JPH0769721A - スカンジア部分安定化ジルコニア高強度固体電解質材料 - Google Patents
スカンジア部分安定化ジルコニア高強度固体電解質材料Info
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 導電率と機械的強度とに優れたＳｃＰＳＺ高
強度固体電解質材料を提供すること。 【構成】 ジルコニアに３〜６モル％のスカンジアを固
溶させた粉末を主成分とし、低温度で焼成してなるＳｃ
ＰＳＺ高強度固体電解質材料。正方晶単相からなり、導
電率と機械的強度とに優れている。ゾルゲル法または共
沈法によりその粉末を調製すると焼結性がよい。また、
その粉末に微量のアルミナまたはムライトが混合する
と、更に焼結性がよい。
強度固体電解質材料を提供すること。 【構成】 ジルコニアに３〜６モル％のスカンジアを固
溶させた粉末を主成分とし、低温度で焼成してなるＳｃ
ＰＳＺ高強度固体電解質材料。正方晶単相からなり、導
電率と機械的強度とに優れている。ゾルゲル法または共
沈法によりその粉末を調製すると焼結性がよい。また、
その粉末に微量のアルミナまたはムライトが混合する
と、更に焼結性がよい。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、固体電解質型燃料電池
（ＳＯＦＣ）に用いられる固体電解質材料などとして好
適な高強度固体電解質材料に関するものである。
（ＳＯＦＣ）に用いられる固体電解質材料などとして好
適な高強度固体電解質材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、いわゆる固体電解質材料が各種技
術分野および用途において研究開発されている。固体電
解質材料を使用する技術分野として例えば、固体電解質
型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、従来開発されてきたリン酸
型、溶融炭酸塩型など他の燃料電池に比べて発電効率が
良く、排熱温度も高いため効率的な利用が可能な発電シ
ステムを構築できるということで近年特に注目を浴びて
いる。
術分野および用途において研究開発されている。固体電
解質材料を使用する技術分野として例えば、固体電解質
型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、従来開発されてきたリン酸
型、溶融炭酸塩型など他の燃料電池に比べて発電効率が
良く、排熱温度も高いため効率的な利用が可能な発電シ
ステムを構築できるということで近年特に注目を浴びて
いる。
【０００３】ところでこの固体電解質型燃料電池（ＳＯ
ＦＣ）の形態としては、一般に図３に示した平板型のも
のと、図示しないが円筒型のものとに大きく分類され
る。またこの図３に示した平板型のものにおいても、図
４（ａ）に示した外部マニホールドタイプのものと、図
４（ｂ）に示した内部マニホールドタイプのものとが代
表的なものとして挙げられる。
ＦＣ）の形態としては、一般に図３に示した平板型のも
のと、図示しないが円筒型のものとに大きく分類され
る。またこの図３に示した平板型のものにおいても、図
４（ａ）に示した外部マニホールドタイプのものと、図
４（ｂ）に示した内部マニホールドタイプのものとが代
表的なものとして挙げられる。
【０００４】図３及び図４（ａ）（ｂ）に示した固体電
解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の構造について簡単に説明
すると、燃料ガスが接する燃料極２０ａと空気が接する
酸素極２０ｂとの間に固体電解質板３０を挟み、燃料極
２０ａの外側および酸素極２０ｂの外側にそれぞれセパ
レータ４０ａ、４０ｂを設けた構造の単セル５０が多数
層にわたって積層状に設けられてなる。
解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の構造について簡単に説明
すると、燃料ガスが接する燃料極２０ａと空気が接する
酸素極２０ｂとの間に固体電解質板３０を挟み、燃料極
２０ａの外側および酸素極２０ｂの外側にそれぞれセパ
レータ４０ａ、４０ｂを設けた構造の単セル５０が多数
層にわたって積層状に設けられてなる。
【０００５】そして、このように構成された固体電解質
型燃料電池（ＳＯＦＣ）においては、燃料極に燃料ガス
（水素、一酸化炭素等）が接触し、酸素極には酸化ガス
（空気、もしくは酸素）が接触する。そして、酸素極で
生成した酸素イオン（Ｏ2-）が電解質を移動して燃料極
に到達し、燃料極ではＯ2-が水素（Ｈ2 ）と反応して電
子を放出する。これにより酸素極と燃料極との間に電位
差が発生し、電気の流れが生ずるものである。
型燃料電池（ＳＯＦＣ）においては、燃料極に燃料ガス
（水素、一酸化炭素等）が接触し、酸素極には酸化ガス
（空気、もしくは酸素）が接触する。そして、酸素極で
生成した酸素イオン（Ｏ2-）が電解質を移動して燃料極
に到達し、燃料極ではＯ2-が水素（Ｈ2 ）と反応して電
子を放出する。これにより酸素極と燃料極との間に電位
差が発生し、電気の流れが生ずるものである。
【０００６】この固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）に
おいて、固体電解質材料の電気的特性、特に導電率が電
池の性能に大きく影響する。従来この固体電解質材料に
は、安定化ジルコニアが用いられてきた。この安定化ジ
ルコニアは、ジルコニア（ＺｒＯ2 ）が高温度（約１１
５０℃付近）で単斜晶から正方晶へ結晶構造が変化する
ことに伴ない容積変化が生じることから、この容積変化
を防ぐ手段としてカルシウム（Ｃａ）やイットリウム
（Ｙ）などの酸化物を固溶させて結晶構造の安定化を図
ったものである。
おいて、固体電解質材料の電気的特性、特に導電率が電
池の性能に大きく影響する。従来この固体電解質材料に
は、安定化ジルコニアが用いられてきた。この安定化ジ
ルコニアは、ジルコニア（ＺｒＯ2 ）が高温度（約１１
５０℃付近）で単斜晶から正方晶へ結晶構造が変化する
ことに伴ない容積変化が生じることから、この容積変化
を防ぐ手段としてカルシウム（Ｃａ）やイットリウム
（Ｙ）などの酸化物を固溶させて結晶構造の安定化を図
ったものである。
【０００７】そして、近年ではカルシウムやイットリウ
ムの代わりにスカンジウムの酸化物を固溶させたスカン
ジア安定化ジルコニア（Ｓｃ2Ｏ3 Stabilized Ｚｒ
Ｏ2：以下、「ＳｃＳＺ」と称する）が、その導電率の
高さ等の特徴から注目を集めるに至っている。かかるＳ
ｃＳＺ固体電解質材料は、主材料であるジルコニア（Ｚ
ｒＯ2 ）にスカンジア（Ｓｃ2Ｏ3）を８〜１５モル％固
溶するのが普通であった。ジルコニアに８〜１５モル％
のスカンジアを固溶させると、その結晶構造はほぼ全部
が立方晶となり、完全に安定化された状態となる。この
ＳｃＳＺ固体電解質材料は、製造方法にもよるが約０.
