JPH10294115A - Solid electrolytic thin film and its manufacture - Google Patents

Solid electrolytic thin film and its manufacture

Info

Publication number
JPH10294115A
JPH10294115A JP9103310A JP10331097A JPH10294115A JP H10294115 A JPH10294115 A JP H10294115A JP 9103310 A JP9103310 A JP 9103310A JP 10331097 A JP10331097 A JP 10331097A JP H10294115 A JPH10294115 A JP H10294115A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
oxide
thin film
solid electrolyte
plasma
zirconium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP9103310A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kei Ogasawara
慶 小笠原
Yuichi Hishinuma
祐一 菱沼
Etsuo Ogino
悦男 荻野
Takayuki Toyoshima
隆之 豊島
Hidemi Nakai
日出海 中井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NIPPON ITA GLASS TECHNO RES KK
Nippon Sheet Glass Co Ltd
Tokyo Gas Co Ltd
Original Assignee
NIPPON ITA GLASS TECHNO RES KK
Nippon Sheet Glass Co Ltd
Tokyo Gas Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NIPPON ITA GLASS TECHNO RES KK, Nippon Sheet Glass Co Ltd, Tokyo Gas Co Ltd filed Critical NIPPON ITA GLASS TECHNO RES KK
Priority to JP9103310A priority Critical patent/JPH10294115A/en
Publication of JPH10294115A publication Critical patent/JPH10294115A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fine, thermally stable, solid electrolytic thin film of high crystallinity and high oxygen ion conductivity, and its manufacturing method for allowing the solid electrolytic thin film to be produced in a short length of time. SOLUTION: An electrolytic material 8, which is made by adding one or more third ingredients out of aluminum oxide (Al2 O3 ), bismuth oxide (Bi2 O3 ), chromium oxide (Cr2 O3 ) and iron oxide (Fe2 O3 ) to zirconium monoxide (ZrO) containing metallic yttrium (Y), is heated and evaporated by irradiating high density arc discharge plasma flow 13; at the same time the evaporated particles are transformed into plasma. Then, these evaporated particles transformed into plasma are fed on to a porous electrode base plate 12; thereby, a solid, electrolytic thin film made of zirconium oxide (ZrO2 ) containing one or more gradients out of yttrium oxide (Y2 O3 ), aluminum oxide (Al2 O3 ), bismuth oxide (Bi2 O3 ), chromium oxide (Cr2 O3 ) and iron oxide (Fe2 O3 ) are formed on the porous electrode base plate 12 under an oxygen atmosphere.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に組込ま
れる固体電解質薄膜とその製造方法に関する。
[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a solid electrolyte thin film incorporated in a fuel cell and a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】固体電解質薄膜を組込んだ燃料電池に
は、電解質、燃料極および空気極が平板状の平板型固体
電解質型燃料電池と、電解質、燃料極および空気極が円
筒状の円筒型固体電解質型燃料電池がある。平板型固体
電解質型燃料電池としては、図3に示すように、固体電
解質100の両側に燃料極101と空気極102を取付
けて一つのユニットを構成し、セパレータ103を介し
てユニットを複数直列接続したものが知られている。
2. Description of the Related Art A fuel cell incorporating a solid electrolyte thin film includes a flat solid electrolyte fuel cell having a flat electrolyte, fuel electrode and air electrode, and a cylindrical fuel cell having a cylindrical electrolyte, fuel electrode and air electrode. There is a solid oxide fuel cell. As shown in FIG. 3, as a flat-plate type solid electrolyte fuel cell, a fuel electrode 101 and an air electrode 102 are attached to both sides of a solid electrolyte 100 to constitute one unit, and a plurality of units are connected in series via a separator 103. Is known.

【0003】固体電解質材料、燃料極材料、空気極材
料、セパレータ材料には、夫々酸化イットリウムを固溶
した酸化ジルコニウム、ニッケルと酸化ジルコニウムの
サーメット、酸化ストロンチウムを固溶したランタンマ
ンガナイト、酸化ストロンチウムや酸化マグネシウムを
固溶したランタンクロマイトが用いられる。固体電解質
100とセパレータ103の材料には、緻密であること
が要求される。
The solid electrolyte material, fuel electrode material, air electrode material, and separator material include zirconium oxide in which yttrium oxide is dissolved, cermet of nickel and zirconium oxide, lanthanum manganite in which strontium oxide is dissolved, and strontium oxide. Lanthanum chromite in which magnesium oxide is dissolved is used. The materials of the solid electrolyte 100 and the separator 103 are required to be dense.

【0004】平板型固体電解質型燃料電池の発電効率
は、構成材料の電流経路に沿った電気抵抗、即ち厚さ方
向の電気抵抗が小さいほど高くなる。構成材料のうち
で、最も電気抵抗率の高いのは、固体電解質材料である
から、固体電解質100は機械的強度、緻密性を確保し
た上で、できるだけ薄く作製することが要求される。
[0004] The power generation efficiency of a flat plate type solid oxide fuel cell increases as the electrical resistance along the current path of the constituent material, that is, the electrical resistance in the thickness direction decreases. Among the constituent materials, the one having the highest electric resistivity is a solid electrolyte material. Therefore, it is required that the solid electrolyte 100 be made as thin as possible while ensuring mechanical strength and denseness.

