<x≦5の組
成領域では、この微少量アルミナを添加したジルコニア
の焼結性は、アルミナの添加量(x=重量%)が緻密に
焼結する温度を低下させるのに役立ち、アルミナを加え
ていない純粋なジルコニアの緻密焼結温度と比べると最
高で200℃も低くすることができる。特に、1重量%
添加したジルコニアの場合には、1400℃程度の低温
で保持時間なしの焼成条件で緻密(相対密度94%)に
焼結させることができる。このような緻密に焼結できる
低温の焼成条件によると、空気極材料のランタンマンガ
ナイト((La,Sr)MnO3 )とジルコニア電解質
とが反応したりすることなく、また空気極自体の触媒活
性も低下することはない。このことは、共焼結法を用い
て高性能な平板型固体電解質燃料電池を製造することが
可能であることを意味する。
Further, as shown in FIG. 6, in the composition region of 0 <x ≦ 5, the sinterability of this zirconia containing a small amount of alumina shows that the amount of alumina added (x =% by weight) is finely sintered. It helps to lower the sintering temperature and can be up to 200 ° C. lower than the dense sintering temperature of pure zirconia without added alumina. Especially 1% by weight
In the case of the added zirconia, it can be densely sintered (relative density 94%) under a firing condition without holding time at a low temperature of about 1400 ° C. Under such a low-temperature firing condition that enables dense sintering, the lanthanum manganite ((La, Sr) MnO 3 ) of the air electrode material does not react with the zirconia electrolyte, and the catalytic activity of the air electrode itself is low. Does not fall. This means that it is possible to manufacture a high performance flat plate solid oxide fuel cell by using the co-sintering method.

【0026】次に、アルミナをジルコニアに添加する
と、なぜこのような特異現象が現れるかを明らかにす
る。
Next, it will be clarified why such a peculiar phenomenon appears when alumina is added to zirconia.

【0027】表1に今回実験に用いた東レ製8モル%イ
ットリア安定化ジルコニア(8YSZ)粉体と大明化学
製アルミナ粉体の組成分析の結果を示す。
Table 1 shows the results of the composition analysis of the 8 mol% yttria-stabilized zirconia (8YSZ) powder manufactured by Toray and the alumina powder manufactured by Daimei Kagaku, which were used in this experiment.

【表1】 [Table 1]

【0028】また、図7に東レ製8YSZ単体と大明化
学製アルミナ単体との各焼成温度での相対密度変化を示
す。アルミナの焼結は、1000℃付近で始まり、その
相対密度は1400℃、保持時間なしで95%に達し
た。一方、8YSZは、1200℃以上で進行し、16
00℃、保持時間なしの条件でも緻密に焼結しなかっ
た。図6に、8YSZとアルミナを添加した8YSZと
の各焼成温度の相対密度を示す。1重量%アルミナを添
加したジルコニアの焼結性が最も高く、1400℃、保
持時間なしの条件でも緻密に焼結した。1重量%以上の
アルミナ添加組成領域では、アルミナ添加量は増加する
につれて徐々にジルコニアの焼結性が低下することがわ
かった。特に、10重量%を添加したジルコニアの焼結
性は、アルミナを添加していないジルコニアより低くな
ることが分かった。これは、アルミナ粒子とジルコニア
粒子との熱膨張係数が若干異なるため、焼成時に熱応力
が働き、焼結体にマイクロクラックを発生させ、焼結を
妨げているためである。
Further, FIG. 7 shows changes in relative densities of the Toray 8YSZ simple substance and the Daimei Chemical alumina simple substance at each firing temperature. Sintering of alumina started around 1000 ° C. and its relative density reached 1400 ° C. and 95% without holding time. On the other hand, 8YSZ progresses above 1200 ° C,
It did not sinter densely even under conditions of 00 ° C. and no holding time. FIG. 6 shows the relative densities of 8YSZ and 8YSZ added with alumina at each firing temperature. Zirconia containing 1% by weight of alumina had the highest sinterability, and it was densely sintered even at 1400 ° C. without holding time. It was found that the sinterability of zirconia gradually decreased as the amount of alumina added increased in the alumina addition composition region of 1% by weight or more. In particular, it was found that the zirconia added with 10 wt% had a lower sinterability than the zirconia without added alumina. This is because the alumina particles and the zirconia particles have slightly different coefficients of thermal expansion, so that thermal stress acts during firing to generate microcracks in the sintered body, which hinders sintering.

【0029】それらのことを確認するため、実験に用い
たイットリア安定化ジルコニア中の不純物に関して調べ
た。すると、その粉体中には極めて少ない量ではあるが
SiO2 、MgO、CaO、Fe2 3 、Al2 3
Na2 Oが不純物として混入していることが分かった
(SiO2 は分析装置の検出限界以下であったが、必ず
存在している)。これらの不純物のうち焼結性に大きく
影響しているのは8YSZの粒子の回り(粒界)に存在
するものであると考えられる。MgO、CaOは、8Y
SZとの固溶領域が広いため、ジルコニア粉末合成時
(焼成条件:1000℃、2時間)に既に8YSZの粒
子内に存在している。そのため、これらの元素は、不純
物としてジルコニアの粒界には存在しない。これに対し
て、Fe2 3 は、1200℃において約2モル%弱、
Al2 3 は1700℃において0.5モル%未満の極
めてわずかな量しか固溶せず、またSiO2 とNa2
とは8YSZと固溶領域を持っていないことが知られて
いる。しかしながら、Fe2 3 は、含有量が他の不純
物と比較して1桁以上少ない上、8YSZへの固溶量も
Al2 3 と比較して4倍以上多いので、ジルコニアの
焼結に影響している不純物として無視できると考えられ
る。事実、わずかなFe2 3 をジルコニアに添加して
も焼結性にほとんど影響がないことが分かった。この結
果、主な不純物は、SiO2 、Al2 3 、Na2 Oで
あると推測することができ、粒界に存在して焼結に大き
く影響している。
In order to confirm these things, impurities in the yttria-stabilized zirconia used in the experiment were examined. Then, although it is a very small amount in the powder, SiO 2 , MgO, CaO, Fe 2 O 3 , Al 2 O 3 ,
It was found that Na 2 O was mixed as an impurity (SiO 2 was below the detection limit of the analyzer, but it was always present). It is considered that among these impurities, those which have a great influence on the sinterability are those existing around the 8YSZ particles (grain boundaries). 8Y for MgO and CaO
Since the solid solution region with SZ is wide, it is already present in the 8YSZ particles at the time of synthesizing the zirconia powder (calcination conditions: 1000 ° C., 2 hours). Therefore, these elements do not exist as impurities in the grain boundaries of zirconia. On the other hand, Fe 2 O 3 is about 2 mol% at 1200 ° C.,
Al 2 O 3 forms a very small amount of solid solution at less than 0.5 mol% at 1700 ° C., and SiO 2 and Na 2 O
Is known to have no solid solution region with 8YSZ. However, the content of Fe 2 O 3 is smaller than that of other impurities by one digit or more, and the amount of solid solution in 8YSZ is more than 4 times as large as that of Al 2 O 3 , so that it is suitable for sintering zirconia. It is considered that it can be ignored as an influencing impurity. In fact, it has been found that adding a small amount of Fe 2 O 3 to zirconia has little effect on sinterability. As a result, it can be inferred that the main impurities are SiO 2 , Al 2 O 3 , and Na 2 O, and they are present at the grain boundaries and have a great influence on the sintering.