３８Ｓ／ｃｍ という固体電解質材料としては最高水準
の導電率を達成することができる。
ムの代わりにスカンジウムの酸化物を固溶させたスカン
ジア安定化ジルコニア（Ｓｃ2Ｏ3 Stabilized Ｚｒ
Ｏ2：以下、「ＳｃＳＺ」と称する）が、その導電率の
高さ等の特徴から注目を集めるに至っている。かかるＳ
ｃＳＺ固体電解質材料は、主材料であるジルコニア（Ｚ
ｒＯ2 ）にスカンジア（Ｓｃ2Ｏ3）を８〜１５モル％固
溶するのが普通であった。ジルコニアに８〜１５モル％
のスカンジアを固溶させると、その結晶構造はほぼ全部
が立方晶となり、完全に安定化された状態となる。この
ＳｃＳＺ固体電解質材料は、製造方法にもよるが約０.
３８Ｓ／ｃｍ という固体電解質材料としては最高水準
の導電率を達成することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術における立方晶ＳｃＳＺ固体電解質材料の場合、
以下の問題点を有していた。まず、立方晶のＳｃＳＺ材
料は機械的強度が低く、これを補うため、固体電解質型
燃料電池（ＳＯＦＣ）に使用する場合、電解質板の厚さ
を０.２〜０.３ｍｍ程度又はそれ以上とする必要があっ
た。特に、いわゆる自立膜平板型のＳＯＦＣでは、固体
電解質板自体にガスの圧力や熱歪等に耐える強度が求め
られるので、無理に固体電解質板を薄くすると、疲労等
により破壊しやすく長期耐久性に難点が生じた。
来技術における立方晶ＳｃＳＺ固体電解質材料の場合、
以下の問題点を有していた。まず、立方晶のＳｃＳＺ材
料は機械的強度が低く、これを補うため、固体電解質型
燃料電池（ＳＯＦＣ）に使用する場合、電解質板の厚さ
を０.２〜０.３ｍｍ程度又はそれ以上とする必要があっ
た。特に、いわゆる自立膜平板型のＳＯＦＣでは、固体
電解質板自体にガスの圧力や熱歪等に耐える強度が求め
られるので、無理に固体電解質板を薄くすると、疲労等
により破壊しやすく長期耐久性に難点が生じた。
【０００９】一方、電解質板が厚いと、両電極間の全電
気抵抗はその分大きくなるので、ＳｃＳＺ材料本来の高
い導電率を有効に活用できず、結果的にＳＯＦＣの発電
性能を上げることができなかった。また、８〜１５モル
％という多量のスカンジアを固溶させるので、スカンジ
ウム（Ｓｃ）が高価格であることから、材料コストを上
昇させることともなっていた。
気抵抗はその分大きくなるので、ＳｃＳＺ材料本来の高
い導電率を有効に活用できず、結果的にＳＯＦＣの発電
性能を上げることができなかった。また、８〜１５モル
％という多量のスカンジアを固溶させるので、スカンジ
ウム（Ｓｃ）が高価格であることから、材料コストを上
昇させることともなっていた。
【００１０】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたものであり、その目的とするところは、導
電率と機械的強度とのバランスに優れた固体電解質材料
を提供することにより、例えば固体電解質型燃料電池
（ＳＯＦＣ）の固体電解質板に使用した場合に、発電性
能と恒久的使用との両立を実現し、かつ材料コストの上
昇を抑制することにある。
めになされたものであり、その目的とするところは、導
電率と機械的強度とのバランスに優れた固体電解質材料
を提供することにより、例えば固体電解質型燃料電池
（ＳＯＦＣ）の固体電解質板に使用した場合に、発電性
能と恒久的使用との両立を実現し、かつ材料コストの上
昇を抑制することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るため本発明者らは、種々の組成によるＳｃＳＺ固体電
解質材料について実験研究を重ねた結果、ジルコニアに
３〜６モル％のスカンジアを固溶させた粉末を主成分と
し、低温度で焼成してなるスカンジア部分安定化ジルコ
ニアが高強度固体電解質材料として前記目的に適合する
ことを見い出だした。
るため本発明者らは、種々の組成によるＳｃＳＺ固体電
解質材料について実験研究を重ねた結果、ジルコニアに
３〜６モル％のスカンジアを固溶させた粉末を主成分と
し、低温度で焼成してなるスカンジア部分安定化ジルコ
ニアが高強度固体電解質材料として前記目的に適合する
ことを見い出だした。
【００１２】スカンジアの配合比率が３モル％未満であ
ると、ジルコニアの単斜晶が析出する。単斜晶のジルコ
ニアは導電率が著しく低く、イオン電導の障害となって
固体電解質板の全電気抵抗を増大させるので、好ましく
ない。また、単斜晶ジルコニアは、温度変化による結晶
相変態（約１１５０℃付近で起こる）に伴う体積変化の
主因である点でもその存在は好ましくない。一方、スカ
ンジアの配合比率が６モル％を超えると、立方晶ジルコ
