WO2023032787A1 - 酸化物イオン伝導性固体電解質 - Google Patents

酸化物イオン伝導性固体電解質 Download PDF

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ion conductive
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conductive solid
oxide
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洋史 加賀
喜丈 戸田
暁 留野
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Ａｇｃ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to oxide ion conductive solid electrolytes.
  • Solid electrolytes with oxide ion conductivity have various uses, such as solid oxide fuel cells (SOFC), solid oxide electrolysis cells (SOEC), oxygen sensors, and oxygen pumps.
  • SOFC solid oxide fuel cells
  • SOEC solid oxide electrolysis cells
  • oxygen sensors oxygen sensors
  • oxygen pumps oxygen pumps
  • Both SOFC and SOEC are electrochemical cells that operate at high temperatures.
  • the former can handle various fuels such as hydrogen, carbon monoxide, and methane, while the latter electrolyzes the water and carbon dioxide produced by SOFC operation. It can be converted back to hydrogen and carbon monoxide.
  • SOFC and SOEC have a solid electrolyte provided between two electrodes, and operate by conducting oxide ions in this solid electrolyte.
  • YSZ yttria-stabilized zirconia
  • ScSZ scandia-stabilized zirconia
  • Mayenite-type compounds exhibit oxide ion conductivity (Non-Patent Document 1). Mayenite-type compounds have a crystal structure that contains free oxide ions within cages. Therefore, it is possible that this free oxide ion can contribute to ion conduction.
  • the ionic conductivity of conventional mayenite-type compounds is not very high (for example, about 1/10 that of YSZ).
  • the present invention has been made in view of such a background, and an object of the present invention is to provide a solid electrolyte having a mayenite-type compound structure and having significantly high oxide ion conductivity.
  • an oxide ion conductive solid electrolyte Having a mayenite type compound having a representative composition represented by Ca 12 Al 14 O 33 , Having at least one metal element M selected from lanthanum (La) and yttrium (Y), The metal element M is contained in a range of 0.1 mol% to 10 mol% in terms of oxide with respect to the entire oxide ion conductive solid electrolyte,
  • An oxide ion conductive solid electrolyte is provided in which the content of the mayenite type compound in the oxide ion conductive solid electrolyte is higher than 60% by mass.
  • an oxide ion conductive solid electrolyte Having a mayenite type compound having a representative composition represented by Ca 12 Al 14 O 33 , Having at least one metal element M selected from lanthanum (La) and yttrium (Y),
  • the metal element M is contained in a range of 0.1 mol% to 10 mol% in terms of oxide with respect to the entire oxide ion conductive solid electrolyte, Furthermore, there is provided an oxide ion conductive solid electrolyte containing 0.1 mol % to 30 mol % of titanium (Ti) in terms of TiO 2 .
  • the present invention can provide a solid electrolyte having a mayenite-type compound structure and having significantly high oxide ion conductivity.
  • FIG. 10 is a diagram showing results of evaluation by simulation of major diffusion species in a mayenite-type compound having a C12A7 structure (Ca 12 Al 14 O 33 ) containing La as a metal M;
  • 1 is a diagram schematically showing an example of the configuration of an SOFC having an oxide ion-conducting solid electrolyte according to one embodiment of the present invention;
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of the configuration of an SOEC having an oxide ion-conducting solid electrolyte according to one embodiment of the present invention;
  • FIG. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is the figure which showed typically an example of the flow of the manufacturing method of the oxide ion conductive solid electrolyte by one Embodiment of this invention.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing an example flow of another method for producing an oxide ion conductive solid electrolyte according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of an oxide ion conductive solid electrolyte (Sample 8) according to one embodiment of the present invention;
  • FIG. 4 shows a Cole-Cole plot obtained for an oxide ion-conducting solid electrolyte (Sample 9) according to one embodiment of the present invention;
  • an oxide ion-conducting solid electrolyte comprising: Having a mayenite type compound having a representative composition represented by Ca 12 Al 14 O 33 , Having at least one metal element M selected from lanthanum (La) and yttrium (Y), The metal element M is contained in a range of 0.1 mol% to 10 mol% in terms of oxide with respect to the entire oxide ion conductive solid electrolyte, An oxide ion conductive solid electrolyte is provided in which the content of the mayenite type compound in the oxide ion conductive solid electrolyte is higher than 60% by mass.
  • the content of the mayenite type compound contained in the oxide ion conductive solid electrolyte can be grasped by Rietveld analysis.
  • first solid electrolyte contains a mayenite type compound having a C12A7 structure.
  • the mayenite type compound has a typical composition represented by 12CaO.7Al 2 O 3 and has a characteristic crystal structure with three-dimensionally connected voids (cages) with a diameter of about 0.4 nm.
  • the framework that makes up this cage is positively charged, forming 12 cages per unit cell.
  • One-sixth of this cage is occupied with oxide ions in order to satisfy the electroneutrality condition of the crystal.
  • the caged oxide ions have chemically different properties from the other oxygen ions that make up the framework, and for this reason the caged oxide ions are specifically called free oxide ions.
  • the mayenite type compound is also represented by the composition formula [Ca 24 Al 28 O 64 ] 4+ (O 2 ⁇ ) 2 (Non-Patent Document 2).
  • the mayenite-type compound contains free oxide ions in the cage, so it may function as an oxide ion conductor (Non-Patent Document 1).
  • the inventors of the present application have been earnestly conducting research and development on measures for increasing the oxide ion conductivity of mayenite-type compounds.
  • the inventors of the present application have found that the addition of an oxide of a specific metal M to a mayenite compound significantly increases the ionic conductivity of the mayenite compound, leading to the present invention.
  • the metal M is lanthanum (La) and/or yttrium (Y).
  • the first solid electrolyte contains La and/or Y.
  • the metal M is contained in the oxide ion conductive solid electrolyte in the range of 0.1 mol % to 10 mol % in terms of oxide.
  • the content of the metal M is less than 0.1 mol%, no significant effect appears on the ionic conductivity of the mayenite type compound. Moreover, when the metal M is added in excess of 10 mol %, heterogeneous phases increase, making it difficult to obtain an oxide ion conductive solid electrolyte mainly composed of a mayenite type compound. However, the mass fraction of the mayenite type compound in the first solid electrolyte may be less than 100% if a significant effect on ionic conductivity appears.
  • the mayenite compound itself may contain La and/or Y.
  • La and/or Y may be arranged at the Ca atom site in the mayenite type compound.
  • the molar ratio of metal M to Ca atoms (M/Ca) may be in the range of 0.015 ⁇ M/Ca ⁇ 0.19.
  • the metal M may satisfy 0.84 ⁇ (M+Ca)/Al ⁇ 0.88 and satisfy Ca 24 ⁇ x M x Al 28 O 66+x/2 in terms of molar ratio.
  • the metal M is preferably contained in the oxide ion conductive solid electrolyte in the range of 0.5 mol % to 5.3 mol % in terms of oxide.
  • the content of the metal M is preferably set to 5.3 mol % or less, it is possible to obtain an oxide ion conductive solid electrolyte that has little heterogeneous phase and is mainly composed of a mayenite type compound in which the metal M is included in the crystal structure. .
  • the following is considered as the reason why the ionic conductivity is increased by including a predetermined amount of metal M in the mayenite compound.
  • the metal M (La and/or Y) is added to the mayenite type compound, the atoms of the metal M are considered to be preferentially substituted and arranged at the Ca atom site.
  • Ca atoms are divalent, but La and Y atoms are trivalent. Therefore, when Ca atoms are replaced with La atoms and Y atoms, the concentration of oxide ions increases in order to maintain electrical neutrality. In addition, it is considered that the concentration of free oxide ions in the cage increases along with this, resulting in an improvement in ionic conductivity. Furthermore, trivalent La has a larger ionic radius than divalent Ca atoms. Therefore, when the Ca atom site is replaced with La, the distance between La and the oxide ion becomes larger. As a result, the electrostatic attraction between La and the oxide ions located at the site of the Ca atom is weakened, and free oxide ions in the cage are more likely to move, resulting in an improvement in ionic conductivity. .