【0030】次に熱分析装置を用いて、このSiO2
Al2 3 −Na2 O系の不純物の挙動を調べた。尚、
ここでAl2 3 とNa2 Oとの量は明かであるが、S
iO2 の量は検出限界以下であったので、SiO2 の量
が検出限界値(試料)、SiO2 の量が検出限界値1
/2(試料)の2つの試料を用いて実験した。分析法
は、熱重量測定と示差熱分析との2通りの手法を用いて
行った。その結果を図8,9に示す。図8に示す試料
の示差熱分析曲線では、50℃付近での吸熱ピークが現
れているが、このピークは試料中に含まれる水分の脱水
反応によるものと考えられる。2番目に現れる吸熱ピー
ク(922℃)は、試料の包晶温度(固体が固体と液体
とに分かれる温度)に起因している。続いて、1123
℃付近に弱い吸熱ピークが現れ、1200℃に到達する
前に発熱ピークに変化している。この複雑な挙動は、1
120℃付近からNa2 Oの蒸発が始まり、それに合わ
せて試料中の相の平衡状態が変化するためである。つま
り、試料中からナトリウムの量が少なくなることで、試
料の包晶温度も上昇し、固相と液相との割合において固
相が多くなるほうに移行していく(固化していく)こと
に起因する発熱のピークである。SiO2 の量を1/2
にした試料では、図9に示すように包晶温度は746
℃付近まで下がることが分かった。また、約1135℃
以上で試料と同様にNa 2Oの蒸発が始まっているこ
とが示差熱分析曲線、熱重量測定曲線から明かである。
1200℃を越えた付近の発熱から吸熱に変化している
ピークが試料と比べて大きいのは、試料中のSiO2
の量が少ないので、試料中の組成が固化する条件の組成
に変化するまでNa2 Oが蒸発しているためである。
Next, using a thermal analyzer, this SiO 2
The behavior of Al 2 O 3 —Na 2 O-based impurities was investigated. still,
Here, the amounts of Al 2 O 3 and Na 2 O are clear, but S
Since the amount of iO 2 was below the detection limit, the amount of SiO 2 was the detection limit value (sample), and the amount of SiO 2 was the detection limit value 1
The experiment was performed using two samples of / 2 (sample). The analysis method was performed using two methods, thermogravimetric measurement and differential thermal analysis. The results are shown in FIGS. In the differential thermal analysis curve of the sample shown in FIG. 8, an endothermic peak at around 50 ° C. appears, but this peak is considered to be due to the dehydration reaction of water contained in the sample. The second endothermic peak (922 ° C.) is due to the peritectic temperature of the sample (the temperature at which the solid separates into solid and liquid). Then 1123
A weak endothermic peak appears at around 0 ° C and changes to an exothermic peak before reaching 1200 ° C. This complex behavior is 1
This is because evaporation of Na 2 O starts from around 120 ° C. and the equilibrium state of the phases in the sample changes accordingly. In other words, as the amount of sodium in the sample decreases, the peritectic temperature of the sample also rises, and the solid phase and the liquid phase move to the one in which the solid phase increases (solidify). It is a peak of heat generation due to. 1/2 of SiO 2
In the sample prepared as above, the peritectic temperature was 746 as shown in FIG.
It was found that the temperature dropped to around ℃. Also, about 1135 ℃
As described above, it is clear from the differential thermal analysis curve and the thermogravimetric measurement curve that the evaporation of Na 2 O has started, as in the case of the sample.
The peak of the change from exothermic to endothermic near 1200 ° C is larger than that of the sample because SiO 2 in the sample is large.
This is because Na 2 O is evaporated until the composition in the sample changes to the composition of the solidification condition because the amount of Na 2 O is small.

【0031】更に、緻密化が進んでいる1300℃と1
400℃とで焼成(保持時間なし)した後の試料中のナ
トリウム含有量とアルミナの添加量との関係を調べた。
図10の横軸は、ジルコニアに添加したアルミナの量、
縦軸は焼成後の試料中に含まれるナトリウム量を表して
いる。1300℃で焼成した各試料中のナトリウム含有
量は、8YSZが0.0093重量%であり、1重量%
アルミナを添加したジルコニアの場合には、一旦少なく
なった後、アルミナ添加量が多くなるに従い、試料中の
ナトリウム含有量は増加する。この増加の理由は、酸化
ナトリウムが添加したアルミナと反応し、β−アルミナ
系化合物を形成しており、酸化ナトリウムの蒸発が抑え
られていると考えられる。焼結性が最も高かった1重量
%アルミナを添加した8YSZ中の酸化ナトリウムの量
が最も少なかった。
Further, 1300 ° C. and 1
The relationship between the sodium content in the sample after firing at 400 ° C. (no holding time) and the amount of alumina added was examined.
The horizontal axis of FIG. 10 represents the amount of alumina added to zirconia,
The vertical axis represents the amount of sodium contained in the sample after firing. The sodium content in each sample calcined at 1300 ° C. was 0.0093% by weight for 8YSZ and was 1% by weight.
In the case of zirconia to which alumina is added, the content of sodium in the sample increases as the amount of alumina added increases once the amount decreases. The reason for this increase is considered to be that sodium oxide reacts with the added alumina to form a β-alumina-based compound, and evaporation of sodium oxide is suppressed. The amount of sodium oxide in 8YSZ with the addition of 1 wt% alumina, which had the highest sinterability, was the lowest.

【0032】以上記した種々の実験から、図11および
図12に示すような焼結モデルが考えられる。SiO2
−Al2 3 −Na2 O系では、その組成によりかなり
低い温度で試料中に融体が現れる。本実験に用いた試料
中の不純物の包晶温度は、746〜922℃であること
が分かっている。この温度は、8YSZの初期焼結が起
こった温度であり、SiO2 −Al2 3 −Na2 O系
中の液相が関与している可能性が強い。しかし、液相焼
結では、もし液相が母材(この場合、8YSZ)の拡散
に影響しないなら、母材の緻密化にそれほど効果的には
働かない。なぜなら、セラミックス粒子の緻密化は、現
れた液相が固相に変化する(溶解−析出)過程で急速に
促進されるからである。特に、SiO2 を含んでいる化
合物(あるいはガラス)層は、ジルコニア焼結体中の酸
素イオンの拡散を阻害することからも明らかなように、
焼結には良い影響を与えない。
From the various experiments described above, the sintering model as shown in FIGS. 11 and 12 can be considered. SiO 2
In the -Al 2 O 3 -Na 2 O system, a melt appears in the sample at a considerably low temperature due to its composition. It is known that the peritectic temperature of the impurities in the sample used in this experiment is 746 to 922 ° C. This temperature is the temperature at which the initial sintering of 8YSZ has occurred, and it is highly possible that the liquid phase in the SiO 2 —Al 2 O 3 —Na 2 O system is involved. However, in liquid phase sintering, if the liquid phase does not affect the diffusion of the base material (8YSZ in this case), it does not work very effectively for densification of the base material. This is because the densification of ceramic particles is rapidly promoted in the process of changing the appearing liquid phase into a solid phase (dissolution-precipitation). In particular, as is clear from the fact that the compound (or glass) layer containing SiO 2 inhibits the diffusion of oxygen ions in the zirconia sintered body,
Does not have a positive effect on sintering.