【0005】これらの要求を満たす従来技術としては、
例えば多孔質電極基板上に固体電解質膜を作製する電気
化学蒸着法が知られている。この方法については、例え
ば高橋武彦著「燃料電池(1984)」に記載されてい
る。
[0005] Conventional technologies satisfying these requirements include:
For example, an electrochemical deposition method for producing a solid electrolyte membrane on a porous electrode substrate is known. This method is described in, for example, "Fuel Cell (1984)" by Takehiko Takahashi.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】酸化イットリウムを固
溶した酸化ジルコニウムに第三成分として酸化アルミニ
ウム(Al23)、酸化ビスマス(Bi23)、酸化ク
ロム(Cr23)、酸化鉄(Fe23)などを添加する
ことにより、機械的強度の向上、緻密性の向上を図るこ
とが可能である。しかし、電気化学蒸着法では、これら
の第三成分を添加することが困難であるという問題点が
ある。
SUMMARY OF THE INVENTION Aluminum oxide (Al 2 O 3 ), bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), chromium oxide (Cr 2 O 3 ), oxide By adding iron (Fe 2 O 3 ) or the like, it is possible to improve mechanical strength and denseness. However, the electrochemical deposition method has a problem that it is difficult to add these third components.

【0007】更に、電気化学蒸着法は、高価な金属塩化
物を原料として用いる、複雑な温度管理を必要とする、
微妙な圧力管理を必要とする、大面積の固体電解質膜を
作製できない、など多くの問題点も有している。
Further, the electrochemical vapor deposition method requires complicated temperature control using expensive metal chloride as a raw material.
There are also many problems, such as the need for delicate pressure management and the inability to produce a large-area solid electrolyte membrane.

【0008】本発明は、従来の技術が有するこのような
問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とすると
ころは、緻密で結晶性が高く熱的に安定で酸素イオン伝
導度の高い固体電解質薄膜と、その固体電解質薄膜の作
製が短時間で可能な製造方法を提供しようとするもので
ある。
[0008] The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and has as its object to provide a dense, highly crystalline, thermally stable, and high oxygen ion conductivity. An object of the present invention is to provide a solid electrolyte thin film and a manufacturing method capable of manufacturing the solid electrolyte thin film in a short time.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すべく請
求項1の固体電解質薄膜は、6〜12mol%の酸化イ
ットリウム(Y23)と、2〜20mol%の範囲で酸
化アルミニウム(Al23)、酸化ビスマス(Bi
23)、酸化クロム(Cr23)、酸化鉄(Fe23
のうち少なくとも一種類以上を含んだ酸化ジルコニウム
(ZrO2)からなるものである。
In order to solve the above-mentioned problems, the solid electrolyte thin film according to the first aspect of the present invention comprises 6 to 12 mol% of yttrium oxide (Y 2 O 3 ) and 2 to 20 mol% of aluminum oxide (Al). 2 O 3 ), bismuth oxide (Bi
2 O 3 ), chromium oxide (Cr 2 O 3 ), iron oxide (Fe 2 O 3 )
Of zirconium oxide (ZrO 2 ) containing at least one of the above.

【0010】請求項2の固体電解質薄膜の製造方法は、
高密度アーク放電プラズマ流を照射して電解質材料を加
熱・蒸発させ、同時に蒸発粒子をプラズマ化し、このプ
ラズマ化した蒸発粒子を多孔質状電極基板上に供給して
電解質薄膜を形成する方法において、前記電解質材料が
7〜11wt%の金属イットリウム(Y)を含む一酸化
ジルコニウム(ZrO)の導電性材料に対して酸化アル
ミニウム(Al23)、酸化ビスマス(Bi23)、酸
化クロム(Cr23)、酸化鉄(Fe23)のうち少な
くとも一種類以上の第三成分を、その総量が2〜12w
t%となるように添加した材料であって、酸素雰囲気下
で前記多孔質状電極基板上に6〜12mol%の酸化イ
ットリウム(Y23)と、2〜20mol%の範囲で酸
化アルミニウム(Al23)、酸化ビスマス(Bi
23)、酸化クロム(Cr23)、酸化鉄(Fe23
のうち少なくとも一種類以上を含んだ酸化ジルコニウム
(ZrO2)からなる固体電解質薄膜を形成するもので
ある。
[0010] The method for producing a solid electrolyte thin film according to claim 2 comprises:
A method of forming an electrolyte thin film by irradiating a high-density arc discharge plasma stream to heat and evaporate an electrolyte material, and at the same time, evaporating particles into plasma, and supplying the plasmaized evaporating particles onto a porous electrode substrate, The electrolyte material is aluminum oxide (Al 2 O 3 ), bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), and chromium oxide (ZrO) with respect to a conductive material of zirconium monoxide (ZrO) containing 7 to 11 wt% of metal yttrium (Y). Cr 2 O 3 ) and at least one third component of iron oxide (Fe 2 O 3 ) in a total amount of 2 to 12 watts.
a material added so as to have a concentration of 6 to 12 mol% of yttrium oxide (Y 2 O 3 ) on the porous electrode substrate in an oxygen atmosphere and aluminum oxide ( 2 to 20 mol%) in an oxygen atmosphere. Al 2 O 3 ), bismuth oxide (Bi
2 O 3 ), chromium oxide (Cr 2 O 3 ), iron oxide (Fe 2 O 3 )
A solid electrolyte thin film made of zirconium oxide (ZrO 2 ) containing at least one of the above.