  • the mechanism for improving the ionic conductivity is based on current experimental considerations, and the first solid electrolyte may have improved ionic conductivity by another mechanism.
  • first solid electrolyte may further contain titanium (Ti).
  • Ti may be contained in the range of 0.1 mol % to 30 mol % in terms of oxide with respect to the entire first solid electrolyte.
  • Ti is considered to be substituted and arranged at the site of the aluminum (Al) atom of the mayenite type compound.
  • a molar ratio Ti/Al of Ti atoms to Al atoms may be 0.015 ⁇ Ti/Al ⁇ 0.50.
  • the molar ratio of the metal M may satisfy 0.84 ⁇ (M+Ca)/(Al+Ti) ⁇ 0.88, and Ca 24-x M x Al 28-y Ti y O 66+x/2+y/2 may be satisfied.
  • the ionic conductivity is further improved. This is expected for the following reasons.
  • Ti When Ti is added to the mayenite type compound, it is believed that the Ti atoms are preferentially substituted and arranged at Al atom sites. However, Al atoms are trivalent, but Ti atoms are tetravalent. Therefore, when Al atoms are replaced with Ti atoms, the concentration of oxide ions increases in order to maintain electrical neutrality. In addition, it is considered that the concentration of free oxide ions in the cage increases along with this, resulting in an improvement in ionic conductivity.
  • Such a first solid electrolyte has significantly higher ionic conductivity than conventional mayenite compounds. Therefore, the first solid electrolyte can be expected to be used as a solid electrolyte in SOFC, SOEC, and the like.
  • an oxide ion conductive solid electrolyte comprising: Having a mayenite type compound having a representative composition represented by Ca 12 Al 14 O 33 , Having at least one metal element M selected from lanthanum (La) and yttrium (Y), The metal element M is contained in a range of 0.1 mol% to 10 mol% in terms of oxide with respect to the entire oxide ion conductive solid electrolyte, Furthermore, there is provided an oxide ion conductive solid electrolyte containing 0.1 mol % to 30 mol % of titanium (Ti) in terms of TiO 2 .
  • second solid electrolyte In the oxide ion conductive solid electrolyte (hereinafter referred to as "second solid electrolyte") according to another embodiment of the present invention, as in the first solid electrolyte described above, compared to the conventional mayenite type compound, A significantly higher ionic conductivity is obtained. Therefore, the second solid electrolyte can be expected to be used as a solid electrolyte in SOFCs, SOECs, and the like.
  • the code used for the calculation is LAMMPS. Values reported by Pedone et al. (see Non-Patent Documents 3 and 4) were used for the two-body potential of the constituent elements of each material, which is an input parameter.
  • Figure 1 shows the results of the simulation.
  • the horizontal axis is the elapsed time
  • the vertical axis is the MSD of each element.
  • FIG. 1 shows that an element with a larger MSD slope is more likely to diffuse inside the mayenite compound.
  • oxide ions are the main component of ion conduction in the compound in which part of the Ca atoms in the mayenite compound is replaced with metal M.
  • first solid electrolyte and the second solid electrolyte are ceramics, they have high high temperature stability.
  • the first solid electrolyte and the second solid electrolyte can be stably used even in a temperature range of 800° C. or higher.
  • the first solid electrolyte and the second solid electrolyte are stable even at high temperatures and have significantly high oxide ion conductivity. Therefore, the first solid electrolyte and the second solid electrolyte can be applied, for example, as solid oxide fuel cell (SOFC) cell solid electrolyte layers and SOEC solid electrolyte layers.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • FIG. 2 schematically shows a configuration example of an SOFC cell.
  • the SOFC cell 100 has an oxygen electrode 110, a fuel electrode 120, and a solid electrolyte layer 130 between the electrodes.
  • the following reactions occur: O 2 +4e ⁇ ⁇ 2O 2 ⁇ (1)
  • Oxide ions generated at the oxygen electrode 110 pass through the solid electrolyte layer 130 and reach the fuel electrode 120 on the opposite side.
  • the following reactions occur: 2H 2 +2O 2 ⁇ ⁇ 2H 2 O+4e ⁇ Equation (2) Therefore, when the SOFC cell 100 is connected to the external load 140 , the reactions of equations (1) and (2) continue and the external load 140 can be powered.
  • a first solid electrolyte and a second solid electrolyte can be applied as the solid electrolyte layer 130, for example. Also, as the solid electrolyte components constituting the oxygen electrode 110 and the fuel electrode 120, the first solid electrolyte and the second solid electrolyte can be applied.
  • FIG. 3 schematically shows a configuration example of an SOEC cell.
  • the SOEC cell 200 has an oxygen electrode 210, a fuel electrode 220, and a solid electrolyte layer 230 between the electrodes.
  • a first solid electrolyte and a second solid electrolyte can be applied as the solid electrolyte layer 230, for example. Also, the first solid electrolyte and the second solid electrolyte can be applied as solid electrolyte components constituting the oxygen electrode 210 and the fuel electrode 220 .
  • the solid electrolyte according to one embodiment of the present invention may be used in any form.
  • a solid electrolyte according to one embodiment of the invention may be provided as a powder.
  • the solid electrolyte according to an embodiment of the present invention may be provided in the form of slurry, paste or dispersion by mixing with a solvent and/or binder.
  • FIG. 4 schematically shows an example flow of a method for producing an oxide ion conductive solid electrolyte according to one embodiment of the present invention (hereinafter referred to as "first production method").
  • the first manufacturing method includes: (1) a step of mixing a Ca source, an Al source, and a metal M source in a predetermined ratio to obtain a mixed powder (step S110); (2) a step of calcining the mixed powder to obtain a calcined powder (step S120); (3) a step of sintering the calcined powder to obtain a sintered body (step S130); have
  • Step S110 First, a mixed powder is prepared. Therefore, a Ca source, an Al source, and a metal M source are mixed at a predetermined ratio.
  • the Ca source may be selected from, for example, metallic calcium, calcium carbonate, calcium oxide, calcium hydroxide, calcium nitrate, and calcium acetate.
  • the Al source may be selected from, for example, metallic aluminum, ⁇ -alumina, ⁇ -alumina, aluminum hydroxide, aluminum nitrate, and aluminum sulfate.
  • the metal M source may be selected from, for example, lanthanum metal, lanthanum oxide, yttrium metal, and yttrium oxide.
  • Each raw material is weighed and mixed so as to obtain a mayenite-type compound having the desired composition.
  • the mixing method is not particularly limited as long as a uniform mixed powder can be obtained.
  • Step S120 Next, the mixed powder is calcined.
  • the calcination process is carried out to desorb compounds such as carbonic acid and nitric acid contained in the mixed powder, and to facilitate the formation of the desired mayenite type compound in the next sintering process.
  • the calcination conditions are not particularly limited, but the calcination temperature is preferably 1000°C or higher in order to obtain the desired mixed oxide. However, if the calcining temperature is too high, crystallization will proceed excessively in the mixed powder. Therefore, the calcination temperature is preferably 1300° C. or less.
  • the calcination time is, for example, about 5 hours to 24 hours. However, the calcining time varies depending on the calcining temperature, and the higher the calcining temperature, the shorter the calcining time.
  • the calcined powder may be pulverized as necessary.
  • the average particle size after pulverization may range, for example, from 0.1 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • Step S130 Next, the calcined powder is sintered.
  • the sintering process is carried out to obtain a dense sintered body with the desired crystal phase.
  • the calcined powder Before the sintering process, the calcined powder may be molded and the sintering process may be performed using the obtained molded body.