【0033】これらのことから、本8YSZ粉体は、図
11のように焼結が進んでいると推測できる。アルミナ
を添加していないジルコニア粉体は、(A)のようにジ
ルコニア粒子の部分的に極めて薄いSiO2 −Al2
3 −Na2 O系化合物層が付着している。次に、温度が
包晶温度まで上がると、(B)に示すように可塑性に富
んだガラスあるいは融体(若しくは融体を含んだ液相−
固相の混合相)がジルコニア粒子を引っ張るように変化
する。この層は、母材のジルコニア粒子を漏らすが、不
純物であるのでこのままでは析出反応が起こらない(固
化しない)。しかし、より温度が高くなると(C)のよ
うにガラス中からナトリウムの蒸気が発生し、ガラス中
のナトリウムが少なくなり、SiO2 −Al2 3 −N
2 O系の融点も上がり、固化することで、(D)のよ
うに焼結が進行する。ただし、このときナトリウムの蒸
気が再びジルコニア粒子のネックに凝縮(蒸発−凝縮機
構)することで、凝縮を遅らせている可能性が強い。
From these facts, it can be inferred that the present 8YSZ powder is being sintered as shown in FIG. The zirconia powder to which alumina is not added has a partially thin SiO 2 —Al 2 O part of the zirconia particles as shown in (A).
The 3- Na 2 O-based compound layer is attached. Next, when the temperature rises to the peritectic temperature, as shown in (B), the glass or the melt (or the liquid phase containing the melt) having high plasticity is used.
The mixed phase of the solid phase) changes so as to pull the zirconia particles. This layer leaks the zirconia particles of the base material, but since it is an impurity, the precipitation reaction does not occur (does not solidify) as it is. However, when the temperature becomes higher, vapor of sodium is generated from the glass as shown in (C), the sodium in the glass decreases, and SiO 2 —Al 2 O 3 —N
When the melting point of the a 2 O-based material also rises and solidifies, sintering proceeds as in (D). However, at this time, it is highly possible that the vapor of sodium is condensed again on the neck of the zirconia particles (evaporation-condensation mechanism) to delay the condensation.

【0034】一方、Al2 3 を添加したジルコニアで
は、SiO2 やNa2 Oと非常に反応性の高いAl2
3 が、図12のようにジルコニアの焼結を阻害している
SiO2 −Al2 3 −Na2 O層を反応・吸収してし
まう。そして、ジルコニア粒子の再配列が容易に起こ
り、ジルコニア粒子どうしの固相拡散を促進させる。
On the other hand, the zirconia added with Al 2 O 3, SiO 2 and Na 2 O and very reactive Al 2 O
As shown in FIG. 12, 3 reacts and absorbs the SiO 2 —Al 2 O 3 —Na 2 O layer that inhibits the sintering of zirconia. Then, rearrangement of the zirconia particles easily occurs and promotes solid phase diffusion between the zirconia particles.

【0035】このことを確認するために、最も焼結性の
高い東ソー製のTZ−8Yに、焼結に影響を及ぼしてい
ると考えられるSiO2 、Al2 3 及びNa2 Oを添
加し、それらの焼結性を測定した。その結果を図13、
14、及び15に示す。図13に示すように、SiO2
の場合、1重量%添加してもTZ−8Yの焼結性はほと
んど変化しなかった。図14に示すようにAl2 3
1重量%添加すると、東レ製8YSZの場合と同様に1
300〜1400℃付近で焼結性に大きな改善がみられ
た。しかしながら、図15に示すように酸化ナトリウム
Na2 Oは、わずか0.1重量%添加しただけでも、純
粋なTZ−8Yに比べて焼結挙動が約100℃も高くな
った(焼結性が低くなった)。
To confirm this, SiO 2 , Al 2 O 3 and Na 2 O, which are considered to affect the sintering, were added to TZ-8Y manufactured by Tosoh, which has the highest sinterability. , Their sinterability was measured. The result is shown in FIG.
14 and 15. As shown in FIG. 13, SiO 2
In the case of 1% by weight, the sinterability of TZ-8Y hardly changed. As shown in FIG. 14, when 1 wt% of Al 2 O 3 is added, it becomes 1% as in the case of Toray 8YSZ.
A significant improvement in sinterability was observed at around 300 to 1400 ° C. However, as shown in FIG. 15, the addition of only 0.1% by weight of sodium oxide Na 2 O increased the sintering behavior by about 100 ° C. as compared with pure TZ-8Y (sinterability was high). Became low).

【0036】また、超純水を用いて8YSZ粉体を洗浄
することにより、Na2 Oを取り除いたときの8YSZ
の各焼成温度と相対密度との変化を図16に示す。この
図16から明らかなように、酸化ナトリウムNa2
は、焼結性を低下させる大きな原因となっている。これ
らのことから、高純度ジルコニア粉体の焼結には、図1
1の焼結モデルのように、粉体中のNa2 Oなどの不純
物の量が大きく関与していることを意味している。
Further, by washing the 8YSZ powder with ultrapure water, 8YSZ when Na 2 O was removed
FIG. 16 shows changes in the respective firing temperatures and relative densities. As is clear from FIG. 16, sodium oxide Na 2 O
Is a major cause of deterioration of sinterability. From these facts, the sintering of high-purity zirconia powder should be performed as shown in FIG.
It means that the amount of impurities such as Na 2 O in the powder is greatly involved, as in the sintering model of No. 1.

【0037】固体電解質燃料電池の構成材料中、ジルコ
ニア電解質は最も導電率が低く、その特性が電池性能に
大きな影響を与える。図5に、1000℃における8Y
SZ中のアルミナ添加量と導電率との関係を示す。導電
率は、1重量%アルミナを添加したときが最も高く、そ
の値が0.16S/cmであった。また、5重量%添加
まではアルミナを添加していない8YSZとほとんど同
じ導電率であったが、10重量%まで添加すると急激に
低下することが分かった。また、図17は、アルミナ添
加重量%の導電率の温度依存性である。このグラフ中の
250〜700℃の導電率から、酸素イオンの動きやす
さの指標となる活性化エネルギを計算すると、8YSZ
に関しては43.4kJ/molが得られ、この値は従
来の報告と一致した。アルミナ添加8YSZの導電率の
温度依存性のグラフから求めた活性化エネルギは、4
3.7〜44.3kJ/molの領域で変化し、アルミ
ナ添加量の増加に従いわずかに大きくなっていくことが
分かった。
Among the constituent materials of the solid electrolyte fuel cell, the zirconia electrolyte has the lowest electric conductivity, and its characteristics greatly affect the cell performance. Figure 5 shows 8Y at 1000 ° C
The relationship between the added amount of alumina in SZ and the electrical conductivity is shown. The conductivity was highest when 1 wt% alumina was added, and the value was 0.16 S / cm. It was found that up to 5% by weight, the conductivity was almost the same as that of 8YSZ to which alumina was not added, but when it was added up to 10% by weight, it was found that the conductivity was sharply reduced. In addition, FIG. 17 shows the temperature dependence of the conductivity of alumina added weight%. When the activation energy, which is an index of the mobility of oxygen ions, is calculated from the conductivity of 250 to 700 ° C. in this graph, it is 8YSZ.
43.4 kJ / mol was obtained, which was in agreement with the previous report. The activation energy obtained from the graph of the temperature dependence of the conductivity of alumina-added 8YSZ is 4
It was found that the value changed in the region of 3.7 to 44.3 kJ / mol and increased slightly as the amount of alumina added increased.

【0038】これらの原因を明らかにするために、25
0℃の低温でジルコニア中の導電率をインピーダンス法
により測定・解析した。8YSZと1重量%アルミナを
添加した8YSZとの測定結果を図18に示す。この図
中に描かれている左側の半円は、ジルコニア焼結体中の
粒内のインピーダンスを、右側の半円は粒界インピーダ
ンスを意味する。8YSZの円弧と比べると、1重量%
アルミナを添加した8YSZの円弧は、粒内のインピー
ダンスには差がないが、8YSZと異なり粒界のインピ
ーダンスがほとんどないことが分かる。相対密度にほと
んど差がない試料を用いていることを考えると、図5に
示した8YSZと1重量%のアルミナを添加した8YS
Zの1000℃の導電率の差は、粒界抵抗分の差である
ということができる。
To clarify these causes, 25
The electrical conductivity in zirconia was measured and analyzed by the impedance method at a low temperature of 0 ° C. The measurement results of 8YSZ and 8YSZ containing 1% by weight of alumina are shown in FIG. The semicircle on the left side in this figure means the impedance inside the grain in the zirconia sintered body, and the semicircle on the right side means the grain boundary impedance. 1% by weight compared to an 8YSZ arc
It can be seen that the 8YSZ arc to which alumina is added has no difference in the impedance inside the grain, but unlike 8YSZ, there is almost no impedance at the grain boundary. Considering that a sample having almost no difference in relative density is used, 8YSZ shown in FIG. 5 and 8YS containing 1% by weight of alumina are added.
It can be said that the difference in the electrical conductivity of Z at 1000 ° C. is the difference in the grain boundary resistance.