【0011】請求項3の固体電解質薄膜の製造方法は、
請求項2の固体電解質薄膜の製造方法において、前記ア
ーク放電プラズマ流がArガスとO2ガスの混合ガスか
ら成るプラズマであって、その酸素分圧が0.35mT
orr〜0.85mTorrとした。
[0011] The method for producing a solid electrolyte thin film according to claim 3 comprises:
3. The method for producing a solid electrolyte thin film according to claim 2, wherein the arc discharge plasma flow is a plasma composed of a mixed gas of Ar gas and O 2 gas, and has an oxygen partial pressure of 0.35 mT.
orr to 0.85 mTorr.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。ここで、図1は本発明の方法
を実施する成膜装置の概略構成図、図2は本発明の方法
により多孔質電極基板上に形成された固体電解質薄膜の
粒子構造を示す走査電子顕微鏡写真である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. Here, FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a film forming apparatus for performing the method of the present invention, and FIG. 2 is a scanning electron micrograph showing the particle structure of a solid electrolyte thin film formed on a porous electrode substrate by the method of the present invention. It is.

【0013】成膜装置は、図1に示すように、真空容器
1と、真空容器1の内部に設置された坩堝2及び永久磁
石3と、真空容器1の側面に設置されたプラズマ発生陰
極4、中間電極5及び空芯コイル6などを備えている。
As shown in FIG. 1, a film forming apparatus includes a vacuum vessel 1, a crucible 2 and a permanent magnet 3 installed inside the vacuum vessel 1, and a plasma generating cathode 4 installed on a side of the vacuum vessel 1. , An intermediate electrode 5 and an air-core coil 6.

【0014】真空容器1の内部は、真空排気ポンプ(不
図示)により排気口7から真空排気される。坩堝2は放
電陽極を兼ねており、蒸発させるための材料8が装填さ
れる。坩堝2の直下には水冷機構を具備した永久磁石3
が配置され、これにより垂直方向の磁場BVが形成され
る。
The inside of the vacuum vessel 1 is evacuated from an exhaust port 7 by a vacuum exhaust pump (not shown). The crucible 2 also serves as a discharge anode, and is loaded with a material 8 for evaporation. Immediately below the crucible 2, a permanent magnet 3 equipped with a water cooling mechanism
Are arranged, whereby a vertical magnetic field B V is formed.

【0015】真空容器1の側面に設置されたプラズマ発
生陰極4は、TaパイプとLaB6の複合陰極からな
り、プラズマ発生陰極4には放電ガスを導入するための
放電ガス導入口9が設けられている。また、中間電極5
はプラズマを真空容器1内部に引き出すためのもので、
空芯コイル6は水平方向の磁場BHを発生させるための
ものである。
The plasma generating cathode 4 installed on the side of the vacuum vessel 1 is composed of a composite cathode of Ta pipe and LaB 6 , and the plasma generating cathode 4 has a discharge gas inlet 9 for introducing a discharge gas. ing. Also, the intermediate electrode 5
Is for drawing plasma into the vacuum vessel 1,
The air-core coil 6 is for generating a horizontal magnetic field B H.

【0016】プラズマ発生陰極4と放電陽極を兼ねた坩
堝2は、低電圧・大電流の直流電源10によって電気的
に接続されており、プラズマ発生陰極4と坩堝2との間
に直流電圧を印加することによって大電流のプラズマ流
13が発生する。そして、中間電極5によって真空容器
1内部に引き出されたプラズマ流13は、空芯コイル6
による水平方向の磁場BHと坩堝2直下の永久磁石3に
よる垂直方向の磁場BVの合成磁場により坩堝2直上で
90度に曲げられ、坩堝2内の電解質材料8に照射され
る。
The crucible 2 serving as both the plasma generating cathode 4 and the discharge anode is electrically connected by a low-voltage / high-current DC power supply 10, and a DC voltage is applied between the plasma generating cathode 4 and the crucible 2. As a result, a large current plasma flow 13 is generated. The plasma flow 13 drawn into the vacuum vessel 1 by the intermediate electrode 5 is
Bent 90 degrees directly above the crucible 2 by a synthetic magnetic field of the magnetic field B V in the vertical direction by the horizontal direction magnetic field B H and crucible 2 permanent magnet 3 immediately below by, is applied to the electrolyte material 8 in the crucible 2.

【0017】成膜する際に真空容器1内部に導入する酸
素ガスは、真空容器1の側面に設けられたガス導入口1
1から導入される。また、薄膜を形成する多孔質状電極
基板12は、坩堝2の直上に配置される。
The oxygen gas introduced into the vacuum vessel 1 during film formation is supplied to a gas inlet 1 provided on the side of the vacuum vessel 1.
Introduced from 1. Further, the porous electrode substrate 12 for forming a thin film is disposed immediately above the crucible 2.

【0018】以上のように構成した成膜装置の作用につ
いて説明する。放電ガス導入口9から放電ガスを真空容
器1内部に導入した後、真空容器1の側面に設けたプラ
ズマ発生陰極4と、放電陽極を兼ねた坩堝2内の電解質
材料8との間に直流電源10により直流電圧を印加す
る。
The operation of the film forming apparatus configured as described above will be described. After a discharge gas is introduced into the vacuum vessel 1 through a discharge gas inlet 9, a DC power supply is provided between the plasma generating cathode 4 provided on the side surface of the vacuum vessel 1 and the electrolyte material 8 in the crucible 2 serving also as a discharge anode. 10 applies a DC voltage.