ニアの体積比率が多くなり、前記した機械的強度の問題
が発生するとともに材料コストが上昇する。
ると、ジルコニアの単斜晶が析出する。単斜晶のジルコ
ニアは導電率が著しく低く、イオン電導の障害となって
固体電解質板の全電気抵抗を増大させるので、好ましく
ない。また、単斜晶ジルコニアは、温度変化による結晶
相変態（約１１５０℃付近で起こる）に伴う体積変化の
主因である点でもその存在は好ましくない。一方、スカ
ンジアの配合比率が６モル％を超えると、立方晶ジルコ
ニアの体積比率が多くなり、前記した機械的強度の問題
が発生するとともに材料コストが上昇する。
【００１３】スカンジアの配合比率が３〜６モル％の範
囲内にあると、ジルコニアの結晶構造はほぼ全量が正方
晶となっている。この正方晶のジルコニア（スカンジア
部分安定化ジルコニア：Ｓｃ2Ｏ3 Partially-Stabilize
d ＺｒＯ2：以下、「ＳｃＰＳＺ」と称する）は、立方
晶ジルコニアと比較して、導電率ではやや劣るが、機械
的強度では約５倍と優れているので、導電率と強度との
両立が要求される固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の
固体電解質板に適している。
囲内にあると、ジルコニアの結晶構造はほぼ全量が正方
晶となっている。この正方晶のジルコニア（スカンジア
部分安定化ジルコニア：Ｓｃ2Ｏ3 Partially-Stabilize
d ＺｒＯ2：以下、「ＳｃＰＳＺ」と称する）は、立方
晶ジルコニアと比較して、導電率ではやや劣るが、機械
的強度では約５倍と優れているので、導電率と強度との
両立が要求される固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の
固体電解質板に適している。
【００１４】ここにおいて、前記粉末は、ゾルゲル法ま
たは共沈法により調製されるものとすることが、スカン
ジアの均一な固溶や低温度での良好な焼成を可能にする
点で望ましい。また、前記粉末に微量のアルミナまたは
ムライトが混合されていることにより、低温度での焼成
を一層良好なものとすることができる。
たは共沈法により調製されるものとすることが、スカン
ジアの均一な固溶や低温度での良好な焼成を可能にする
点で望ましい。また、前記粉末に微量のアルミナまたは
ムライトが混合されていることにより、低温度での焼成
を一層良好なものとすることができる。
【００１５】
【実施例】以下に本発明の実施例について詳細に説明す
る。以下に述べる実施例では、固体電解質型燃料電池
（ＳＯＦＣ）に供されるスカンジア部分安定化ジルコニ
ア（ＳｃＰＳＺ）高強度固体電解質材料を想定して説明
することとする。図１には、ＳｃＰＳＺ高強度固体電解
質材料の原料粉末であるＳｃＰＳＺ粉末の製造工程を示
している。図１（ａ）はゾルゲル法による製造工程であ
り、図１（ｂ）は後述する共沈法による製造工程を示し
ている。最初に第１の実施例として図１（ａ）のゾルゲ
ル法による製造工程およびそれにより得られるＳｃＰＳ
Ｚ粉末、ＳｃＰＳＺ固体電解質について説明する。
る。以下に述べる実施例では、固体電解質型燃料電池
（ＳＯＦＣ）に供されるスカンジア部分安定化ジルコニ
ア（ＳｃＰＳＺ）高強度固体電解質材料を想定して説明
することとする。図１には、ＳｃＰＳＺ高強度固体電解
質材料の原料粉末であるＳｃＰＳＺ粉末の製造工程を示
している。図１（ａ）はゾルゲル法による製造工程であ
り、図１（ｂ）は後述する共沈法による製造工程を示し
ている。最初に第１の実施例として図１（ａ）のゾルゲ
ル法による製造工程およびそれにより得られるＳｃＰＳ
Ｚ粉末、ＳｃＰＳＺ固体電解質について説明する。
【００１６】ゾルゲル法によれば、初めに原材料である
スカンジウム粉末１とジルコニウム粉末２を用意する。
そして、これらの粉末をスカンジウムが３〜６モル％の
範囲内の適当な比率で配合し、硝酸と水とに加熱しなが
ら溶解して混合溶液３となす。このときの混合溶液３は
スカンジウムとジルコニウムの硝酸塩の混合溶液となっ
ている。
スカンジウム粉末１とジルコニウム粉末２を用意する。
そして、これらの粉末をスカンジウムが３〜６モル％の
範囲内の適当な比率で配合し、硝酸と水とに加熱しなが
ら溶解して混合溶液３となす。このときの混合溶液３は
スカンジウムとジルコニウムの硝酸塩の混合溶液となっ
ている。
【００１７】次に、この混合溶液３にゾル化物４を添加
する。ここでゾル化物４として添加するのは、蟻酸とポ
リエチレングリコール（以下、「ＰＥＧ」という）であ
る。添加量は、蟻酸についてはモル％で前記硝酸の２倍
程度、ＰＥＧについては混合溶液全体に対して２００ｍ
ｌ／１ｋｇ程度がよい。これにより、スカンジアとジル