【0039】これらの実験結果から、アルミナを添加し
たジルコニアの焼結体は、図19のようなモデルである
と考えることができる。アルミナを添加していない8Y
SZの焼結体の粒子7は、極めて薄いガラス層8に囲ま
れていたり、あるいは部分的に覆われている(図19
(A))。言い換えれば、8YSZに溶け込むことがで
きないので、ガラス層8は粒界に存在しているというこ
とである。この層8は、おそらくNa2 Oがほとんど含
まれていないSiO2 −Al2 3 系ガラス(あるいは
ムライト)であり、ジルコニア中の酸素イオンの拡散を
妨げている。ところが、アルミナ粒子9を添加すると、
このガラス層8と反応性が高いため、アルミナ粒子9中
にガラス層8を反応・吸収そして固化してしまう。この
ように添加したアルミナ粒子9は、酸素イオンを阻害す
るガラス層8を取り除いてしまうため(図19
(B))、わずかにアルミナを添加した8YSZ中の粒
界での電気抵抗を減少させていると考えられる。しかし
ながら、アルミナ添加量が増加すると、アルミナ粒子9
は絶縁体であるので、再び粒界での酸素イオンの移動を
妨害するようになる(図19(C))。それゆえ、アル
ミナを必要以上添加すると、導電率を低くしたり、活性
化エネルギを高くしたりする。
From these experimental results, it can be considered that the zirconia sintered body to which alumina is added has a model as shown in FIG. 8Y without added alumina
The particles 7 of the SZ sintered body are surrounded or partially covered by an extremely thin glass layer 8 (FIG. 19).
(A)). In other words, the glass layer 8 exists at the grain boundaries because it cannot dissolve in 8YSZ. This layer 8 is probably a SiO 2 —Al 2 O 3 based glass (or mullite) containing almost no Na 2 O and prevents diffusion of oxygen ions in zirconia. However, when the alumina particles 9 are added,
Since the glass layer 8 has high reactivity, the alumina layer 9 reacts with and absorbs the glass layer 8 and solidifies it. The alumina particles 9 added in this way remove the glass layer 8 which inhibits oxygen ions (see FIG. 19).
(B)) It is considered that the electrical resistance at the grain boundaries in 8YSZ with a slight addition of alumina is reduced. However, when the amount of alumina added increases, the alumina particles 9
Is an insulator, so that it again interferes with the movement of oxygen ions at the grain boundaries (FIG. 19C). Therefore, if alumina is added more than necessary, the conductivity will be lowered and the activation energy will be increased.

【0040】また、Na2 Oが2重量%まではアルミナ
添加により同様な効果が得られることが分かった。
It was also found that the same effect can be obtained by adding alumina up to 2% by weight of Na 2 O.