【0019】すると、大電流直流アーク放電プラズマ流
13が発生して電解質材料8に照射し、電解質材料8の
加熱・蒸発・プラズマ化が起こる。この時、金属イット
リウム(Y)を含んだ一酸化ジルコニウム(ZrO)
は、室温で電気伝導性があるために、安定した放電を持
続することができる。
Then, a large-current DC arc discharge plasma flow 13 is generated and irradiated on the electrolyte material 8, so that the electrolyte material 8 is heated, evaporated and turned into plasma. At this time, zirconium monoxide (ZrO) containing metal yttrium (Y)
Can maintain a stable discharge because it has electrical conductivity at room temperature.

【0020】また、第三成分として添加した酸化アルミ
ニウム(Al23)、酸化ビスマス(Bi23)、酸化
クロム(Cr23)、酸化鉄(Fe23)は、固体電解
質薄膜の結晶粒界の生成を抑制するように作用する。
Aluminum oxide (Al 2 O 3 ), bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), chromium oxide (Cr 2 O 3 ) and iron oxide (Fe 2 O 3 ) added as the third component are solid electrolytes. It acts to suppress the formation of crystal grain boundaries in the thin film.

【0021】更に、真空容器1内部に酸素ガスをガス導
入口11から導入し、高密度プラズマ中で活性化された
酸素雰囲気下で成膜を行うことによって多孔質状電極基
板12表面上に結晶性が高く、熱的に安定で、酸素イオ
ン伝導性の高い、緻密な固体電解質薄膜が形成される。
Further, an oxygen gas is introduced into the vacuum chamber 1 from the gas inlet 11 and a film is formed in an oxygen atmosphere activated in a high-density plasma to form a crystal on the surface of the porous electrode substrate 12. A dense solid electrolyte thin film having high properties, being thermally stable, and having high oxygen ion conductivity is formed.

【0022】また、電解質材料8に照射するプラズマ流
13は、150A以上の大電流プラズマであるために、
電解質材料8の蒸発速度を高めることが可能となり、か
つ放電形態がアーク放電であるために高密度なプラズマ
の発生を可能にし、短時間で多孔質状電極基板12に緻
密な固体電解質薄膜が形成される。
Further, since the plasma flow 13 irradiating the electrolyte material 8 is a large current plasma of 150 A or more,
It is possible to increase the evaporation rate of the electrolyte material 8 and to generate high-density plasma because the discharge mode is arc discharge, and to form a dense solid electrolyte thin film on the porous electrode substrate 12 in a short time. Is done.

【0023】本発明における膜形成手段は、材料を加熱
・蒸発させて薄膜を形成する蒸着技術の一種であるた
め、蒸発材料の組成は容易に変更することができ、一酸
化ジルコニウム(ZrO)に第二成分としての金属イッ
トリウム(Y)や、酸化アルミニウム(Al23)、酸
化ビスマス(Bi23)、酸化クロム(Cr23)、酸
化鉄(Fe23)のうち少なくとも一種類以上の第三成
分の添加を容易にすることができる。
Since the film forming means in the present invention is a kind of vapor deposition technique for forming a thin film by heating and evaporating a material, the composition of the evaporating material can be easily changed, and zirconium monoxide (ZrO) is used. At least of metal yttrium (Y), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), chromium oxide (Cr 2 O 3 ), and iron oxide (Fe 2 O 3 ) as the second component The addition of one or more third components can be facilitated.

【0024】また、本発明で使用できる高密度アーク放
電プラズマ流の発生装置としては、例えば「真空第25
巻第10号(1982年発刊)」に記載された複合陰極
型プラズマ発生装置と圧力勾配型プラズマ発生装置を組
み合わせた放電陰極を用いることができるが、大電流の
アーク放電プラズマ流を発生できる装置であれば特に限
定するものではない。
As a high-density arc discharge plasma flow generator usable in the present invention, for example, “Vacuum No. 25
Vol. 10, No. 10 (published in 1982) ", a discharge cathode combining a composite cathode plasma generator and a pressure gradient plasma generator can be used, but a device capable of generating a large current arc discharge plasma flow. If so, there is no particular limitation.

【0025】(実施例1)金属イットリウム(Y)を含
む一酸化ジルコニウム(ZrO)に対して酸化アルミニ
ウム(Al23)を第三成分として添加した電解質材料
8を蒸発源として、以下の手順に従ってニッケル(N
i)と酸化ジルコニウム(ZrO)のサーメットで形成
された多孔質状電極基板12上に固体電解質薄膜を形成
し、形成された固体電解質薄膜の酸素イオン伝導性、緻
密性および組成を評価した。
Example 1 The following procedure was performed using an electrolyte material 8 in which aluminum oxide (Al 2 O 3 ) was added as a third component to zirconium monoxide (ZrO) containing metal yttrium (Y) as an evaporation source. According to nickel (N
A solid electrolyte thin film was formed on a porous electrode substrate 12 formed of i) and a cermet of zirconium oxide (ZrO), and the oxygen ion conductivity, denseness, and composition of the formed solid electrolyte thin film were evaluated.

【0026】緻密性については、室温における窒素ガス
の透過量測定により評価した。また、膜の組成は、同時
に石英基板上に形成したものをICP分析(誘導結合型
プラズマ発光分光分析法)により同定する方法を用い
た。
The denseness was evaluated by measuring the amount of nitrogen gas permeated at room temperature. As the composition of the film, a method of simultaneously identifying a film formed on a quartz substrate by ICP analysis (inductively coupled plasma emission spectroscopy) was used.