  • the molding conditions are not particularly limited, and a general molding method such as uniaxial molding or hydrostatic molding may be employed.
  • the sintering method is not particularly limited.
  • the calcined powder or compact may be sintered by a pressureless sintering method under normal pressure.
  • the calcined powder may be sintered using a pressure sintering method such as hot press sintering or discharge plasma sintering.
  • a pressure sintering method such as hot press sintering or discharge plasma sintering.
  • molding and sintering may be performed at once.
  • the sintering temperature is not particularly limited as long as a proper sintered body can be obtained, but is preferably in the range of 1200°C to 1400°C. If the sintering temperature is too low, a dense sintered body may not be obtained. Also, if the sintering temperature is too high, the object to be processed may melt.
  • the optimum sintering time varies depending on the sintering temperature, but in the case of pressureless sintering, it is, for example, about 5 to 48 hours, and in the case of pressure sintering by discharge plasma, it is, for example, 5 minutes. ⁇ 60 minutes.
  • carbon may adhere to the surface of the sintered body.
  • the adhered carbon can be removed by heat-treating in the air at 800° C. to 1000° C. for about 5 hours.
  • an oxide ion conductive solid electrolyte according to one embodiment of the present invention can be produced.
  • FIG. 5 schematically shows an example flow of another method for producing an oxide ion conductive solid electrolyte (hereinafter referred to as "second production method") according to one embodiment of the present invention.
  • the second manufacturing method includes: (1) a step of mixing a Ca source and an Al source in a predetermined ratio to obtain a first mixed powder (step S210); (2) a step of calcining the first mixed powder to obtain a first calcined powder (step S220); (3) a step of mixing the first calcined powder and the metal M source at a predetermined ratio to obtain a second mixed powder (step S230); (4) a step of calcining the second mixed powder to obtain a second calcined powder (step S240); (5) Sintering the second calcined powder to obtain a sintered body (step S250); have
  • each step included in the second manufacturing method can be easily understood by a person skilled in the art from the description of each step S110 to S130 in the first manufacturing method. Therefore, detailed description of each step is omitted here.
  • the oxide ion conductive solid electrolyte is manufactured through two calcination steps (steps S220 and S240).
  • an oxide ion conductive solid electrolyte having a more homogeneous composition can be obtained. can be manufactured.
  • step S220 in the first production method, highly reactive Ca and metal M may react with each other to form a heterogeneous phase.
  • step S220 in the first calcination step (step S220), calcined powder in which Ca and Al are reacted and bonded can be prepared in advance. Therefore, in the second calcination step (step S240), the metal M can be more reliably introduced into the desired site in the mayenite compound.
  • the method for producing an oxide ion conductive solid electrolyte according to one embodiment of the present invention has been described above using the first production method and the second production method as examples.
  • the above description is merely an example, and the oxide ion conductive solid electrolyte according to one embodiment of the present invention may be produced by other methods such as a hydrothermal method, a sol-gel method, and a liquid-phase combustion method. good.
  • Examples 1 to 12 and Examples 31 to 32 are examples, and Examples 21 to 23 are comparative examples.
  • Example 1 A sintered body was produced by the following method.
  • sample 1 The obtained sintered body is called "Sample 1".
  • the Y content is 0.66 mol % in terms of Y 2 O 3 and the molar ratio Y/Ca is 0.021.
  • Examples 2 to 5 A sintered body was produced in the same manner as in Example 1. However, in Examples 2 to 5, mixed powders were prepared by changing the compounding ratio of each raw material in the above-described [Preparation step] from that in Example 1. Other steps are the same as in Example 1.
  • Example 2 The obtained sintered bodies are referred to as “Sample 2" to “Sample 5", respectively.
  • Example 6 Calcium carbonate powder (4.23 g), ⁇ -alumina powder (2.54 g), and lanthanum oxide powder (0.0871 g) were each weighed. These were put into a pot containing ⁇ 5 mm zirconia balls and 10 cc of isopropanol, and pulverized and mixed for 3 hours by a planetary ball mill method. The mixed powder was then dried at 100° C. to remove the isopropanol. Further, the mixed powder was separated from the zirconia balls by a sieve.
  • Sample 6 The obtained sintered body is called "Sample 6".
  • the content of La is 0.4 mol % in terms of La 2 O 3 and the molar ratio La/Ca is 0.013.
  • Example 7 to 11 A sintered body was produced in the same manner as in Example 6. However, in Examples 7 to 11, mixed powders were prepared by changing the compounding ratio of each raw material in the above-described [Preparation step] from that in Example 6. Other steps are the same as in Example 6.
  • Example 7 The obtained sintered bodies are referred to as “Sample 7" to “Sample 11", respectively.
  • Example 12 Calcium carbonate powder (3.75 g), ⁇ -alumina powder (2.43 g), yttrium oxide (0.192 g), and lanthanum oxide powder (0.277 g) were each weighed. These were put into a pot containing ⁇ 5 mm zirconia balls and 10 cc of isopropanol, and pulverized and mixed for 3 hours by a planetary ball mill method. The mixed powder was then dried at 100° C. to remove the isopropanol. Further, the mixed powder was separated from the zirconia balls by a sieve.
  • sample 12 The obtained sintered body is called "Sample 12".
  • the Y content is 1.4 mol % in terms of Y 2 O 3
  • the La content is 1.4 mol % in terms of La 2 O 3
  • (Y+La)/Ca is a molar ratio M of 0.091.
  • Example 21 A sintered body was produced in the same manner as in Example 1. However, in Example 21, only calcium carbonate (4.33 g) and ⁇ -alumina (2.57 g) were mixed in the above-described [Preparation step] to prepare a mixed powder. That is, a mixed powder was prepared without adding a metal M source. Other steps are the same as in Example 1.
  • the obtained sintered body is called "Sample 21".
  • Example 22 A sintered body was produced in the same manner as in Example 1. However, in Example 22, the mixed powder was prepared by changing the compounding ratio of each raw material in the above-described [Preparation step] from that in Example 1. The Y content was 5.6 mol % in terms of Y 2 O 3 and the molar ratio Y/Ca was 0.2.
  • the sintering temperature in the above-mentioned [sintering process] was set to 1150°C.
  • the obtained sintered body is called "Sample 22".
  • Example 23 A sintered body was produced in the same manner as in Example 6. However, in Example 23, the mixed powder was prepared by changing the compounding ratio of each raw material in the above-described [Preparation step] from that in Example 6. The La content was 1.3 mol % in terms of La 2 O 3 and the molar ratio La/Ca was 0.043.
  • the sintering temperature in the above-mentioned [sintering process] was set to 1200°C.
  • the obtained sintered body is called "Sample 23".
  • Table 1 summarizes the raw materials and firing conditions for each sample.
  • FIG. 6 shows the X-ray diffraction pattern obtained for sample 8. As shown in FIG. In FIG. 6, each unmarked peak corresponds to the crystal phase of the mayenite type compound. Each peak indicated by a wedge symbol corresponds to the crystal phase of LaCaAl 3 O 7 which is a heterogeneous phase.
  • sample 8 contained a mayenite-type compound.
  • the content of the mayenite type compound in Sample 8 was 86.6% by mass.
  • Mayenite type compound content in Table 2 below shows the evaluation results of the mayenite type compound content obtained in each sample.
  • ⁇ indicates that the content of the mayenite type compound is 60% by mass or more
  • X indicates that the content of the mayenite type compound is less than 60% by mass.
  • the content of the mayenite type compound was 60% by mass or more in Samples 1 to 12. On the other hand, in samples 22 and 23, the content of the mayenite type compound was found to be less than 60% by mass.
  • resistivity measurement A resistivity measurement was performed using each sample. The impedance method was used for resistivity measurements.
  • each sample was polished with #80 to #1000 sandpaper to remove the surface layer and smooth it.