【0041】尚、これら熱分析測定及び不純物が焼結性
に与える影響の実験に用いた試料は次のようにして作製
された。 〔熱分析測定の実験用試料作製例〕 (a)Al2 3 0.6989g、Na2 O 0.5
931g、SiO2 0.1776gを秤量し・混合
し、ペレットに加圧成型した後、1000℃で10時間
焼成した。この混合・焼成の作業を2回繰り返した後、
熱分析測定用の試料とした。 (b)Al2 3 0.6989g、Na2 O 0.5
931g、SiO2 0.0888gを秤量し・混合
し、ペレットに加圧成型した後、1000℃で10時間
焼成した。この混合・焼成の作業を2回繰り返した後、
熱分析測定用の試料とした。 〔極微量の不純物がジルコニアの焼結性に与える影響を
調べる実験の試料作製例〕 (c)東ソー製TZ−8Y(Y2 3 13.5重量
%、Al2 3 <0.005重量%、Na2 O<0.0
26重量%、Fe2 3 <0.004重量%、SiO2
<0.002重量%、その他のZrO2 という組成から
成る。)19.8000gにAl2 3 0.2000
g(1wt%相当)添加し、ボールミルで湿式混合した
後、試料とした。この結果は図14に示されている。こ
の場合、1400℃で十分な焼結性が得られた。 (d)東ソー製TZ−8Y(Y2 3 13.5重量
%、Al2 3 <0.005重量%、Na2 O<0.0
26重量%、Fe2 3 <0.004重量%、SiO2
<0.002重量%、その他のZrO2 という組成から
成る。)9.9900gにNa2 O 0.0100g
(0.1wt%相当)添加し、ボールミルで湿式混合し
た後、試料とした。この結果は図15に示されている。
この場合、Na2 O単体の添加では焼結性に問題がある
ことが分かる。 (e)東ソー製TZ−8Y(Y2 3 13.5重量
%、Al2 3 <0.005重量%、Na2 O<0.0
26重量%、Fe2 3 <0.004重量%、SiO2
<0.002重量%、その他のZrO 2という組成から
成る。)9.9000gにNa2 O 0.1000g
(1wt%相当)添加し、ボールミルで湿式混合した
後、試料とした。Na2 O単体だと、1wt%の添加で
も不均質なものとなって測定不可能となった。このた
め、Na2 Oを取り除くために従来は精製を繰り返し、
製造コストを高くしている。 (f)東ソー製TZ−8Y(Y2 3 13.5重量
%、Al2 3 <0.005重量%、Na2 O<0.0
26重量%、Fe2 3 <0.004重量%、SiO2
<0.002重量%、その他のZrO2 という組成から
成る。)9.9000gにSiO2 0.1000g
(1wt%相当)添加し、ボールミルで湿式混合した
後、試料とした。この結果は図13に示されている。こ
の結果、SiO2単体の添加では、1wt%でも140
0℃では十分な焼結性が得られなかった。 (g)ZrO2 81.29重量%、Y2 3 13.
4重量%、Al2 3 5.03重量%、Na2 O 0.
03重量%、MgO 0.01重量%、CaO0.05
重量%、Fe2 3 0.01重量%、SiO2 <0.
01重量%の組成から成る。この組成は、イットリア安
定化ジルコニアに5重量%アルミナを添加したものであ
り、東レ株式会社製8モル%イットリア安定化ジルコニ
ア(8YSZ)と大明化学株式会社製アルミナとを用い
て達成された。この東レ製ジルコニア10.0000g
にNaHCO3 0.1355g(0.5wt%相当)
添加し、ボールミルで湿式混合した後、試料とした。こ
の結果は図示していないが、1400℃で十分な焼結結
果を得た。 (h)ZrO2 81.29重量%、Y2 3 13.
4重量%、Al2 3 5.03重量%、Na2 O 0.
03重量%、MgO 0.01重量%、CaO0.05
重量%、Fe2 3 0.01重量%、SiO2 <0.
01重量%の組成から成る。この組成は、イットリア安
定化ジルコニアに5重量%アルミナを添加したものであ
り、東レ株式会社製8モル%イットリア安定化ジルコニ
ア(8YSZ)と大明化学株式会社製アルミナとを用い
て達成された。この東レ製ジルコニア10.0000g
にNaHCO3 0.2710g(1wt%相当)添加
し、ボールミルで湿式混合した後、試料とした。この結
果は図示していないが、1400℃で十分な焼結結果を
得た。 (i)ZrO2 81.29重量%、Y2 3 13.
4重量%、Al2 3 5.03重量%、Na2 O 0.
03重量%、MgO 0.01重量%、CaO0.05
重量%、Fe2 3 0.01重量%、SiO2 <0.
01重量%の組成から成る。この組成は、イットリア安
定化ジルコニアに5重量%アルミナを添加したものであ
り、東レ株式会社製8モル%イットリア安定化ジルコニ
ア(8YSZ)と大明化学株式会社製アルミナとを用い
て達成された。この東レ製ジルコニア10.0000g
にNaHCO3 0.5420g(2wt%相当)添加
し、ボールミルで湿式混合した後、試料とした。この結
果は図示していないが、1400℃で十分な焼結結果を
得た。
The samples used in these thermal analysis measurements and experiments on the influence of impurities on sinterability were prepared as follows. [Example of Sample Preparation for Experiment of Thermal Analysis Measurement] (a) Al 2 O 3 0.6989 g, Na 2 O 0.5
931g, SiO 2 0.1776g mixing weighed-after pressure molding into pellets, and fired at 1000 ° C. 10 hours. After repeating this mixing and firing work twice,
The sample was used for thermal analysis measurement. (B) Al 2 O 3 0.6989 g, Na 2 O 0.5
931 g and 0.0888 g of SiO 2 were weighed and mixed, pressure-molded into pellets, and then baked at 1000 ° C. for 10 hours. After repeating this mixing and firing work twice,
The sample was used for thermal analysis measurement. [Sample preparation example of experiment for investigating influence of extremely small amount of impurities on sinterability of zirconia] (c) Tosoh TZ-8Y (Y 2 O 3 13.5% by weight, Al 2 O 3 <0.005% by weight) %, Na 2 O <0.0
26% by weight, Fe 2 O 3 <0.004% by weight, SiO 2
<0.002 wt%, other ZrO 2 composition. ) 19.000 g Al 2 O 3 0.2000
g (corresponding to 1 wt%) was added and wet-mixed with a ball mill to prepare a sample. The result is shown in FIG. In this case, sufficient sinterability was obtained at 1400 ° C. (D) Tosoh TZ-8Y (Y 2 O 3 13.5 wt%, Al 2 O 3 <0.005 wt%, Na 2 O <0.0
26% by weight, Fe 2 O 3 <0.004% by weight, SiO 2
<0.002 wt%, other ZrO 2 composition. ) 9.9900 g to Na 2 O 0.0100 g
(Corresponding to 0.1 wt%) was added and wet-mixed with a ball mill to prepare a sample. The result is shown in FIG.
In this case, it is understood that the addition of Na 2 O alone causes a problem in sinterability. (E) Tosoh TZ-8Y (Y 2 O 3 13.5% by weight, Al 2 O 3 <0.005% by weight, Na 2 O <0.0
26% by weight, Fe 2 O 3 <0.004% by weight, SiO 2
<0.002 wt%, other ZrO 2 composition. ) 9.000 g to Na 2 O 0.1000 g
(Corresponding to 1 wt%) was added and wet-mixed with a ball mill to prepare a sample. With Na 2 O alone, even 1 wt% addition was inhomogeneous and measurement became impossible. Therefore, in order to remove Na 2 O, conventional purification was repeated,
Manufacturing costs are high. (F) Tosoh TZ-8Y (Y 2 O 3 13.5 wt%, Al 2 O 3 <0.005 wt%, Na 2 O <0.0
26% by weight, Fe 2 O 3 <0.004% by weight, SiO 2
<0.002 wt%, other ZrO 2 composition. ) 9.000 g SiO 2 0.1000 g
(Corresponding to 1 wt%) was added and wet-mixed with a ball mill to prepare a sample. The result is shown in FIG. As a result, with addition of SiO 2 alone, even 1 wt% is 140
At 0 ° C, sufficient sinterability was not obtained. (G) ZrO 2 81.29% by weight, Y 2 O 3 13.
4% by weight, Al 2 O 3 5.03% by weight, Na 2 O 0.
03% by weight, MgO 0.01% by weight, CaO 0.05
% By weight, 0.01% by weight of Fe 2 O 3 , SiO 2 <0.
It consists of 01% by weight. This composition was obtained by adding 5 wt% alumina to yttria-stabilized zirconia, and was achieved by using 8 mol% yttria-stabilized zirconia (8YSZ) manufactured by Toray Industries, Inc. and alumina manufactured by Daimei Chemical Co., Ltd. This Toray zirconia 10.0000g
0.1355 g of NaHCO 3 (equivalent to 0.5 wt%)
After adding and wet-mixing with a ball mill, a sample was prepared. Although this result is not shown, a sufficient sintering result was obtained at 1400 ° C. (H) 81.29% by weight of ZrO 2 , Y 2 O 3 13.
4% by weight, Al 2 O 3 5.03% by weight, Na 2 O 0.
03% by weight, MgO 0.01% by weight, CaO 0.05
% By weight, 0.01% by weight of Fe 2 O 3 , SiO 2 <0.
It consists of 01% by weight. This composition was obtained by adding 5 wt% alumina to yttria-stabilized zirconia, and was achieved by using 8 mol% yttria-stabilized zirconia (8YSZ) manufactured by Toray Industries, Inc. and alumina manufactured by Daimei Chemical Co., Ltd. This Toray zirconia 10.0000g
0.2710 g (corresponding to 1 wt%) of NaHCO 3 was added to the mixture, and the mixture was wet-mixed with a ball mill to prepare a sample. Although this result is not shown, a sufficient sintering result was obtained at 1400 ° C. (I) ZrO 2 81.29% by weight, Y 2 O 3 13.
4% by weight, Al 2 O 3 5.03% by weight, Na 2 O 0.
03% by weight, MgO 0.01% by weight, CaO 0.05
% By weight, 0.01% by weight of Fe 2 O 3 , SiO 2 <0.
It consists of 01% by weight. This composition was obtained by adding 5 wt% alumina to yttria-stabilized zirconia, and was achieved by using 8 mol% yttria-stabilized zirconia (8YSZ) manufactured by Toray Industries, Inc. and alumina manufactured by Daimei Chemical Co., Ltd. This Toray zirconia 10.0000g
0.5420 g (corresponding to 2 wt%) of NaHCO 3 was added to the mixture, and the mixture was wet-mixed with a ball mill to prepare a sample. Although this result is not shown, a sufficient sintering result was obtained at 1400 ° C.

【0042】[0042]

【実施例】以下、本発明の構成を図面に示す実施例に基
づいて詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The structure of the present invention will be described in detail below with reference to the embodiments shown in the drawings.

【0043】本発明のジルコニア−アルミナ粉体にあっ
ては、8モル%イットリアで結晶構造を安定化させ且つ
ナトリウム成分を取り除く工程を少なくしたジルコニア
粉体と、高純度アルミナ粉体とを原料にする。ジルコニ
ア粉体へのアルミナの添加量(x:重量%)は、0<x
≦5の領域とした。なお、このジルコニア粉体は、導電
率の向上を図るため、イットリア以外の他の安定剤で安
定化あるいは部分安定化されたジルコニアでもかまわな
い。例えば、本粉体は、分散剤などを用いずに純水を用
いてジルコニア−アルミナをボールミルを用いて24時
間混合した後、スプレードライヤを用いて急激に乾燥さ
せることによって均一なジルコニア−アルミナ複合電解
質粉体を得た。
In the zirconia-alumina powder of the present invention, the zirconia powder having a crystal structure stabilized with 8 mol% yttria and the step of removing the sodium component is reduced, and the high-purity alumina powder are used as raw materials. To do. The amount of alumina added to the zirconia powder (x:% by weight) was 0 <x
The region was ≦ 5. The zirconia powder may be zirconia stabilized or partially stabilized with a stabilizer other than yttria in order to improve the electric conductivity. For example, this powder is prepared by mixing zirconia-alumina using a ball mill for 24 hours with pure water without using a dispersant, and then rapidly drying it with a spray dryer to obtain a uniform zirconia-alumina composite. An electrolyte powder was obtained.