【0027】真空容器1内部を真空排気ポンプによっ
て、5×10-6Torr以下の圧力に排気した後、放電
ガス導入口9から放電ガスとしてArガスを30scc
m導入し、プラズマ発生陰極4と坩堝2との間に電流が
200Aの直流電力を供給し、大電流のアーク放電プラ
ズマ流を生成する。坩堝2内には、蒸発させる電解質材
料8として、金属イットリウム(Y)が一酸化ジルコニ
ウム(ZrO)に対してある割合で含有する材料を装填
する。
After the inside of the vacuum vessel 1 is evacuated to a pressure of 5 × 10 −6 Torr or less by a vacuum exhaust pump, Ar gas is discharged as a discharge gas through the discharge gas inlet 9 at 30 scc.
m, and a DC power of 200 A is supplied between the plasma generating cathode 4 and the crucible 2 to generate a large-current arc discharge plasma flow. The crucible 2 is charged with a material containing metal yttrium (Y) in a certain ratio with respect to zirconium monoxide (ZrO) as an electrolyte material 8 to be evaporated.

【0028】プラズマ発生陰極4によって生成したプラ
ズマ流13を中間電極5と空芯コイル6によって真空容
器1内部に導いた後、永久磁石3で形成される磁場BV
によって電解質材料8の中心に照射して、電解質材料8
の加熱・蒸発を行った。この時、ガス導入口11から約
200sccmの酸素ガスを真空容器1内に導入し、酸
素ガスと蒸発粒子を反応させて、坩堝2の直上に配置し
た基板12上に約60分間の薄膜形成を実施した。
After the plasma flow 13 generated by the plasma generating cathode 4 is introduced into the vacuum vessel 1 by the intermediate electrode 5 and the air-core coil 6, a magnetic field B V formed by the permanent magnet 3
Irradiates the center of the electrolyte material 8 with the
Was heated and evaporated. At this time, an oxygen gas of about 200 sccm is introduced into the vacuum vessel 1 from the gas inlet 11 to react the oxygen gas with the evaporating particles to form a thin film on the substrate 12 placed directly above the crucible 2 for about 60 minutes. Carried out.

【0029】酸素ガスを導入する前の真空容器1内部の
圧力は、真空排気速度とArガス流量によって決定さ
れ、この時の圧力は、2.5×10-4Torrであっ
た。酸素ガスを導入した後の圧力、即ち成膜最中の圧力
は、7.5×10-4Torrであった。電解質材料8の
組成、即ち一酸化ジルコニウム(ZrO)に対する金属
イットリウム(Y)と酸化アルミニウム(Al23)の
含有量を変えて、固体電解質薄膜を形成した結果を以下
に示す表1にまとめた。
The pressure inside the vacuum vessel 1 before the introduction of the oxygen gas is determined by the evacuation speed and the flow rate of the Ar gas, and the pressure at this time was 2.5 × 10 −4 Torr. The pressure after the introduction of the oxygen gas, that is, the pressure during the film formation was 7.5 × 10 −4 Torr. The results of forming the solid electrolyte thin film by changing the composition of the electrolyte material 8, that is, the contents of the metal yttrium (Y) and the aluminum oxide (Al 2 O 3 ) with respect to zirconium monoxide (ZrO) are summarized in Table 1 below. Was.

【0030】[0030]

【表1】 [Table 1]

【0031】表1に示すように、固体電解質薄膜中の酸
化イットリウム(Y23)の濃度が6〜12mol%、
酸化アルミニウム(Al23)の濃度が2〜20mol
%の範囲で良好な酸素イオン伝導性と緻密性が得られ、
薄膜燃料電池に用いる固体電解質薄膜として好ましい特
性を有する。
As shown in Table 1, the concentration of yttrium oxide (Y 2 O 3 ) in the solid electrolyte thin film was 6 to 12 mol%,
The concentration of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) is 2 to 20 mol
%, Good oxygen ion conductivity and denseness are obtained.
It has favorable characteristics as a solid electrolyte thin film used for a thin film fuel cell.

【0032】一方、酸化イットリウム(Y23)の濃度
が5mol%以下や13mol%以上である場合には、
約1000℃の加熱時に固体電解質薄膜の相変態に伴
い、薄膜中にクラックが生じた結果、ガス遮蔽性の低下
が発生したため、本発明の用途である薄膜燃料電池に用
いる固体電解質薄膜としては好ましくない。
On the other hand, when the concentration of yttrium oxide (Y 2 O 3 ) is 5 mol% or less or 13 mol% or more,
Due to the phase transformation of the solid electrolyte thin film at the time of heating at about 1000 ° C., as a result of cracks occurring in the thin film and a decrease in gas shielding properties, it is preferable as the solid electrolyte thin film used in the thin film fuel cell used in the present invention. Absent.