  • a platinum electrode with a diameter of 6 mm and a thickness of 10 ⁇ m was placed on the polished surface via platinum paste. This sample was heat treated at 1000° C. for 15 minutes in an air atmosphere to solidify the platinum paste.
  • the sample was placed in an electric furnace in an air atmosphere.
  • the sample was also connected to a potentiogalvanostat (Biologic SP-150) via a platinum wire coupled to a platinum electrode.
  • the measurement frequency was 1 MHz to 100 mHz.
  • the resistivity was obtained from the intersection with the horizontal axis (real number axis).
  • FIG. 7 shows a Cole-Cole plot obtained for sample 9 as an example.
  • the resistivity of sample 9 was obtained from the position of the arrow.
  • resistivity column in Table 2 above summarizes the results obtained for each sample.
  • the resistivity of each sample is shown as a ratio of the resistivity obtained in sample 21.
  • resistivities (relative ratios) of samples 22 and 23 are 0.83 and 0.65, respectively, which are much lower than sample 21, which is a mayenite type compound containing no metal M. found to have not decreased.
  • the resistivity of the mayenite-type compound was significantly reduced in the samples to which 0.1 mol% to 10 mol% of the metal M was added in terms of oxide.
  • Example 31 A sintered body was produced in the same manner as in Example 1. However, in Example 31, titanium dioxide powder was used in addition to calcium carbonate powder, ⁇ -alumina powder, and yttrium oxide powder as raw materials in the above-described [Preparation step]. Titanium dioxide powder was added so as to be 10 mol % with respect to the whole. The Ti/Al ratio in the mixed powder is 0.17.
  • sample 31 The obtained sintered body is called "Sample 31".
  • the content of Y is 2.6 mol % in terms of Y 2 O 3 and the molar ratio Y/Ca is 0.091.
  • Example 32 A sintered body was produced in the same manner as in Example 6. However, in Example 32, titanium dioxide powder was used as raw materials in addition to calcium carbonate powder, ⁇ -alumina powder, and lanthanum oxide powder in the above-described [Preparation step]. Titanium dioxide powder was added so as to be 2.7 mol % with respect to the whole. The Ti/Al ratio in the mixed powder is 0.037.
  • sample 32 The resulting sintered body is called "Sample 32".
  • the content of La is 2.7 mol % in terms of La 2 O 3 and the molar ratio La/Ca is 0.091.
  • Table 3 summarizes the raw materials and firing conditions of Samples 31 and 32.
  • the resistivity of sample 31 was 0.096 times the resistivity of sample 21. Also, the resistivity of sample 32 was 0.083 times the resistivity of sample 21 .
  • the present invention includes the following aspects.
  • An oxide ion conductive solid electrolyte Having a mayenite type compound having a representative composition represented by Ca 12 Al 14 O 33 , Having at least one metal element M selected from lanthanum (La) and yttrium (Y), The metal element M is contained in a range of 0.1 mol% to 10 mol% in terms of oxide with respect to the entire oxide ion conductive solid electrolyte, An oxide ion conductive solid electrolyte, wherein the content of the mayenite type compound in the oxide ion conductive solid electrolyte is higher than 60% by mass.
  • An oxide ion conductive solid electrolyte Having a mayenite type compound having a representative composition represented by Ca 12 Al 14 O 33 , Having at least one metal element M selected from lanthanum (La) and yttrium (Y), The metal element M is contained in a range of 0.1 mol% to 10 mol% in terms of oxide with respect to the entire oxide ion conductive solid electrolyte, Further, an oxide ion conductive solid electrolyte containing 0.1 mol % to 30 mol % of titanium (Ti) in terms of TiO 2 .