【0044】次に、アルミナの添加量および粒径が焼結
性並びに導電性に与える影響を実施例を挙げて説明す
る。
Next, the influence of the added amount and particle size of alumina on the sinterability and the conductivity will be described with reference to examples.

【0045】なお、実験に用いたアルミナを添加する前
のイットリア安定化ジルコニアは、ZrO2 が85,6
2重量%、Y2 3 が14.2重量%であり、これはほ
とんど8モル%イットリア−84モル%ジルコニアに相
当する。しかしながら、現在、どのような方法を用いて
も不純物を0にすることはできないため、本実験に用い
た試料も不純物も、Al2 3 は0.03重量%、Na
2 Oは0.04重量%、MgOは0.01重量%、Ca
Oは0.08重量%、Fe2 3 は0.01重量%、S
iO2 は0.01重量%と非常に少ないが存在してい
る。この中でも、導電率が影響を受けるのは、Fe2
3 とSiO2 との2つであるが、最も少ないことがわか
る。また、このジルコニアの平均粒径は、0.25μm
である。
The yttria-stabilized zirconia used in the experiment before adding alumina had a ZrO 2 content of 85,6.
2 wt%, Y 2 O 3 is 14.2 wt%, which corresponds to nearly 8 mol% yttria -84 mol% zirconia. However, at present, it is not possible to reduce the impurities to 0 by any method. Therefore, both the sample and the impurities used in this experiment contain 0.03% by weight of Al 2 O 3 and Na.
2 O is 0.04% by weight, MgO is 0.01% by weight, Ca
O is 0.08% by weight, Fe 2 O 3 is 0.01% by weight, S
The iO 2 is present in a very small amount of 0.01% by weight but is present. Among these, the conductivity is affected by Fe 2 O
There are two, 3 and SiO 2 , but it can be seen that it is the smallest. The average particle size of this zirconia is 0.25 μm.
Is.

【0046】〔実施例1〕ZrO2 84.80重量
%、Y2 3 14.0重量%、Al2 3 1.01
重量%、Na2 O 0.03重量%、MgO 0.01
重量%、CaO 0.07重量%、Fe2 3 0.0
1重量%、SiO2 <0.01重量%の組成から成る。
この組成は、イットリア安定化ジルコニアに1重量%ア
ルミナを添加したものであり、東レ株式会社8モル%イ
ットリア安定化ジルコニア(8YSZ)と大明化学株式
会社製アルミナとを用いて達成された。なお、8モル%
イットリア安定化ジルコニアには、電気抵抗を極端に高
くするため影響を及ぼすと考えられるSiO2 やFe2
3 が非常に少なく、不純物もほとんどない。また、ジ
ルコニアの平均粒径は、0.25μm、アルミナの平均
粒径は0.23μmである。この組成の粉体の焼結性
は、図6に1A8YSZとして表されている。また、導
電率は、図5に1A8YSZとして表されている。
Example 1 ZrO 2 84.80% by weight, Y 2 O 3 14.0% by weight, Al 2 O 3 1.01
Wt%, Na 2 O 0.03 wt%, MgO 0.01
% By weight, CaO 0.07% by weight, Fe 2 O 3 0.0
1% by weight, SiO 2 <0.01% by weight.
This composition was obtained by adding 1 wt% alumina to yttria-stabilized zirconia, and was achieved by using Toray Industries, Inc. 8 mol% yttria-stabilized zirconia (8YSZ) and Daimei Chemical Co., Ltd. alumina. 8 mol%
Yttria-stabilized zirconia is considered to be affected by SiO 2 and Fe 2 which are considered to have an effect because the electric resistance becomes extremely high.
Very little O 3 and almost no impurities. The average particle size of zirconia is 0.25 μm, and the average particle size of alumina is 0.23 μm. The sinterability of the powder of this composition is represented as 1A8YSZ in FIG. Further, the conductivity is represented as 1A8YSZ in FIG.

【0047】〔実施例2〕ZrO2 83.08重量
%、Y2 3 13.8重量%、Al2 3 3.01
重量%、Na2 O 0.04重量%、MgO 0.01
重量%、CaO 0.05重量%、Fe2 3 0.0
1重量%、SiO2 <0.01重量%の組成から成る。
この組成は、イットリア安定化ジルコニアに3重量%ア
ルミナを添加したものであり、東レ株式会社8モル%イ
ットリア安定化ジルコニア(8YSZ)と大明化学株式
会社製アルミナとを用いて達成された。この場合の、ジ
ルコニアの平均粒径は、0.25μm、アルミナの平均
粒径は0.23μmである。導電率は、図5に3A8Y
SZとして表されている。
[Example 2] ZrO 2 83.08% by weight, Y 2 O 3 13.8% by weight, Al 2 O 3 3.01
Wt%, Na 2 O 0.04 wt%, MgO 0.01
Wt%, CaO 0.05 wt%, Fe 2 O 3 0.0
1% by weight, SiO 2 <0.01% by weight.
This composition was obtained by adding 3% by weight alumina to yttria-stabilized zirconia, and was achieved by using Toray Industries, Inc. 8 mol% yttria-stabilized zirconia (8YSZ) and Daimei Chemical Co., Ltd. alumina. In this case, the average particle size of zirconia is 0.25 μm and the average particle size of alumina is 0.23 μm. The conductivity is 3A8Y in FIG.
It is represented as SZ.

【0048】〔実施例3〕ZrO2 81.29重量
%、Y2 3 13.4重量%、Al2 3 5.03
重量%、Na2 O 0.03重量%、MgO 0.01
重量%、CaO 0.05重量%、Fe2 3 0.0
1重量%、SiO2 <0.01重量%の組成から成る。
この組成は、イットリア安定化ジルコニアに5重量%ア
ルミナを添加したものであり、東レ株式会社8モル%イ
ットリア安定化ジルコニア(8YSZ)と大明化学株式
会社製アルミナとを用いて達成された。この場合の、ジ
ルコニアの平均粒径は、0.25μm、アルミナの平均
粒径は0.23μmである。この組成の粉体の焼結性
は、図6に5A8YSZとして表されている。また、導
電率は、図5に5A8YSZとして表されている。
[Example 3] ZrO 2 81.29% by weight, Y 2 O 3 13.4% by weight, Al 2 O 3 5.03
Wt%, Na 2 O 0.03 wt%, MgO 0.01
Wt%, CaO 0.05 wt%, Fe 2 O 3 0.0
1% by weight, SiO 2 <0.01% by weight.
This composition was obtained by adding 5 wt% alumina to yttria-stabilized zirconia, and was achieved by using Toray Industries, Inc. 8 mol% yttria-stabilized zirconia (8YSZ) and Daimei Chemical Co., Ltd. alumina. In this case, the average particle size of zirconia is 0.25 μm and the average particle size of alumina is 0.23 μm. The sinterability of the powder of this composition is represented as 5A8YSZ in FIG. In addition, the conductivity is represented as 5A8YSZ in FIG.