【0033】固体電解質薄膜中の第三成分である酸化ア
ルミニウム(Al23)が2mol%以下の場合は、固
体電解質薄膜の結晶粒界の生成を抑制する効果が不十分
であるために、ガス遮蔽性能が十分に得られないので、
やはり本発明の用途である薄膜燃料電池に用いる固体電
解質薄膜としては好ましくない。また、酸化アルミニウ
ム(Al23)が21mol%以上の場合には、ガス遮
蔽性能は良好な特性を有するが、酸素イオン伝導性が低
下するために本発明の用途である薄膜燃料電池に用いる
固体電解質薄膜には適さない。
When aluminum oxide (Al 2 O 3 ), which is the third component in the solid electrolyte thin film, is 2 mol% or less, the effect of suppressing the formation of crystal grain boundaries in the solid electrolyte thin film is insufficient. Since gas shielding performance cannot be obtained sufficiently,
It is also not preferable as a solid electrolyte thin film used for a thin film fuel cell which is an application of the present invention. When aluminum oxide (Al 2 O 3 ) is 21 mol% or more, the gas shielding performance is good, but the oxygen ion conductivity is reduced, so that it is used in the thin film fuel cell used in the present invention. Not suitable for solid electrolyte thin films.

【0034】図2に9wt%の金属イットリウム(Y)
と5wt%の酸化アルミニウム(Al23)を含む電解
質材料8を用いて多孔質状電極基板12上に作製した固
体電解質薄膜の断面SEM観察写真を示す。図2から約
20μmに渡り、結晶粒界の無い緻密な薄膜が形成され
ていることがわかる。
FIG. 2 shows 9 wt% metallic yttrium (Y).
5 shows a cross-sectional SEM observation photograph of a solid electrolyte thin film formed on a porous electrode substrate 12 using an electrolyte material 8 containing 5 wt% aluminum oxide (Al 2 O 3 ). It can be seen from FIG. 2 that a dense thin film having no crystal grain boundaries is formed over about 20 μm.

【0035】(実施例2)一酸化ジルコニウム(Zr
O)に対して9wt%の金属イットリウム(Y)を含む
材料に対し、第三成分として5wt%の酸化ビスマス
(Bi23)、酸化クロム(Cr23)、酸化鉄(Fe
23)を添加した材料を用いて実施例1と同様の方法で
固体電解質薄膜を作製し、評価を行なった。
Example 2 Zirconium monoxide (Zr)
5% by weight of bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), chromium oxide (Cr 2 O 3 ), and iron oxide (Fe) as a third component for a material containing 9 wt% of metal yttrium (Y) with respect to O).
A solid electrolyte thin film was prepared in the same manner as in Example 1 using the material to which 2 O 3 ) was added, and was evaluated.

【0036】いずれの場合にも、実施例1に示した酸化
アルミニウム(Al23)の場合と同様に、良好な酸素
イオン伝導性とガス遮蔽性を有し、本発明の用途である
薄膜燃料電池に適した固体電解質薄膜であると判断され
た。実施例2における結果を以下に示す表2にまとめ
た。
In any case, as in the case of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) shown in Example 1, a thin film which has good oxygen ion conductivity and gas shielding properties and is used in the present invention. It was determined to be a solid electrolyte thin film suitable for a fuel cell. The results in Example 2 are summarized in Table 2 below.

【0037】[0037]

【表2】 [Table 2]

【0038】(実施例3)一酸化ジルコニウム(Zr
O)に対して9wt%の金属イットリウム(Y)を含む
材料に対し、第三成分として5wt%の酸化アルミニウ
ム(Al23)を添加した材料を用い、実施例1に示し
た方法のうち酸素分圧が0.3mTorrと0.9mT
orrの条件で石英ガラス上に固体電解質薄膜を形成し
た。
Example 3 Zirconium monoxide (Zr)
O), a material containing 9 wt% of metal yttrium (Y) and a material obtained by adding 5 wt% of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) as a third component were used. Oxygen partial pressure of 0.3mTorr and 0.9mT
A solid electrolyte thin film was formed on quartz glass under the conditions of orr.

【0039】酸素分圧が0.3mTorrの場合は、薄
膜に強い光学吸収が観察され、さらにX線回折法により
結晶性を評価したところ、わずかに安定化ジルコニウム
(YSZ)の回折パターンがみられるものの、結晶性の
低い薄膜であることが明らかとなった。
When the oxygen partial pressure is 0.3 mTorr, strong optical absorption is observed in the thin film. Further, when the crystallinity is evaluated by the X-ray diffraction method, a diffraction pattern of stabilized zirconium (YSZ) is slightly observed. However, it was found that the thin film had low crystallinity.

【0040】酸素分圧が0.9mTorrの場合には、
透明な薄膜が得られるものの、成膜雰囲気に酸素が過剰
に供給されたために、蒸発した電解質材料8そのものが
酸化されてしまった結果、蒸発材料の電気伝導性の低下
が起こり放電の不安定性が発生した。この放電の不安定
性が原因で成膜速度は、酸素分圧が0.5mTorrの
場合の約60%にまで低下してしまった。これらの結果
から本発明における最適な酸素分圧は、0.35mTo
rr〜0.85mTorrであると判断できる。
When the oxygen partial pressure is 0.9 mTorr,
Although a transparent thin film is obtained, the evaporated electrolyte material 8 itself is oxidized due to excessive supply of oxygen to the film formation atmosphere. As a result, the electrical conductivity of the evaporated material is reduced and the instability of discharge is reduced. Occurred. Due to the instability of the discharge, the deposition rate was reduced to about 60% of the case where the oxygen partial pressure was 0.5 mTorr. From these results, the optimum oxygen partial pressure in the present invention is 0.35 mTo
rr to 0.85 mTorr.