  • SOFC cell 110 oxygen electrode 120 fuel electrode 130 solid electrolyte layer 140 external load 200 SOEC cell 210 oxygen electrode 220 fuel electrode 230 solid electrolyte layer 240 external power supply

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Abstract

酸化物イオン伝導性固体電解質であって、Ｃａ１２Ａｌ１４Ｏ３３で表される代表組成を有するマイエナイト型化合物を有し、ランタン（Ｌａ）およびイットリウム（Ｙ）から選ばれた少なとも１種の金属元素Ｍを有し、前記金属元素Ｍは、当該酸化物イオン伝導性固体電解質の全体に対して、酸化物換算で０．１モル％～１０モル％の範囲で含まれ、当該酸化物イオン伝導性固体電解質中の前記マイエナイト型化合物の含有量は、６０質量％よりも高い、酸化物イオン伝導性固体電解質。

Description

酸化物イオン伝導性固体電解質
　本発明は、酸化物イオン伝導性固体電解質に関する。
　酸化物イオン伝導性を有する固体電解質は固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）、酸素センサー、酸素ポンプ等、様々な用途がある。近年、再生可能エネルギーの普及のために着目されているＰｏｗｅｒ　ｔｏ　Ｇａｓ／Ｃｈｅｍｉｃａｌという技術コンセプトの実現形態の一つとしてＳＯＦＣとＳＯＥＣを組み合わせた高効率エネルギーシステムが着目されている。
　ＳＯＦＣ、ＳＯＥＣは共に高温で作動する電気化学セルであり、前者は水素や一酸化炭素、メタン等、様々な燃料に対応でき、後者はＳＯＦＣの動作により生成する水や二酸化炭素を電気分解し、水素や一酸化炭素に戻すことができる。
　ＳＯＦＣ、ＳＯＥＣは２つの電極間に設けられた固体電解質を有し、この固体電解質中を酸化物イオンが伝導することにより作動する。
Ｍ．Ｌａｃｅｒｄａ　ｅｔ　ａｌ．，"Ｈｉｇｈ　Ｏｘｉｄｅ　ｉｏｎ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ　ｉｎ　Ｃａ１２Ａｌ１４Ｏ３３"Ｎａｔｕｒｅ，ｖｏｌ．３３２，Ｐ５２５，７，Ａｐｒｉｌ（１９８８） Ｆ．Ｍ．Ｌｅａ，Ｃ．Ｈ．Ｄｅｓｃｈ，Ｔｈｅ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙｏｆ　Ｃｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ，２ｎｄ　ｅｄ．，ｐ．５２，Ｅｄｗａｒｄ　Ａｒｎｏｌｄ＆Ｃｏ．，Ｌｏｎｄｏｎ，１９５６ Ａ．Ｐｅｄｏｎｅ　ｅｔ　ａｌ．Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ　１１０、１１７８０－１１７９５（２００６） Ｌ．Ｂ．Ｓｋｉｎｎｅｒ　ｅｔ　ａｌ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．　１１２、１５７８０１（２０１４）
　ＳＯＦＣおよびＳＯＥＣ用の固体電解質としては、これまで、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）やスカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）などの材料が提案されている。
　また、最近では、マイエナイト型化合物が酸化物イオン伝導性を示すことが報告されている（非特許文献１）。マイエナイト型化合物は、ケージ内にフリー酸化物イオンを含有する結晶構造を有する。従って、このフリー酸化物イオンがイオン伝導に寄与できる可能性がある。
　しかしながら、本願発明者らによれば、従来のマイエナイト型化合物のイオン伝導性は、あまり高くないことが認められている（例えば、ＹＳＺの１／１０程度）。
　従って、マイエナイト型化合物を酸化物イオン伝導性固体電解質に適用するためには、酸化物イオン伝導性のさらなる向上が必要となる。
　本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、本発明では、マイエナイト型化合物構造を有し、有意に高い酸化物イオン伝導性を有する固体電解質を提供することを目的とする。
　本発明では、酸化物イオン伝導性固体電解質であって、
　Ｃａ１２Ａｌ１４Ｏ３３で表される代表組成を有するマイエナイト型化合物を有し、
　ランタン（Ｌａ）およびイットリウム（Ｙ）から選ばれた少なとも１種の金属元素Ｍを有し、
　前記金属元素Ｍは、当該酸化物イオン伝導性固体電解質の全体に対して、酸化物換算で０．１モル％～１０モル％の範囲で含まれ、
　当該酸化物イオン伝導性固体電解質中の前記マイエナイト型化合物の含有量は、６０質量％よりも高い、酸化物イオン伝導性固体電解質が提供される。
　また、本発明では、酸化物イオン伝導性固体電解質であって、
　Ｃａ１２Ａｌ１４Ｏ３３で表される代表組成を有するマイエナイト型化合物を有し、
　ランタン（Ｌａ）およびイットリウム（Ｙ）から選ばれた少なとも１種の金属元素Ｍを有し、
　前記金属元素Ｍは、当該酸化物イオン伝導性固体電解質の全体に対して、酸化物換算で０．１モル％～１０モル％の範囲で含まれ、
　さらに、チタン（Ｔｉ）を、ＴｉＯ２換算で０．１モル％～３０モル％含む、酸化物イオン伝導性固体電解質が提供される。
　本発明では、マイエナイト型化合物構造を有し、有意に高い酸化物イオン伝導性を有する固体電解質を提供することができる。
金属ＭとしてＬａを含むＣ１２Ａ７構造（Ｃａ１２Ａｌ１４Ｏ３３）のマイエナイト型化合物における主要拡散種をシミュレーションにより評価した結果を示した図である。 本発明の一実施形態による酸化物イオン伝導性固体電解質を有するＳＯＦＣの構成の一例を模式的に示した図である。 本発明の一実施形態による酸化物イオン伝導性固体電解質を有するＳＯＥＣの構成の一例を模式的に示した図である。 本発明の一実施形態による酸化物イオン伝導性固体電解質の製造方法のフローの一例を模式的に示した図である。 本発明の一実施形態による酸化物イオン伝導性固体電解質の別の製造方法のフローの例を模式的に示した図である。 本発明の一実施形態による酸化物イオン伝導性固体電解質（サンプル８）におけるＸ線回折パターンを示した図である。 本発明の一実施形態による酸化物イオン伝導性固体電解質（サンプル９）において得られたＣｏｌｅ－Ｃｏｌｅプロットを示した図である。
　以下、本発明の一実施形態について説明する。
　（本発明の一実施形態による酸化物イオン伝導性固体電解質）
　本発明の一実施形態では、酸化物イオン伝導性固体電解質であって、
　Ｃａ１２Ａｌ１４Ｏ３３で表される代表組成を有するマイエナイト型化合物を有し、
　ランタン（Ｌａ）およびイットリウム（Ｙ）から選ばれた少なとも１種の金属元素Ｍを有し、
　前記金属元素Ｍは、当該酸化物イオン伝導性固体電解質の全体に対して、酸化物換算で０．１モル％～１０モル％の範囲で含まれ、
　当該酸化物イオン伝導性固体電解質中の前記マイエナイト型化合物の含有量は、６０質量％よりも高い、酸化物イオン伝導性固体電解質が提供される。
　なお、本願において、酸化物イオン伝導性固体電解質に含まれるマイエナイト型化合物の含有量は、リートベルト解析により把握することができる。
　本発明の一実施形態による酸化物イオン伝導性固体電解質（以下、「第１の固体電解質」と称する）は、Ｃ１２Ａ７構造のマイエナイト型化合物を含む。
　マイエナイト型化合物は、１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３で表される代表組成を有し、三次元的に連結された直径約０．４ｎｍの空隙（ケージ）を有する特徴的な結晶構造を持つ。