【0049】〔比較例1〕ZrO2 76.71重量
%、Y2 3 13.1重量%、Al2 3 10.0
6重量%、Na2 O 0.03重量%、MgO 0.0
1重量%、CaO0.07重量%、Fe2 3 0.0
1重量%、SiO2 <0.01重量%の組成から成る。
この組成は、イットリア安定化ジルコニアに10重量%
アルミナを添加したものであり、東レ株式会社8モル%
イットリア安定化ジルコニア(8YSZ)と大明化学株
式会社製アルミナとを用いて達成された。なお、アルミ
ナの平均粒径は0.23μmである。この組成の粉体の
焼結性は、図6に10A8YSZとして表されている。
また、導電率は、図5に10A8YSZとして表されて
いる。
Comparative Example 1 76.71% by weight of ZrO 2, 13.1% by weight of Y 2 O 3 , Al 2 O 3 10.0
6% by weight, Na 2 O 0.03% by weight, MgO 0.0
1 wt%, CaO 0.07 wt%, Fe 2 O 3 0.0
1% by weight, SiO 2 <0.01% by weight.
This composition is 10% by weight of yttria-stabilized zirconia.
Alumina added, Toray Industries, Inc. 8 mol%
It was achieved using yttria-stabilized zirconia (8YSZ) and Daimei Chemical Co. alumina. The average particle size of alumina is 0.23 μm. The sinterability of the powder of this composition is represented as 10A8YSZ in FIG.
In addition, the conductivity is represented as 10A8YSZ in FIG.

【0050】図6にアルミナ添加量0,1,5重量%の
それぞれの領域における、1100〜1600℃の温度
で保持時間なしの相対密度を示す。アルミナ添加量が0
重量%の場合に比べて1〜5重量%の領域では緻密焼結
温度が150℃以上低下していることが分かる。このよ
うな低温の焼成条件によると、例えば共焼結法を用いて
高性能な平板型固体電解質燃料電池を製造するこが可能
となる。特に、実施例1のアルミナ1重量%添加ジルコ
ニアの場合には、1400℃程度の低温で保持時間なし
の焼成条件で緻密焼結させることができるので最適であ
る。しかしながら、1重量%以上のアルミナ添加組成領
域では、アルミナ添加量は増加するにつれて徐々にジル
コニアの焼結性が低下する。特に、比較例1のように1
0重量%を添加したジルコニアの焼結性は、アルミナを
添加していないジルコニアよりも低くなる。
FIG. 6 shows the relative densities without holding time at the temperature of 1100 to 1600 ° C. in the respective regions where the amount of alumina added is 0, 1, 5% by weight. Amount of alumina added is 0
It can be seen that the dense sintering temperature is lowered by 150 ° C. or more in the region of 1 to 5 wt% as compared with the case of wt%. Under such low temperature firing conditions, it becomes possible to manufacture a high performance flat plate solid electrolyte fuel cell by using, for example, a co-sintering method. Particularly, the zirconia containing 1% by weight of alumina of Example 1 is optimal because it can be densely sintered at a low temperature of about 1400 ° C. under a firing condition without holding time. However, in the alumina addition composition region of 1% by weight or more, the sinterability of zirconia gradually decreases as the alumina addition amount increases. In particular, as in Comparative Example 1, 1
The sinterability of zirconia added with 0 wt% is lower than that of zirconia without added alumina.

【0051】また、ジルコニア粒子は、東ソー製TZ−
3Y,TZ−8Yに比べて約10倍大きいが、焼結性お
よび導電性は低下することがない。
The zirconia particles are TZ- manufactured by Tosoh Corporation.
It is about 10 times larger than 3Y and TZ-8Y, but the sinterability and conductivity do not deteriorate.

【0052】これらの実施例及び比較例の評価は、図2
0に示す方法により行った。まず、できるだけ均一にジ
ルコニア−アルミナ粉体が作製できるように、これら粉
体に蒸留水程度の純水を加えてボールミルを用い24時
間湿式混合し、スプレードライヤで急激に乾燥させ、評
価粉体とした。その後、各実施例の粉体を92MPaの
圧力でプレス成型した。次に、1000〜1600℃の
温度領域で0,5,10時間焼成し評価試料を得た。そ
の後、試料の大きさを測定し、相対密度を求めた。その
結果を図6に示す。
The evaluation of these examples and comparative examples is shown in FIG.
It carried out by the method shown in 0. First, in order to produce zirconia-alumina powder as uniformly as possible, pure water such as distilled water was added to these powders, wet-mixed for 24 hours using a ball mill, and rapidly dried with a spray dryer to obtain evaluation powders. did. Then, the powder of each example was press-molded at a pressure of 92 MPa. Next, an evaluation sample was obtained by firing in the temperature range of 1000 to 1600 ° C. for 0.5, 10 hours. Then, the size of the sample was measured and the relative density was calculated. The result is shown in FIG.

【0053】また、各評価試料のアルミナ添加量に対す
る導電率の変化は、図21に示すような交流インピーダ
ンス法を用いた測定装置で測定した。この装置は、ポテ
ンショスタッド11と周波数レスポンスアナライザ12
から電極14を介して試料15に交流電流を流し、その
交流電流の変化をデジタルオシロスコープ13で測定
し、導電率を求めるようにしている。電極14は白金ペ
ーストをコーティングし、1000℃、1時間で焼き付
けた。この装置で測定した値をCole−Coleプロ
ットにより、試料のインピーダンスを解析し、電気抵抗
を求めた。その結果を図5,17,18に示す。
The change in conductivity of each evaluation sample with respect to the amount of alumina added was measured by a measuring device using an AC impedance method as shown in FIG. This device consists of a potentiostud 11 and a frequency response analyzer 12.
An alternating current is applied to the sample 15 through the electrode 14 and the change in the alternating current is measured by the digital oscilloscope 13 to obtain the conductivity. The electrode 14 was coated with platinum paste and baked at 1000 ° C. for 1 hour. The impedance of the sample was analyzed by the Cole-Cole plot of the value measured by this device, and the electric resistance was obtained. The results are shown in FIGS.

【0054】[0054]

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
のジルコニア電解質粉体は、導電率向上用のドーパント
を添加したジルコニア電解質粉体中のSiO2 、Al2
3 、Na2 Oの化合物あるいは混合物の含有量をそれ
ぞれx、y、zとすると、 SiO2 0<x≦1重量% Al2 3 0<y≦5重量% Na2 O 0<z≦2重量% の範囲としたのでSiO2 −Al2 3 −Na2 O層が
ジルコニアの緻密焼結に要する温度を上昇させる一方、
添加したAl2 3 がSiO2 −Al2 3 −Na2
層と反応してこれを吸収しジルコニアの緻密焼結に要す
る温度を低下させる等というようにSiO2 −Al2
3 −Na2 Oの相互作用を利用するので、ジルコニア電
解質の導電率特性に影響を与えずに焼結特性を制御でき
る。したがって、本発明のジルコニア電解質粉体による
と、共焼結法によりジルコニア電解質粉体から固体電解
質燃料電池の単セルを作製するときに緻密焼結の温度の
低い高信頼性の単セルを得ることができる等、ジルコニ
アの応用範囲を広げることができる。
As is apparent from the above description, the zirconia electrolyte powder of the present invention contains SiO 2 , Al 2 in the zirconia electrolyte powder to which a dopant for improving conductivity is added.
If the contents of the compound or mixture of O 3 and Na 2 O are x, y, and z, respectively, SiO 2 0 <x ≦ 1 wt% Al 2 O 3 0 <y ≦ 5 wt% Na 2 O 0 <z ≦ Since the range of 2% by weight is set, the SiO 2 —Al 2 O 3 —Na 2 O layer raises the temperature required for dense sintering of zirconia, while
Al 2 O 3 was added SiO 2 -Al 2 O 3 -Na 2 O
SiO 2 -Al 2 O and so absorb it reacts with the layer or the like to lower the temperature required for the dense sintered zirconia
Since the interaction of 3- Na 2 O is used, the sintering characteristics can be controlled without affecting the conductivity characteristics of the zirconia electrolyte. Therefore, according to the zirconia electrolyte powder of the present invention, it is possible to obtain a highly reliable single cell having a low temperature of dense sintering when producing a single cell of a solid electrolyte fuel cell from the zirconia electrolyte powder by a co-sintering method. The range of applications of zirconia can be expanded.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】平板型固体電解質燃料電池の一例の分解斜視図
である。
FIG. 1 is an exploded perspective view of an example of a flat plate solid oxide fuel cell.