コニアとの混合ゾル６が得られる。
する。ここでゾル化物４として添加するのは、蟻酸とポ
リエチレングリコール（以下、「ＰＥＧ」という）であ
る。添加量は、蟻酸についてはモル％で前記硝酸の２倍
程度、ＰＥＧについては混合溶液全体に対して２００ｍ
ｌ／１ｋｇ程度がよい。これにより、スカンジアとジル
コニアとの混合ゾル６が得られる。
【００１８】次いで、この混合ゾル６を加熱乾固して混
合ゲル８とする。加熱温度は約１２０℃で、１日乾固す
れば約１００ｇの混合ゲル８が得られる。そして、この
混合ゲル８を７００〜８００℃で約１２時間加熱処理を
すると、ＳｃＰＳＺ粉末１０を得ることができる。かく
して得られたＳｃＰＳＺ粉末１０は、スカンジアとジル
コニアとが原子レベルで均一性よく混合して正方晶の単
相となっており、立方晶、単斜晶等の他相や未反応のス
カンジア相を含有していない。
合ゲル８とする。加熱温度は約１２０℃で、１日乾固す
れば約１００ｇの混合ゲル８が得られる。そして、この
混合ゲル８を７００〜８００℃で約１２時間加熱処理を
すると、ＳｃＰＳＺ粉末１０を得ることができる。かく
して得られたＳｃＰＳＺ粉末１０は、スカンジアとジル
コニアとが原子レベルで均一性よく混合して正方晶の単
相となっており、立方晶、単斜晶等の他相や未反応のス
カンジア相を含有していない。
【００１９】次に、かかる良好な結晶性を有するＳｃＰ
ＳＺ粉末１０から板状のＳｃＰＳＺ固体電解質材料を製
造する工程を説明する。まず、上記工程で得られたＳｃ
ＰＳＺ粉末１０は２０〜３０μｍ程度の粒子径を有して
いるので、粉砕して粒子径を２〜３μｍ程度に整粒して
から以下に説明する成形、焼成に供する。
ＳＺ粉末１０から板状のＳｃＰＳＺ固体電解質材料を製
造する工程を説明する。まず、上記工程で得られたＳｃ
ＰＳＺ粉末１０は２０〜３０μｍ程度の粒子径を有して
いるので、粉砕して粒子径を２〜３μｍ程度に整粒して
から以下に説明する成形、焼成に供する。
【００２０】図２に、その工程を示している。それによ
れば、初めに整粒済みのＳｃＰＳＺ粉末を板厚１００〜
３００μｍの板（およそ２０ｃｍ角板）に成形する。こ
の成形手段としては、この実験例では静水圧プレス機
（ＣＩＰ）を用いて１ｔ／ｃｍ2 の押圧力により加圧成
形している。ただし、この成形手段に限られるものでは
なく、従来一般に用いられているドクターブレード法や
カレンダーロール法により薄板を製作するものであって
もよい。尚、このときＳｃＰＳＺ粉末に微量のアルミナ
又はムライトを混合して成形してもよい。そしてしかる
後、この成形板を１５００〜１７００℃の温度で焼成す
る。これによりスカンジア（Ｓｃ2Ｏ3）がジルコニア
（ＺｒＯ2 ）中に固溶された正方晶のＳｃＰＳＺ材料よ
りなる固体電解質板が得られる。
れば、初めに整粒済みのＳｃＰＳＺ粉末を板厚１００〜
３００μｍの板（およそ２０ｃｍ角板）に成形する。こ
の成形手段としては、この実験例では静水圧プレス機
（ＣＩＰ）を用いて１ｔ／ｃｍ2 の押圧力により加圧成
形している。ただし、この成形手段に限られるものでは
なく、従来一般に用いられているドクターブレード法や
カレンダーロール法により薄板を製作するものであって
もよい。尚、このときＳｃＰＳＺ粉末に微量のアルミナ
又はムライトを混合して成形してもよい。そしてしかる
後、この成形板を１５００〜１７００℃の温度で焼成す
る。これによりスカンジア（Ｓｃ2Ｏ3）がジルコニア
（ＺｒＯ2 ）中に固溶された正方晶のＳｃＰＳＺ材料よ
りなる固体電解質板が得られる。
【００２１】ここで、本実施例ではゾルゲル法により調
製した組成均一性及び結晶性のよいＳｃＰＳＺ粉末より
焼成を行っているので粉末の焼結性がよく、１７００℃
以下の比較的低い焼成温度で焼結体であるＳｃＰＳＺ固
体電解質板を得ることができるのである。また、焼成時
間も従来のものより短縮されている。微量のアルミナ又
はムライトを混合した場合には、これらが焼結助剤とし
て作用するため、焼結性が更によくなる。これらのこと
により、空隙の少ない緻密な組織よりなり、機械的強度
にも優れた焼結体を得ることができる。
製した組成均一性及び結晶性のよいＳｃＰＳＺ粉末より
焼成を行っているので粉末の焼結性がよく、１７００℃
以下の比較的低い焼成温度で焼結体であるＳｃＰＳＺ固
体電解質板を得ることができるのである。また、焼成時
間も従来のものより短縮されている。微量のアルミナ又
はムライトを混合した場合には、これらが焼結助剤とし
て作用するため、焼結性が更によくなる。これらのこと
により、空隙の少ない緻密な組織よりなり、機械的強度
にも優れた焼結体を得ることができる。
【００２２】かくして得られたＳｃＰＳＺ固体電解質板