　このケージを構成する骨格は、正電荷を帯びており、単位格子当たり１２個のケージを形成する。このケージの１／６は、結晶の電気的中性条件を満たすため、内部が酸化物イオンで占められている。しかしながら、このケージ内の酸化物イオンは、骨格を構成する他の酸素イオンとは化学的に異なる特性を有しており、このため、ケージ内の酸化物イオンは、特にフリー酸化物イオンと呼ばれている。
　マイエナイト型化合物は、組成式［Ｃａ２４Ａｌ２８Ｏ６４］４＋（Ｏ２－）２とも表記される（非特許文献２）。
　前述のように、マイエナイト型化合物は、ケージ内にフリー酸化物イオンを含むため、酸化物イオン伝導体として機能できる可能性がある（非特許文献１）。
　しかしながら、本願発明者らによる解析によれば、上記組成式を有する一般的なマイエナイト型化合物のイオン伝導性は、あまり高くないことが認められている（例えば、ＹＳＺの１／１０程度）。
　従って、マイエナイト型化合物を酸化物イオン伝導性固体電解質に適用するためには、酸化物イオン伝導性のさらなる向上が必要となる。
　これまで、本願発明者らは、マイエナイト型化合物の酸化物イオン伝導性を高めるための方策について、鋭意研究開発を進めてきた。そして、本願発明者らは、マイエナイト型化合物に特定の金属Ｍの酸化物を添加した場合、マイエナイト型化合物のイオン伝導性が有意に高められることを見出し、本願発明に至った。ここで、金属Ｍは、ランタン（Ｌａ）および／またはイットリウム（Ｙ）である。
　従って、第１の固体電解質は、Ｌａおよび／またはＹを有する。
　なお、金属Ｍは、酸化物イオン伝導性固体電解質中に、酸化物換算で０．１モル％～１０モル％の範囲で含有される。
　金属Ｍの含有量が０．１モル％未満では、マイエナイト型化合物のイオン伝導性に、有意な効果が現れない。また、金属Ｍを１０モル％超添加した場合、異相が多くなり、マイエナイト型化合物を主体とする酸化物イオン伝導性固体電解質を得ることが難しくなる。ただし、イオン伝導性に有意な効果が表れるなら、第１の固体電解質におけるマイエナイト型化合物の質量分率は１００％未満でもよい。
　特に、第１の固体電解質では、マイエナイト型化合物自体がＬａおよび／またはＹを含んでもよい。この場合、Ｌａおよび／またはＹは、マイエナイト型化合物におけるＣａ原子のサイトに配置されてもよい。特に、Ｃａ原子に対する金属Ｍのモル比（Ｍ／Ｃａ）は、０．０１５≦Ｍ／Ｃａ≦０．１９の範囲であってもよい。
　また、第１の固体電解質において、金属Ｍは、モル比で、０．８４≦（Ｍ＋Ｃａ）／Ａｌ≦０．８８を満たしてもよく、Ｃａ２４－ｘＭｘＡｌ２８Ｏ６６＋ｘ／２を満たしてもよい。
　特に、第１の固体電解質では、金属Ｍは、酸化物イオン伝導性固体電解質中に、酸化物換算で０．５モル％～５．３モル％の範囲で含有されることが好ましい。金属Ｍの含有量を５．３モル％以下とすることにより、異相が少なく、結晶構造内に金属Ｍが包含されたマイエナイト型化合物を主体とする酸化物イオン伝導性固体電解質を得ることができる。
　なお、現時点では、本発明の一実施形態において、マイエナイト型化合物に所定量の金属Ｍを含有させることによりイオン伝導性が高まる理由として、以下のことが考えられる。
　マイエナイト型化合物に金属Ｍ（Ｌａおよび／またはＹ）を添加した場合、金属Ｍの原子は、Ｃａ原子のサイトに優先的に置換配置されると考えられる。
　ここで、Ｃａ原子は２価であるが、Ｌａ原子およびＹ原子は３価である。このため、Ｃａ原子がＬａ原子およびＹ原子と置換されると、電気的中性を保つため、酸化物イオンの濃度が上昇する。また、これに伴い、ケージ内のフリー酸化物イオンの濃度も高くなる結果、イオン伝導性が向上するものと考えられる。さらに、３価のＬａは２価のＣａ原子よりも大きなイオン半径を有する。このため、Ｃａ原子のサイトがＬａで置換されると、Ｌａと酸化物イオンとの間の距離がより大きくなる。これにより、Ｃａ原子のサイトに配置されたＬａと酸化物イオンとの間の静電引力が弱まり、ケージ内のフリー酸化物イオンが移動しやすくなる結果、イオン伝導性が向上するものと考えられる。
　ただし、上記イオン伝導性の向上のメカニズムは、現時点での実験的な考察に基づくものであり、第１の固体電解質は、別の機構により、イオン伝導性が向上していてもよい。
　また、第１の固体電解質は、さらに、チタン（Ｔｉ）を含有してもよい。
　Ｔｉは、第１の固体電解質の全体に対して、酸化物換算で０．１モル％～３０モル％の範囲で含有されてもよい。
　なお、第１の固体電解質において、Ｔｉは、マイエナイト型化合物のアルミニウム（Ａｌ）原子のサイトに置換配置されているものと考えられる。Ａｌ原子に対するＴｉ原子のモル比Ｔｉ／Ａｌは、０．０１５≦Ｔｉ／Ａｌ≦０．５０であってもよい。また、第１の固体電解質がＴｉを含有する場合、金属Ｍは、モル比で、０．８４≦（Ｍ＋Ｃａ）／（Ａｌ＋Ｔｉ）≦０．８８を満たしてもよく、Ｃａ２４－ｘＭｘＡｌ２８－ｙＴｉｙＯ６６＋ｘ／２＋ｙ／２を満たしてもよい。
　第１の固体電解質がＴｉを含む場合、イオン導電性がさらに向上する。これは、以下の理由によると予想される。
　マイエナイト型化合物にＴｉを添加した場合、Ｔｉ原子は、Ａｌ原子のサイトに優先的に置換配置されると考えられる。ただし、Ａｌ原子は３価であるが、Ｔｉ原子は４価である。このため、Ａｌ原子がＴｉ原子と置換されると、電気的中性を保つため、酸化物イオンの濃度が上昇する。また、これに伴い、ケージ内のフリー酸化物イオンの濃度も高くなる結果、イオン伝導性が向上するものと考えられる。
　このような第１の固体電解質は、従来のマイエナイト型化合物に比べて、有意に高いイオン伝導性を有する。従って、第１の固体電解質は、ＳＯＦＣおよびＳＯＥＣ等における固体電解質としての利用が期待できる。
　また、本発明の別の実施形態では、酸化物イオン伝導性固体電解質であって、
　Ｃａ１２Ａｌ１４Ｏ３３で表される代表組成を有するマイエナイト型化合物を有し、
　ランタン（Ｌａ）およびイットリウム（Ｙ）から選ばれた少なとも１種の金属元素Ｍを有し、
　前記金属元素Ｍは、当該酸化物イオン伝導性固体電解質の全体に対して、酸化物換算で０．１モル％～１０モル％の範囲で含まれ、
　さらに、チタン（Ｔｉ）を、ＴｉＯ２換算で０．１モル％～３０モル％含む、酸化物イオン伝導性固体電解質が提供される。
　本発明の別の実施形態による酸化物イオン伝導性固体電解質（以下、「第２の固体電解質」と称する）においても、前述の第１の固体電解質と同様、従来のマイエナイト型化合物に比べて、有意に高いイオン伝導性が得られる。従って、第２の固体電解質は、ＳＯＦＣおよびＳＯＥＣ等における固体電解質としての利用が期待できる。
　（イオン伝導種の検討）
　金属Ｍを含むＣ１２Ａ７構造のマイエナイト型化合物において、イオン伝導の主体となる元素をシミュレーションにより評価した。
　シミュレーションでは、古典分子動力学計算により、１気圧、１２００Ｋにおける材料中の酸化物イオンの平均二乗変位ＭＳＤと経過時間の関係を計算した。
　計算に用いたコードは、ＬＡＭＭＰＳである。入力パラメーターである各材料の構成元素の二体間ポテンシャルには、Ｐｅｄｏｎｅらにより報告されている値（非特許文献３および４参照）を用いた。
　単位胞を６×６×６に拡張したスーパーセルにおいて、モル比で、Ｃａの２．７モル％をＬａで置換した系に対して、ＮＰＴアンサンブルで１ナノ秒の分子動力学シミュレーションを行った。また、温度、内部エネルギー、および格子定数が安定した後、ＮＶＥアンサンブルで１ナノ秒の分子動力学シミュレーションを行った。
　図１には、シミュレーションの結果を示す。図１において、横軸は、経過時間であり、縦軸は、各元素のＭＳＤである。
　ＭＳＤの傾きは、拡散係数に比例する。従って、図１では、ＭＳＤの傾きが大きい元素ほど、マイエナイト型化合物の内部において拡散が生じやすいことを示す。
　図１に示すように、マイエナイト型化合物中のＣａ原子の一部を金属Ｍで置換した化合物では、イオン伝導の主体は、酸化物イオンであることがわかった。
　（その他の特徴）
　第１の固体電解質および第２の固体電解質は、セラミックスであるため、高い高温安定性を有する。例えば、第１の固体電解質および第２の固体電解質は、８００℃以上の温度域においても、安定に使用することができる。