【0041】[0041]

【発明の効果】以上説明したように請求項1に係る固体
電解質薄膜によれば、酸化イットリウム(Y23)を固
溶した酸化ジルコニウム(ZrO2)に第三成分とし
て、酸化アルミニウム(Al23)、酸化ビスマス(B
23)、酸化クロム(Cr23)、酸化鉄(Fe
23)などを添加することにより、機械的強度が向上
し、緻密性が向上する。
As described above, according to the solid electrolyte thin film according to the first aspect, zirconium oxide (ZrO 2 ) in which yttrium oxide (Y 2 O 3 ) is dissolved is used as a third component as aluminum oxide (Al). 2 O 3 ), bismuth oxide (B
i 2 O 3 ), chromium oxide (Cr 2 O 3 ), iron oxide (Fe
By adding 2 O 3 ) or the like, mechanical strength is improved and denseness is improved.

【0042】また、請求項2又は3に係る固体電解質薄
膜の製造方法によれば、酸化イットリウム(Y23)を
固溶した酸化ジルコニウム(ZrO2)に第三成分とし
て、酸化アルミニウム(Al23)、酸化ビスマス(B
23)、酸化クロム(Cr23)、酸化鉄(Fe
23)などを添加することにより、多孔質状電極基板上
に、機械的強度の向上、緻密性の向上を可能にする固体
電解質薄膜を作製することができる。
Further, according to the method for producing a solid electrolyte thin film according to the second or third aspect, zirconium oxide (ZrO 2 ) in which yttrium oxide (Y 2 O 3 ) is dissolved as aluminum oxide (Al) as a third component. 2 O 3 ), bismuth oxide (B
i 2 O 3 ), chromium oxide (Cr 2 O 3 ), iron oxide (Fe
By adding 2 O 3 ) or the like, a solid electrolyte thin film capable of improving mechanical strength and improving denseness can be produced on a porous electrode substrate.

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

【図1】本発明の方法を実施する成膜装置の概略構成図FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a film forming apparatus that performs a method of the present invention.

【図2】本発明の方法により多孔質電極基板上に形成さ
れた固体電解質薄膜の粒子構造を示す走査電子顕微鏡写
FIG. 2 is a scanning electron micrograph showing the particle structure of a solid electrolyte thin film formed on a porous electrode substrate according to the method of the present invention.

【図3】平板型固体電解質型燃料電池のセル構造を示す
FIG. 3 is a diagram showing a cell structure of a flat solid electrolyte fuel cell;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…真空容器、2…坩堝、3…永久磁石、4…プラズマ
発生陰極、5…中間電極、6…空芯コイル、8…電解質
材料、9…放電ガス導入口、10…直流電源、12…多
孔質状電極基板、13…プラズマ流。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Vacuum container, 2 ... Crucible, 3 ... Permanent magnet, 4 ... Plasma generating cathode, 5 ... Intermediate electrode, 6 ... Air-core coil, 8 ... Electrolyte material, 9 ... Discharge gas inlet, 10 ... DC power supply, 12 ... Porous electrode substrate, 13 ... plasma flow.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 菱沼 祐一 神奈川県横浜市金沢区釜利谷東6丁目36番 1号 (72)発明者 荻野 悦男 大阪府大阪市中央区道修町3丁目5番11号 日本板硝子株式会社内 (72)発明者 豊島 隆之 大阪府大阪市中央区道修町3丁目5番11号 日本板硝子株式会社内 (72)発明者 中井 日出海 大阪府大阪市中央区道修町3丁目5番11号 日本板硝子株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Yuichi Hishinuma 6-36-1, Kamariya Higashi, Kanazawa-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Prefecture (72) Inventor Etsuo Ogino 3-5-1, Doshumachi, Chuo-ku, Osaka-shi, Osaka Japan Inside Sheet Glass Co., Ltd. (72) Inventor Takayuki Toshima 3-5-1-11 Doshomachi, Chuo-ku, Osaka-shi, Osaka Prefecture Inside Japan Sheet Glass Co., Ltd. (72) Inventor Nakai Hidemi 3-5-1, Doshomachi, Chuo-ku, Osaka, Osaka No. Inside Nippon Sheet Glass Co., Ltd.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 6〜12mol%の酸化イットリウム
(Y23)と、2〜20mol%の範囲で酸化アルミニ
ウム(Al23)、酸化ビスマス(Bi23)、酸化ク
ロム(Cr23)、酸化鉄(Fe23)のうち少なくと
も一種類以上を含んだ酸化ジルコニウム(ZrO2)か
らなることを特徴とする固体電解質薄膜。
1. Yttrium oxide (Y 2 O 3 ) of 6 to 12 mol%, aluminum oxide (Al 2 O 3 ), bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), and chromium oxide (Cr 2 ) within a range of 2 to 20 mol%. O 3 ) and zirconium oxide (ZrO 2 ) containing at least one of iron oxide (Fe 2 O 3 ).
【請求項2】 高密度アーク放電プラズマ流を照射して
電解質材料を加熱・蒸発させ、同時に蒸発粒子をプラズ
マ化し、このプラズマ化した蒸発粒子を多孔質状電極基
板上に供給して電解質薄膜を形成する方法において、前
記電解質材料が7〜11wt%の金属イットリウム
(Y)を含む一酸化ジルコニウム(ZrO)の導電性材
料に対して酸化アルミニウム(Al23)、酸化ビスマ
ス(Bi23)、酸化クロム(Cr23)、酸化鉄(F
23)のうち少なくとも一種類以上の第三成分を、そ
の総量が2〜12wt%となるように添加した材料であ
って、酸素雰囲気下で前記多孔質状電極基板上に6〜1
2mol%の酸化イットリウム(Y23)と、2〜20
mol%の範囲で酸化アルミニウム(Al23)、酸化
ビスマス(Bi23)、酸化クロム(Cr23)、酸化
鉄(Fe23)のうち少なくとも一種類以上を含んだ酸
化ジルコニウム(ZrO2)からなる固体電解質薄膜を
形成することを特徴とする固体電解質薄膜の製造方法。
2. An electrolyte material is heated and evaporated by irradiating a high-density arc discharge plasma flow, and at the same time, evaporated particles are turned into plasma. The plasma-formed evaporated particles are supplied onto a porous electrode substrate to form an electrolyte thin film. In the forming method, the electrolyte material is aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) with respect to a conductive material of zirconium monoxide (ZrO) containing 7 to 11 wt% of metal yttrium (Y). ), Chromium oxide (Cr 2 O 3 ), iron oxide (F
e 2 O 3 ) is a material in which at least one or more third components are added so that the total amount thereof is 2 to 12 wt%.
2 mol% yttrium oxide (Y 2 O 3 )
Oxidation containing at least one of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), chromium oxide (Cr 2 O 3 ), and iron oxide (Fe 2 O 3 ) in a mol% range. A method for producing a solid electrolyte thin film, comprising forming a solid electrolyte thin film made of zirconium (ZrO 2 ).
【請求項3】 前記アーク放電プラズマ流がArガスと
2ガスの混合ガスから成るプラズマであって、その酸
素分圧が0.35mTorr〜0.85mTorrであ
る請求項2記載の固体電解質薄膜の製造方法。
3. The solid electrolyte thin film according to claim 2, wherein the arc discharge plasma flow is a plasma composed of a mixed gas of Ar gas and O 2 gas, and has an oxygen partial pressure of 0.35 mTorr to 0.85 mTorr. Production method.
JP9103310A 1997-04-21 1997-04-21 Solid electrolytic thin film and its manufacture Pending JPH10294115A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP9103310A JPH10294115A (en) 1997-04-21 1997-04-21 Solid electrolytic thin film and its manufacture