の導電率（Ｓ／ｃｍ）を測定し、従来の物理混合法によ
るＳｃＰＳＺ粉末から得られた固体電解質板の導電率と
比較した。その結果を表１に示す。表１によれば、ゾル
ゲル法により得られた本発明に係るＳｃＰＳＺ板の導電
率は０.１３Ｓ／ｃｍ であり、従来のＳｃＰＳＺ板の導
電率０.０８Ｓ／ｃｍ と比較して５割強良好な値となっ
ている。
の導電率（Ｓ／ｃｍ）を測定し、従来の物理混合法によ
るＳｃＰＳＺ粉末から得られた固体電解質板の導電率と
比較した。その結果を表１に示す。表１によれば、ゾル
ゲル法により得られた本発明に係るＳｃＰＳＺ板の導電
率は０.１３Ｓ／ｃｍ であり、従来のＳｃＰＳＺ板の導
電率０.０８Ｓ／ｃｍ と比較して５割強良好な値となっ
ている。
【００２３】
【表１】
【００２４】また、このＳｃＰＳＺ固体電解質板の曲げ
強度（ＭＰａ）を測定し、立方晶単相より成るＳｃＳＺ
固体電解質板の曲げ強度と比較した。その結果を表２に
示す。表２によれば、本発明に係るＳｃＰＳＺ板の曲げ
強度は約１３００ＭＰａであり、ＳｃＳＺ板の曲げ強度
２７５ＭＰａと比較して約５倍の値を示している。
強度（ＭＰａ）を測定し、立方晶単相より成るＳｃＳＺ
固体電解質板の曲げ強度と比較した。その結果を表２に
示す。表２によれば、本発明に係るＳｃＰＳＺ板の曲げ
強度は約１３００ＭＰａであり、ＳｃＳＺ板の曲げ強度
２７５ＭＰａと比較して約５倍の値を示している。
【００２５】
【表２】
【００２６】このように本実施例のＳｃＰＳＺ固体電解
質材料は、スカンジウムとジルコニウムとの混合が原子
レベルで均一であり焼結性に優れ、未反応スカンジア相
の残留がなく従って結晶相が単相でその安定性に優れ、
そして高い導電率と高い機械的強度を有し、かつ不純物
の混入がほとんどない緻密な焼結体となっている。
質材料は、スカンジウムとジルコニウムとの混合が原子
レベルで均一であり焼結性に優れ、未反応スカンジア相
の残留がなく従って結晶相が単相でその安定性に優れ、
そして高い導電率と高い機械的強度を有し、かつ不純物
の混入がほとんどない緻密な焼結体となっている。
【００２７】このことから、本実施例のＳｃＰＳＺ材料
を固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の固体電解質板と
して使用する場合、０.０４〜０.０６ｍｍ程度の厚さが
あれば充分使用に耐える機械的強度を有する。従って、
板厚全体での電気抵抗が低く、０.２〜０.３ｍｍ厚のＳ
ｃＳＺ固体電解質板の電気抵抗を下回る。
を固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の固体電解質板と
して使用する場合、０.０４〜０.０６ｍｍ程度の厚さが
あれば充分使用に耐える機械的強度を有する。従って、
板厚全体での電気抵抗が低く、０.２〜０.３ｍｍ厚のＳ
ｃＳＺ固体電解質板の電気抵抗を下回る。
【００２８】そして、このＳｃＰＳＺ固体電解質板をＳ
ＯＦＣの固体電解質板として利用する場合には、その両
面に燃料極と酸素極とを形成すればよい。これらの電極
の形成に当たっては、例えばいわゆるスラリーコーティ
ング法により、これらの極材料のセラミックス粉末を泥
状にしてこのＳｃＰＳＺ系固体電解質板の片面と反対側
の面とにそれぞれ塗布し、しかる後所定温度で焼成すれ
ばよい。
ＯＦＣの固体電解質板として利用する場合には、その両
面に燃料極と酸素極とを形成すればよい。これらの電極
の形成に当たっては、例えばいわゆるスラリーコーティ
ング法により、これらの極材料のセラミックス粉末を泥
状にしてこのＳｃＰＳＺ系固体電解質板の片面と反対側
の面とにそれぞれ塗布し、しかる後所定温度で焼成すれ
ばよい。
【００２９】燃料極の場合には、例えばニッケル（Ｎ
ｉ）４０重量％−ジルコニア（ＺｒＯ2 ）６０重量％の
Ｎｉ−ジルコニアサーメット材料を５０μｍ程度の厚さ
でこのＳｃＰＳＺ系固体電解質板の片面にコーティング
し、１４００〜１５００℃の温度で焼成する。これによ
りＳｃＰＳＺ系固体電解質板の片面に薄膜状の燃料極が
形成されることとなる。
ｉ）４０重量％−ジルコニア（ＺｒＯ2 ）６０重量％の
Ｎｉ−ジルコニアサーメット材料を５０μｍ程度の厚さ
でこのＳｃＰＳＺ系固体電解質板の片面にコーティング
し、１４００〜１５００℃の温度で焼成する。これによ
りＳｃＰＳＺ系固体電解質板の片面に薄膜状の燃料極が
形成されることとなる。
【００３０】また酸素極の場合には、例えばランタンス
トロンチウムマンガネイト（Ｌａ（Ｓｒ）ＭｎＯ3 ）材
料を５０μｍ程度の厚さで固体電解質板の前述の燃料極
とは反対側の面にコーティングし、１１５０℃前後の温
度で焼成する。これによりＳｃＰＳＺ系固体電解質板の