　（用途）
　第１の固体電解質および第２の固体電解質は、高温においても安定であり、有意に高い酸化物イオン伝導性を有する。従って、第１の固体電解質および第２の固体電解質は、例えば、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）セルの固体電解質層、およびＳＯＥＣ用の固体電解質層として適用できる。
　図２には、ＳＯＦＣセルの一構成例を模式的に示す。
　図２に示すように、ＳＯＦＣセル１００は、酸素極１１０、燃料極１２０、および両電極の間の固体電解質層１３０を有する。
　酸素極１１０では、例えば、以下の反応が生じる：
 
　　　Ｏ２＋４ｅ－→２Ｏ２－　　　（１）式
 
　酸素極１１０で生じた酸化物イオンは、固体電解質層１３０内を通り、反対側の燃料極１２０に達する。燃料極１２０では、例えば、以下の反応が生じる：
 
　　　２Ｈ２＋２Ｏ２－→２Ｈ２Ｏ＋４ｅ－　　　（２）式
 
　従って、ＳＯＦＣセル１００を外部負荷１４０に接続した場合、（１）式および（２）式の反応が継続され、外部負荷１４０に給電することができる。
　このようなＳＯＦＣセル１００において、例えば固体電解質層１３０として、第１の固体電解質および第２の固体電解質を適用することができる。また、酸素極１１０および燃料極１２０を構成する固体電解質成分としても、第１の固体電解質および第２の固体電解質を適用することができる。
　このようなＳＯＦＣセル１００では、固体電解質層１３０が有意に高い酸化物イオン伝導性を有するため、有意に高い発電効率を得ることが可能となる。
　図３には、ＳＯＥＣセルの一構成例を模式的に示す。
　図３に示すように、ＳＯＥＣセル２００は、酸素極２１０、燃料極２２０、および両電極の間の固体電解質層２３０を有する。
　酸素極２１０では、例えば、以下の反応が生じる：
 
　　　２Ｏ２－→Ｏ２＋４ｅ－　　　（３）式
 
　また、燃料極２２０では、例えば、以下の反応が生じる：
 
　　　２Ｈ２Ｏ＋４ｅ－→２Ｈ２＋２Ｏ２－　　　（４）式
 
　燃料極２２０で生じた酸化物イオンは、固体電解質層２３０内を通り、反対側の酸素極２１０に達する。従って、ＳＯＥＣセル２００を外部電源２４０に接続した場合、（３）式および（４）式の反応が継続される。
　このようなＳＯＥＣセル２００において、例えば固体電解質層２３０として、第１の固体電解質および第２の固体電解質を適用することができる。また、酸素極２１０および燃料極２２０を構成する固体電解質成分としても、第１の固体電解質および第２の固体電解質を適用することができる。
　このようなＳＯＥＣセル２００では、固体電解質層２３０が有意に高い酸化物イオン伝導性を有するため、有意に高い電解効率を得ることが可能となる。
　また、本発明の一実施形態による固体電解質は、いかなる形態で使用されてもよい。例えば、本発明の一実施形態による固体電解質は、粉末として提供されてもよい。あるいは、本発明の一実施形態による固体電解質は、溶媒および／またはバインダなどと混合して、スラリー、ペーストまたは分散液の形態で提供されてもよい。
　この他にも、各種使用形態が想定され得る。
　（本発明の一実施形態による酸化物イオン伝導性固体電解質の製造方法）
　次に、図４を参照して、本発明の一実施形態による酸化物イオン伝導性固体電解質の製造方法の一例について説明する。
　図４には、本発明の一実施形態による酸化物イオン伝導性固体電解質の製造方法（以下、「第１の製造方法」と称する）のフローの例を模式的に示す。
　図４に示すように、第１の製造方法は、
（１）Ｃａ源、Ａｌ源、および金属Ｍ源を所定の割合で混合して、混合粉末を得る工程（工程Ｓ１１０）と、
（２）混合粉末を仮焼して、仮焼粉を得る工程（工程Ｓ１２０）と、
（３）仮焼粉を焼結させて、焼結体を得る工程（工程Ｓ１３０）と、
　を有する。
　以下、各工程について、説明する。なお、ここでは、一例として、前述の第１の固体電解質を例に、その製造方法について説明する。ただし、第１の製造方法が第２の固体電解質の製造方法にも適用し得ることは、本明細書を読んだ当業者には明らかである。
　（工程Ｓ１１０）
　まず、混合粉末が調製される。このため、Ｃａ源、Ａｌ源、金属Ｍ源が所定の割合で混合される。
　Ｃａ源は、例えば、金属カルシウム、炭酸カルシウム、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、硝酸カルシウム、および酢酸カルシウムなどから選定されてもよい。
　Ａｌ源は、例えば、金属アルミニウム、αアルミナ、γアルミナ、水酸化アルミニウム、硝酸アルミニウム、および硫酸アルミニウムなどから選定されてもよい。
　金属Ｍ源は、例えば、金属ランタン、酸化ランタン、金属イットリウム、および酸化イットリウムなどから選定されてもよい。
　各原料は、目的組成を有するマイエナイト型化合物が得られるように秤量され、混合される。
　混合方法は、均一な混合粉末が得られれば、特に限られない。
　（工程Ｓ１２０）
　次に、混合粉末が仮焼される。
　仮焼工程は、混合粉末に含まれる炭酸および硝酸などの化合物を脱離させ、次の焼結工程において、目的のマイエナイト型化合物を生成し易くするために実施される。
　仮焼の条件は、特に限られないが、目的の混合酸化物を得るためには、仮焼温度は、１０００℃以上が好ましい。ただし、仮焼温度が高すぎると、混合粉末において、過度に結晶化が進行してしまう。従って、仮焼温度は、１３００℃以下が好ましい。
　仮焼時間は、例えば、５時間～２４時間程度である。ただし、仮焼時間は、仮焼温度によっても変化し、仮焼温度が高いほど、仮焼時間を短くできる。
　これにより、仮焼粉が得られる。
　なお、仮焼粉は、必要に応じて粉砕してもよい。粉砕後の平均粒径は、例えば、０．１μｍ～１００μｍの範囲であってもよい。
　（工程Ｓ１３０）
　次に、仮焼粉が焼結される。
　焼結工程は、目的の結晶相を有する緻密な焼結体を得るために実施される。
　なお、焼結工程の前に、仮焼粉を成形し、得られた成形体を用いて、焼結工程を実施してもよい。
　成形の条件等は、特に限られず、一軸成形法または静水圧成形法等、一般的な成形方法が採用されてもよい。
　焼結の方法は、特に限られず、例えば、常圧下における無加圧焼結法により、仮焼粉または成形体を焼結させてもよい。
　あるいは、ホットプレス焼結または放電プラズマ焼結のような、加圧焼結法を用いて、仮焼粉を焼結させてもよい。なお、この場合、成形と焼結が一度に実施されてもよい。
　焼結温度は、適正な焼結体が得られる限り、特に限られないが、１２００℃～１４００℃の範囲が好ましい。焼結温度が低すぎると、緻密な焼結体が得られない場合がある。また、焼結温度が高すぎると、被処理体の溶融が生じる場合がある。
　焼結時間は、焼結温度に応じて最適な時間を選択することが望ましい。一般に、焼結温度が高い程、短時間で焼結が完了する。
　最適な焼結時間は、焼結温度によっても異なるが、無加圧焼結処理の場合、例えば、５時間～４８時間程度であり、放電プラズマによる加圧焼結処理の場合、例えば、５分～６０分程度である。
　なお、カーボン製の容器を使用して、加圧焼結処理を実施すると、焼結体の表面にカーボンが付着する場合がある。そのような場合、大気下、８００℃～１０００℃で５時間程度、熱処理することにより、付着カーボンを除去することができる。
　以上の工程により、本発明の一実施形態による酸化物イオン伝導性固体電解質を製造することができる。
　（本発明の一実施形態による酸化物イオン伝導性固体電解質の別の製造方法）
　次に、図５を参照して、本発明の一実施形態による酸化物イオン伝導性固体電解質の別の製造方法の例について説明する。
　図５には、本発明の一実施形態による酸化物イオン伝導性固体電解質の別の製造方法（以下、「第２の製造方法」と称する）のフローの例を模式的に示す。
　図５に示すように、第２の製造方法は、
（１）Ｃａ源およびＡｌ源を所定の割合で混合して、第１の混合粉末を得る工程（工程Ｓ２１０）と、
（２）第１の混合粉末を仮焼して、第１の仮焼粉を得る工程（工程Ｓ２２０）と、
（３）第１の仮焼粉および金属Ｍ源を所定の割合で混合して、第２の混合粉末を得る工程（工程Ｓ２３０）と、
（４）第２の混合粉末を仮焼して、第２の仮焼粉を得る工程（工程Ｓ２４０）と、