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP9103310A JPH10294115A (en) 1997-04-21 1997-04-21 Solid electrolytic thin film and its manufacture

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH10294115A true JPH10294115A (en) 1998-11-04

Family

ID=14350649

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP9103310A Pending JPH10294115A (en) 1997-04-21 1997-04-21 Solid electrolytic thin film and its manufacture

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH10294115A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002019455A3 (en) * 2000-08-30 2003-06-05 Siemens Ag Method for producing a solid ceramic fuel cell
JP2007299767A (en) * 2007-07-18 2007-11-15 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Electrolyte material for solid electrolyte fuel cells, solid electrolyte fuel cell and method for fabrication thereof

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002019455A3 (en) * 2000-08-30 2003-06-05 Siemens Ag Method for producing a solid ceramic fuel cell
US7141271B2 (en) 2000-08-30 2006-11-28 Siemens Power Generation, Inc. Method for producing a solid ceramic fuel cell
JP2007299767A (en) * 2007-07-18 2007-11-15 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Electrolyte material for solid electrolyte fuel cells, solid electrolyte fuel cell and method for fabrication thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5421101B2 (en) Method for producing a conductive layer
US6913998B2 (en) Vapor-deposited porous films for energy conversion
Solovyev et al. Application of PVD methods to solid oxide fuel cells
US20100159364A1 (en) Fuel cell cathodes
JPH10212570A (en) Method for forming tough metal, metallic oxide, and metal alloy on ion conductive polymer film
US5395704A (en) Solid-oxide fuel cells
JP6600300B2 (en) Multi-layer arrangement for solid electrolyte
JP2001357859A (en) Separator for fuel cell
JPH1021932A (en) Solid electrolyte type fuel cell and its manufacture
JP2008130514A (en) Deposition method of electrolyte membrane, and manufacturing method of fuel cell
JPH1021931A (en) Solid electrolyte type fuel cell
JPH10294115A (en) Solid electrolytic thin film and its manufacture
JP2007026946A (en) Proton conductive oxide, oxide proton conductive film, hydrogen-permeable structure and fuel cell using it
JPH10255825A (en) Solid electrolytic thin film and its manufacture
JP2006185698A (en) Solid oxide fuel cell and its manufacturing method
JPH08293310A (en) Manufacture of solid electrolytic film
Solov’ev et al. Magnetron formation of Ni/YSZ anodes of solid oxide fuel cells
Solovyev et al. Magnetron deposition of yttria-stabilised zirconia electrolyte for solid oxide fuel cells
Kariya et al. Low temperature operation of solid oxide fuel cells (SOFCs) with proton conductive electrolyte deposited on Pd foil substrates
JP4994661B2 (en) Proton conductive membrane, method for producing the same, hydrogen permeable structure, and fuel cell
Solov’ev et al. Comparison of characteristics of solid oxide fuel cells with YSZ and CGO film solid electrolytes formed using magnetron sputtering technique
JP2011009106A (en) Substrate for oxide superconductor, and oxide superconductor
JP6848193B2 (en) Separator for fuel cell and its manufacturing method
Tsai et al. The Effect of Plasma Spraying Power on La0. 58Sr0. 4Co0. 2Fe0. 8O3–δ–La0. 8Sr0. 2Ga0. 8Mg0. 2O3–δ Composite Cathode Interlayer Microstructure and Cell Performance
JPH07316819A (en) Production of metal oxide film