反対側の面に、同じく薄膜状の酸素極が形成されること
となる。尚、酸素極の材料の配合比率としては、ランタ
ンマンガネイト９５〜８５モル％に対し、ストロンチウ
ム５〜１５モル％程度とするのが適当である。かかる固
体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）では、本発明に係るＳ
ｃＰＳＺ高強度固体電解質材料を使用しているので、Ｓ
ＯＦＣとしての発電性能に優れ、また固体電解質板の強
度も充分で恒久的使用を図ることができる。
トロンチウムマンガネイト（Ｌａ（Ｓｒ）ＭｎＯ3 ）材
料を５０μｍ程度の厚さで固体電解質板の前述の燃料極
とは反対側の面にコーティングし、１１５０℃前後の温
度で焼成する。これによりＳｃＰＳＺ系固体電解質板の
反対側の面に、同じく薄膜状の酸素極が形成されること
となる。尚、酸素極の材料の配合比率としては、ランタ
ンマンガネイト９５〜８５モル％に対し、ストロンチウ
ム５〜１５モル％程度とするのが適当である。かかる固
体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）では、本発明に係るＳ
ｃＰＳＺ高強度固体電解質材料を使用しているので、Ｓ
ＯＦＣとしての発電性能に優れ、また固体電解質板の強
度も充分で恒久的使用を図ることができる。
【００３１】次に、本発明の第２の実施例について説明
する。第２の実施例は、ＳｃＰＳＺ粉末の製造工程とし
て、前記のゾルゲル法の代わりに共沈法を採ったもので
あり、それ以外は前記第１の実施例と同様である。共沈
法によるＳｃＰＳＺ粉末の製造工程を図１（ｂ）に示
す。共沈法による場合でも、初めにスカンジウム粉末１
とジルコニウム粉末２を用意し、これらを適当な比率で
配合し、硝酸と水とに加熱溶解して混合溶液３となすま
では前記のゾルゲル法の場合と同様である。
する。第２の実施例は、ＳｃＰＳＺ粉末の製造工程とし
て、前記のゾルゲル法の代わりに共沈法を採ったもので
あり、それ以外は前記第１の実施例と同様である。共沈
法によるＳｃＰＳＺ粉末の製造工程を図１（ｂ）に示
す。共沈法による場合でも、初めにスカンジウム粉末１
とジルコニウム粉末２を用意し、これらを適当な比率で
配合し、硝酸と水とに加熱溶解して混合溶液３となすま
では前記のゾルゲル法の場合と同様である。
【００３２】そして共沈法では、この混合溶液３に沈澱
剤５を添加する。沈澱剤５として添加するのは、アンモ
ニア水である。混合溶液３は酸性であるので、アルカリ
性のアンモニア水により中和されることになる。そして
このとき、混合溶液３のスカンジウムイオンやジルコニ
ウムイオンと、アンモニア水に含まれる水酸イオンとが
結合して、溶解度の低い沈澱７として析出する。この沈
澱７は、水酸化スカンジウム（Ｓｃ（ＯＨ）3 ）と水酸
化ジルコニウム（Ｚｒ（ＯＨ）4 ）との混合物であり、
水酸化スカンジウムと水酸化ジルコニウムとが原子レベ
ルで混合しあって非晶質状になっていると考えられる。
また、沈澱剤５として尿素を用いても良い。この場合は
尿素を混合し、７０〜８０℃に加熱することによって尿
素がアンモニアに分解するので均一にアンモニアを混合
するのと同じ効果が得られる。
剤５を添加する。沈澱剤５として添加するのは、アンモ
ニア水である。混合溶液３は酸性であるので、アルカリ
性のアンモニア水により中和されることになる。そして
このとき、混合溶液３のスカンジウムイオンやジルコニ
ウムイオンと、アンモニア水に含まれる水酸イオンとが
結合して、溶解度の低い沈澱７として析出する。この沈
澱７は、水酸化スカンジウム（Ｓｃ（ＯＨ）3 ）と水酸
化ジルコニウム（Ｚｒ（ＯＨ）4 ）との混合物であり、
水酸化スカンジウムと水酸化ジルコニウムとが原子レベ
ルで混合しあって非晶質状になっていると考えられる。
また、沈澱剤５として尿素を用いても良い。この場合は
尿素を混合し、７０〜８０℃に加熱することによって尿
素がアンモニアに分解するので均一にアンモニアを混合
するのと同じ効果が得られる。
【００３３】そして、この沈澱７を回収して、洗浄・乾
燥を行う。ここで洗浄には、ｐＨ７の純水を用いる。不
純物の混入を防ぐためである。また、ｐＨの低い酸性の
水を用いると沈澱７が再び溶解してしまう。沈澱７を純
水でよく洗浄したら、乾燥して乾燥粉９を得る。乾燥粉
９は水酸化スカンジウムと水酸化ジルコニウムとの混合
粉末である。
燥を行う。ここで洗浄には、ｐＨ７の純水を用いる。不
純物の混入を防ぐためである。また、ｐＨの低い酸性の
水を用いると沈澱７が再び溶解してしまう。沈澱７を純
水でよく洗浄したら、乾燥して乾燥粉９を得る。乾燥粉
９は水酸化スカンジウムと水酸化ジルコニウムとの混合
粉末である。