【図2】従来の単セル製造工程図である。FIG. 2 is a conventional single cell manufacturing process diagram.

【図3】単セルの発電状態を示すモデル図である。FIG. 3 is a model diagram showing a power generation state of a single cell.

【図4】共焼結法による単セルの工程図である。FIG. 4 is a process drawing of a single cell by a co-sintering method.

【図5】アルミナを添加した安定化ジルコニアの導電率
変化を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing changes in conductivity of stabilized zirconia to which alumina is added.

【図6】アルミナを添加した安定化ジルコニアの焼成温
度と相対密度変化との関係を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the firing temperature and the change in relative density of stabilized zirconia containing alumina.

【図7】東レ製8YSZ(8%イットリア安定化ジルコ
ニア)粉体と大明化学製アルミナ粉体の焼成温度と相対
密度変化を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing changes in firing temperature and relative density of Toray 8YSZ (8% yttria-stabilized zirconia) powder and Daimei Chemical alumina powder.

【図8】SiO2 −Al2 3 −Na2 O系の熱分析結
果(SiO2 の量を分析検出限界値の場合)を示すグラ
フである。
FIG. 8 is a graph showing the results of thermal analysis of the SiO 2 —Al 2 O 3 —Na 2 O system (when the amount of SiO 2 is the analytical detection limit value).

【図9】SiO2 −Al2 3 −Na2 O系の熱分析結
果(SiO2 の量を分析検出限界値の1/2の場合)を
示すグラフである。
FIG. 9 is a graph showing the results of thermal analysis of a SiO 2 —Al 2 O 3 —Na 2 O system (when the amount of SiO 2 is 1/2 of the analytical detection limit value).

【図10】焼成したジルコニア中のアルミナ添加量とナ
トリウムの含有量との関係を示すグラフである。
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the amount of alumina added and the content of sodium in calcined zirconia.

【図11】アルミナを添加していない場合の8YSZの
焼結機構モデルで、(A)(B)(C)は焼結前、
(D)は焼結後である。
FIG. 11 is a sintering mechanism model of 8YSZ when alumina is not added, in which (A), (B) and (C) are before sintering.
(D) is after sintering.

【図12】アルミナを添加した場合の8YSZの焼結機
構モデルで、(A)(B)(C)は焼結前、(D)は焼
結後である。
FIG. 12 is a sintering mechanism model of 8YSZ when alumina is added, in which (A), (B) and (C) are before sintering, and (D) is after sintering.

【図13】東ソー製TZ−8Y(イットリア安定化ジル
コニア)に1重量%SiO2 を添加した場合の焼成温度
と相対密度との関係を示すグラフである。
FIG. 13 is a graph showing the relationship between the firing temperature and the relative density when 1 wt% SiO 2 was added to Tosoh TZ-8Y (yttria-stabilized zirconia).

【図14】東ソー製TZ−8Yに1重量%Al2 3
添加した場合の焼成温度と相対密度との関係を示すグラ
フである。
FIG. 14 is a graph showing the relationship between firing temperature and relative density when 1 wt% Al 2 O 3 was added to Tosoh TZ-8Y.

【図15】東ソー製TZ−8Yに0.1重量%Na2
を添加した場合の焼成温度と相対密度との関係を示すグ
ラフである。
FIG. 15: Tosoh TZ-8Y with 0.1 wt% Na 2 O
3 is a graph showing the relationship between the firing temperature and the relative density when is added.

【図16】超純水処理によりNa2 Oを取り除いた東レ
製8YSZの焼成温度と相対密度変化を示すグラフであ
る。
FIG. 16 is a graph showing changes in relative density and firing temperature of Toray 8YSZ from which Na 2 O was removed by ultrapure water treatment.

【図17】アルミナを添加した東レ製8YSZの焼成温
度と相対密度変化とを示すグラフである。
FIG. 17 is a graph showing firing temperature and relative density change of Toray 8YSZ to which alumina is added.

【図18】アルミナを添加していないものと添加してい
る東レ製8YSZのインピーダンスのコール・プロット
で表したグラフである。
FIG. 18 is a graph showing a Cole plot of impedance of 8YSZ manufactured by Toray Co., Ltd. to which alumina is not added and which is added.

【図19】アルミナを添加していないものと添加してい
る8YSZの焼結体の微構造のモデル図で、(A)はア
ルミナを添加していないもの、(B)はアルミナを添加
したもの、(C)はアルミナを過剰に添加したものであ
る。
FIG. 19 is a model diagram of a microstructure of a sintered body of 8YSZ with and without addition of alumina, (A) without alumina and (B) with alumina. , (C) are those in which alumina was excessively added.

【図20】アルミナ添加ジルコニア粉体の製造及び相対
密度評価方法を示す工程図である。
FIG. 20 is a process drawing showing a method for producing alumina-added zirconia powder and a method for evaluating relative density.

【図21】アルミナ添加ジルコニア体の導電率の評価装
置の概略図である。
FIG. 21 is a schematic view of an apparatus for evaluating the conductivity of an alumina-added zirconia body.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 電解質 2 燃料極 3 空気極 4 平板型固体電解質燃料電池の単セル 1 Electrolyte 2 Fuel electrode 3 Air electrode 4 Single cell of flat plate type solid electrolyte fuel cell

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 阿部 俊夫 神奈川県横須賀市長坂2−6−1 財団法 人電力中央研究所 横須賀研究所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Toshio Abe 2-6-1 Nagasaka, Yokosuka City, Kanagawa Foundation Central Research Institute of Electric Power Industry Yokosuka Research Center

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 導電率向上用のドーパントを添加したジ
ルコニア電解質粉体中のSiO2 、Al2 3 、Na2
Oの化合物あるいは混合物の含有量をそれぞれx、y、
zとすると、 SiO2 0<x≦1重量% Al2 3 0<y≦5重量% Na2 O 0<z≦2重量% の範囲としたことを特徴とするジルコニア電解質粉体。
1. SiO 2 , Al 2 O 3 , and Na 2 in zirconia electrolyte powder to which a dopant for improving conductivity is added.
The contents of the compound or mixture of O are x, y,
The zirconia electrolyte powder is characterized in that SiO 2 0 <x ≦ 1% by weight Al 2 O 3 0 <y ≦ 5% by weight Na 2 O 0 <z ≦ 2% by weight, where z.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010511282A (en) * 2006-11-29 2010-04-08 コーニング インコーポレイテッド Activation of solid oxide fuel cell electrode surface
JP2016154095A (en) * 2015-02-20 2016-08-25 三菱日立パワーシステムズ株式会社 Manufacturing method for fuel battery substrate and manufacturing method for fuel battery cell stack
JP2017508259A (en) * 2014-03-28 2017-03-23 サン−ゴバン セラミックス アンド プラスティクス,インコーポレイティド Electrolyte dopant system
JP2019515858A (en) * 2016-03-14 2019-06-13 プサン ナショナル ユニバーシティ インダストリー−ユニバーシティ コーポレーション ファウンデーション MgO partially stabilized zirconia solid electrolyte doped with Mn or Co

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