【００３４】次に、この乾燥粉９にゾルゲル法の場合と
同様の７００〜８００℃での加熱処理を約１２時間施
す。これにより、水酸化物よりなる乾燥粉９が熱分解し
て水分と酸化物とに分かれ、水分は蒸発して逃げるの
で、結局残るのはスカンジウムとジルコニウムとの複合
酸化物の粉末、即ちＳｃＰＳＺ粉末１１である。このＳ
ｃＰＳＺ粉末１１も、ＳｃＰＳＺ粉末１０と同様にスカ
ンジアとジルコニアとが原子レベルで均一性よく混合し
て正方晶の単相となっている。
同様の７００〜８００℃での加熱処理を約１２時間施
す。これにより、水酸化物よりなる乾燥粉９が熱分解し
て水分と酸化物とに分かれ、水分は蒸発して逃げるの
で、結局残るのはスカンジウムとジルコニウムとの複合
酸化物の粉末、即ちＳｃＰＳＺ粉末１１である。このＳ
ｃＰＳＺ粉末１１も、ＳｃＰＳＺ粉末１０と同様にスカ
ンジアとジルコニアとが原子レベルで均一性よく混合し
て正方晶の単相となっている。
【００３５】また、ＳｃＰＳＺ粉末１１は、成形、焼成
する際にもゾルゲル法によるものと同様に焼結性がよ
く、１７００℃以下の比較的低い焼成温度と短い焼結時
間で良好な焼結体を得ることができる。この場合も、前
記第１実施例と同様に、微量のアルミナ又はムライトを
混合させて、焼結性を更に向上させることができる。そ
して得られるＳｃＰＳＺ固体電解質板も、前記第１実施
例と同様に優れた導電率を示し、空隙の少ない緻密な組
織により優れた機械的強度を示すことが確認された。従
って、例えば固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）に使用
すれば、優れた発電性能を発揮し、安定して使用するこ
とができる。
する際にもゾルゲル法によるものと同様に焼結性がよ
く、１７００℃以下の比較的低い焼成温度と短い焼結時
間で良好な焼結体を得ることができる。この場合も、前
記第１実施例と同様に、微量のアルミナ又はムライトを
混合させて、焼結性を更に向上させることができる。そ
して得られるＳｃＰＳＺ固体電解質板も、前記第１実施
例と同様に優れた導電率を示し、空隙の少ない緻密な組
織により優れた機械的強度を示すことが確認された。従
って、例えば固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）に使用
すれば、優れた発電性能を発揮し、安定して使用するこ
とができる。
【００３６】以上説明したように、ゾルゲル法、共沈法
のいずれの方法でも、結晶性、均一性、緻密性等に優れ
たＳｃＰＳＺ粉末を得て、これを成形、焼成することに
よりＳｃＰＳＺ高強度固体電解質材料を得ることができ
る。かかるＳｃＰＳＺ高強度固体電解質材料では、立方
晶のＳｃＰＺ材料の場合よりもスカンジア配合比率が少
なく、また必要な板厚も薄くてすむことから、高価なス
カンジウムを多量に使用する必要がないので、材料コス
トが安い。
のいずれの方法でも、結晶性、均一性、緻密性等に優れ
たＳｃＰＳＺ粉末を得て、これを成形、焼成することに
よりＳｃＰＳＺ高強度固体電解質材料を得ることができ
る。かかるＳｃＰＳＺ高強度固体電解質材料では、立方
晶のＳｃＰＺ材料の場合よりもスカンジア配合比率が少
なく、また必要な板厚も薄くてすむことから、高価なス
カンジウムを多量に使用する必要がないので、材料コス
トが安い。
【００３７】また、前記各実施例ではいずれも、スカン
ジウムとジルコニウムとを硝酸に溶解した硝酸塩の混合
溶液から製造することとしたが、硝酸塩以外の出発原料
を用いることとしてもよい。ここで使用可能な出発原料
としては、硫酸塩やあるいはハロゲン化物等が考えられ
る。また、その用途も固体電解質型燃料電池に限定され
るものではない。
ジウムとジルコニウムとを硝酸に溶解した硝酸塩の混合
溶液から製造することとしたが、硝酸塩以外の出発原料
を用いることとしてもよい。ここで使用可能な出発原料
としては、硫酸塩やあるいはハロゲン化物等が考えられ
る。また、その用途も固体電解質型燃料電池に限定され
るものではない。
【００３８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によるＳｃ
ＰＳＺ高強度固体電解質材料では以下の効果が期待でき
る。すなわち、 正方晶の単相より成るので、導電率と機械的強度とが
共に優れている。 ゾルゲル法又は共沈法により得られた均一性及び結晶
性のよいＳｃＰＳＺ粉末より成形、焼成することによ
り、焼結性に優れている。微量のアルミナ又はムライト
を混合すれば焼結性が更によい。 機械的強度が高いので、薄い板厚で固体電解質型燃料
電池（ＳＯＦＣ）の固体電解質板に使用でき長期耐久性
にも優れる。 このため固体電解質板全体の電気抵抗が小さく、ＳＯ
ＦＣとしての発電性能が高い。 スカンジウムの使用量が少ないので、材料コストが安
い、等々。 したがって、本発明のＳｃＰＳＺ高強度固体電解質材料
を固体電解質型燃料電池に適用することは、長期間安定
して良好な発電効率が得られ、産業上の有益性は極めて
高いものである。
ＰＳＺ高強度固体電解質材料では以下の効果が期待でき
る。すなわち、 正方晶の単相より成るので、導電率と機械的強度とが
共に優れている。 ゾルゲル法又は共沈法により得られた均一性及び結晶
性のよいＳｃＰＳＺ粉末より成形、焼成することによ
り、焼結性に優れている。微量のアルミナ又はムライト
を混合すれば焼結性が更によい。 機械的強度が高いので、薄い板厚で固体電解質型燃料
電池（ＳＯＦＣ）の固体電解質板に使用でき長期耐久性
にも優れる。 このため固体電解質板全体の電気抵抗が小さく、ＳＯ
ＦＣとしての発電性能が高い。 スカンジウムの使用量が少ないので、材料コストが安
い、等々。 したがって、本発明のＳｃＰＳＺ高強度固体電解質材料
を固体電解質型燃料電池に適用することは、長期間安定
して良好な発電効率が得られ、産業上の有益性は極めて
高いものである。
【図１】（ａ）は本発明に係るＳｃＰＳＺ高強度固体電
解質材料の原料であるＳｃＰＳＺ粉末のゾルゲル法によ
る製造工程を示し、（ｂ）は同じく共沈法による製造工
程を示す。
解質材料の原料であるＳｃＰＳＺ粉末のゾルゲル法によ
る製造工程を示し、（ｂ）は同じく共沈法による製造工
程を示す。
【図２】本発明に係るＳｃＰＳＺ高強度固体電解質材料
を固体電解質型燃料電池における固体電解質板として製
造する場合の製造工程図である。
を固体電解質型燃料電池における固体電解質板として製
造する場合の製造工程図である。
【図３】従来一般に知られる平板型の固体電解質型燃料
電池（ＳＯＦＣ）の単セル構造の一例を示した図であ
る。
電池（ＳＯＦＣ）の単セル構造の一例を示した図であ
る。
【図４】（ａ）は図３に示した平板型燃料電池における
外部マニホールドタイプのもの、（ｂ）は同じく内部マ
ニホールドタイプのものの概略構成を示した図である。
外部マニホールドタイプのもの、（ｂ）は同じく内部マ
ニホールドタイプのものの概略構成を示した図である。
Claims (3)
- 【請求項１】 ジルコニアに３〜６モル％のスカンジア
を固溶させた粉末を主成分とし、低温度で焼成してなる
ことを特徴とするスカンジア部分安定化ジルコニア高強
度固体電解質材料。 - 【請求項２】 前記粉末は、ゾルゲル法または共沈法に
より調製されてなることを特徴とする請求項１に記載の
スカンジア部分安定化ジルコニア高強度固体電解質材
料。 - 【請求項３】 前記粉末に微量のアルミナまたはムライ
トが混合されてなることを特徴とする請求項１又は請求
項２に記載のスカンジア部分安定化ジルコニア高強度固
体電解質材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17121193A JP3458863B2 (ja) | 1993-06-17 | 1993-06-17 | 固体電解質型燃料電池用固体電解質焼結体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17121193A JP3458863B2 (ja) | 1993-06-17 | 1993-06-17 | 固体電解質型燃料電池用固体電解質焼結体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0769721A true JPH0769721A (ja) | 1995-03-14 |
| JP3458863B2 JP3458863B2 (ja) | 2003-10-20 |
Family
ID=15919101
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17121193A Expired - Lifetime JP3458863B2 (ja) | 1993-06-17 | 1993-06-17 | 固体電解質型燃料電池用固体電解質焼結体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3458863B2 (ja) |
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1993
- 1993-06-17 JP JP17121193A patent/JP3458863B2/ja not_active Expired - Lifetime
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