（５）第２の仮焼粉を焼結させて、焼結体を得る工程（工程Ｓ２５０）と、
　を有する。
　第２の製造方法に含まれる各工程は、前述の第１の製造方法における各工程Ｓ１１０～工程Ｓ１３０に関する記載から、当業者には容易に理解することができる。従って、ここでは、各工程についての詳細な説明は省略する。
　ただし、第２の製造方法では、第１の製造方法とは異なり、２回の仮焼工程（工程Ｓ２２０および工程Ｓ２４０）を経て、酸化物イオン伝導性固体電解質が製造される。
　この場合、第１の製造方法のように、Ｃａ源、Ａｌ源および金属Ｍ源を含む混合粉末を一度に仮焼処理する場合に比べて、より均質な組成の酸化物イオン伝導性固体電解質を製造することができる。
　すなわち、第１の製造方法では、反応性の高いＣａと金属Ｍが反応して、異相が形成される可能性がある。これに対して、第２の製造方法では、１回目の仮焼工程（工程Ｓ２２０）において、ＣａとＡｌが反応し、結合された仮焼粉を予め調製することができる。従って、２回目の仮焼工程（工程Ｓ２４０）では、より確実に、マイエナイト型化合物内の所望のサイトに金属Ｍを導入させることができる。
　以上、第１の製造方法および第２の製造方法を例に、本発明の一実施形態による酸化物イオン伝導性固体電解質の製造方法について説明した。しかしながら、上記記載は、単なる一例に過ぎず、本発明の一実施形態による酸化物イオン伝導性固体電解質は、水熱法、ゾルゲル法、および液相燃焼法など、別の方法により製造されてもよい。
　以下、本発明の実施例について説明する。
　なお、以下の記載において、例１～例１２ならびに例３１～例３２は、実施例であり、例２１～例２３は、比較例である。
　（例１）
　以下の方法で、焼結体を作製した。
　［調合工程］
　炭酸カルシウム粉末（４．２０ｇ）と、αアルミナ粉末（２．５５ｇ）と、酸化イットリウム粉末（０．１０１ｇ）とをそれぞれ秤量した。これらを、φ５ｍｍのジルコニアボールおよび１０ｃｃのイソプロパノールが入ったポットに投入し、遊星ボールミル法により３時間粉砕混合した。次に、混合粉末を１００℃で乾燥し、イソプロパノールを除去した。さらに、ふるいにより、混合粉末をジルコニアボールと分離した。
　［仮焼工程］
　得られた混合粉末をアルミナ坩堝に入れ、大気中、１２００℃で５時間仮焼した。得られた試料をメノー乳鉢で粉砕し、仮焼粉を作製した。
　［焼結工程］
　仮焼粉１ｇをφ１．５ｃｍの超硬金属ダイスに入れ、油圧プレス器で２０ｋＮの圧力を印加し、一軸成形を実施した。さらに、１９６ＭＰａで静水圧成形処理を行い、φ１．５ｃｍのペレットを作製した。ペレットを大気中、１２００℃で１２時間熱処理し、φ１．３ｃｍφ、厚さ２ｍｍの焼結体を得た。
　得られた焼結体を「サンプル１」と称する。サンプル１において、Ｙの含有量は、Ｙ２Ｏ３換算で、０．６６モル％であり、モル比Ｙ／Ｃａは、０．０２１である。
　（例２～例５）
　例１と同様の方法により、焼結体を作製した。ただし、例２～例５では、前述の［調合工程］における各原料の配合比を例１の場合とは変化させて、混合粉末を調製した。その他の工程は、例１の場合と同様である。
　得られた焼結体を、それぞれ、「サンプル２」～「サンプル５」と称する。
　（例６）
　炭酸カルシウム粉末（４．２３ｇ）と、αアルミナ粉末（２．５４ｇ）と、酸化ランタン粉末（０．０８７１ｇ）とをそれぞれ秤量した。これらを、φ５ｍｍのジルコニアボールおよび１０ｃｃのイソプロパノールが入ったポットに投入し、遊星ボールミル法により３時間粉砕混合した。次に、混合粉末を１００℃で乾燥し、イソプロパノールを除去した。さらに、ふるいにより、混合粉末をジルコニアボールと分離した。
　［仮焼工程］
　得られた混合粉末をアルミナ坩堝に入れ、大気中、１３００℃で５時間仮焼した。得られた試料をメノー乳鉢で粉砕し、仮焼粉を作製した。
　［焼結工程］
　仮焼粉１ｇをφ１．５ｃｍの超硬金属ダイスに入れ、油圧プレス器で２０ｋＮの圧力を印加し、一軸成形を実施した。さらに、１９６ＭＰａで静水圧成形処理を行い、φ１．５ｃｍのペレットを作製した。ペレットを大気中、１３００℃で１２時間熱処理し、φ１．３ｃｍφ、厚さ２ｍｍの焼結体を得た。
　得られた焼結体を「サンプル６」と称する。サンプル６において、Ｌａの含有量は、Ｌａ２Ｏ３換算で、０．４モル％であり、モル比Ｌａ／Ｃａは、０．０１３である。
　（例７～例１１）
　例６と同様の方法により、焼結体を作製した。ただし、例７～例１１では、前述の［調合工程］における各原料の配合比を例６の場合とは変化させて、混合粉末を調製した。その他の工程は、例６の場合と同様である。
　得られた焼結体を、それぞれ、「サンプル７」～「サンプル１１」と称する。
　（例１２）
　炭酸カルシウム粉末（３．７５ｇ）と、αアルミナ粉末（２．４３ｇ）と、酸化イットリウム（０．１９２ｇ）と、酸化ランタン粉末（０．２７７ｇ）とをそれぞれ秤量した。これらを、φ５ｍｍのジルコニアボールおよび１０ｃｃのイソプロパノールが入ったポットに投入し、遊星ボールミル法により３時間粉砕混合した。次に、混合粉末を１００℃で乾燥し、イソプロパノールを除去した。さらに、ふるいにより、混合粉末をジルコニアボールと分離した。
　［仮焼工程］
　得られた混合粉末をアルミナ坩堝に入れ、大気中、１３００℃で５時間仮焼した。得られた試料をメノー乳鉢で粉砕し、仮焼粉を作製した。
　［焼結工程］
　仮焼粉１ｇをφ１．５ｃｍの超硬金属ダイスに入れ、油圧プレス器で２０ｋＮの圧力を印加し、一軸成形を実施した。さらに、１９６ＭＰａで静水圧成形処理を行い、φ１．５ｃｍのペレットを作製した。ペレットを大気中、１３００℃で１２時間熱処理し、φ１．３ｃｍφ、厚さ２ｍｍの焼結体を得た。
　得られた焼結体を「サンプル１２」と称する。サンプル１２において、Ｙの含有量は、Ｙ２Ｏ３換算で、１．４モル％であり、Ｌａの含有量は、Ｌａ２Ｏ３換算で、１．４モル％である。また、（Ｙ＋Ｌａ）／Ｃａは、モル比Ｍで、０．０９１である。
　（例２１）
　例１と同様の方法により、焼結体を作製した。ただし、この例２１では、前述の［調合工程］において、炭酸カルシウム（４．３３ｇ）とαアルミナ（２．５７ｇ）のみを混合して、混合粉末を調製した。すなわち、金属Ｍ源を添加せずに混合粉末を調製した。その他の工程は、例１の場合と同様である。
　得られた焼結体を「サンプル２１」と称する。
　（例２２）
　例１と同様の方法により、焼結体を作製した。ただし、この例２２では、前述の［調合工程］における各原料の配合比を例１の場合とは変化させて、混合粉末を調製した。Ｙの含有量は、Ｙ２Ｏ３換算で、５．６モル％であり、モル比Ｙ／Ｃａは、０．２とした。
　また、前述の［焼結工程］における焼成温度は、１１５０℃とした。
　その他の工程は、例１の場合と同様である。
　得られた焼結体を、「サンプル２２」と称する。
　（例２３）
　例６と同様の方法により、焼結体を作製した。ただし、この例２３では、前述の［調合工程］における各原料の配合比を例６の場合とは変化させて、混合粉末を調製した。Ｌａの含有量は、Ｌａ２Ｏ３換算で、１．３モル％であり、モル比Ｌａ／Ｃａは、０．０４３とした。
　また、前述の［焼結工程］における焼成温度は、１２００℃とした。
　その他の工程は、例６の場合と同様である。
　得られた焼結体を、「サンプル２３」と称する。
　以下の表１には、各サンプルの原料および焼成条件などをまとめて示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 　（評価）
　各サンプルを用いて、以下の評価を評価した。
　（Ｘ線回折分析）
　各サンプルを用いて、Ｘ線回折分析を実施した。また、得られた結果から、リートベルト解析により、サンプルに含まれるマイエナイト型化合物の含有量を算出した。
　図６には、サンプル８において得られたＸ線回折パターンを示す。図６において、無印の各ピークは、マイエナイト型化合物の結晶相に対応する。また、くさび記号で示した各ピークは、異相であるＬａＣａＡｌ３Ｏ７の結晶相に対応する。
　このように、サンプル８は、マイエナイト型化合物を含むことが確認された。リートベルト解析の結果、サンプル８におけるマイエナイト型化合物の含有量は、８６．６質量％であった。
　以下の表２の「マイエナイト型化合物の含有量」の欄には、各サンプルにおいて得られたマイエナイト型化合物の含有量の評価結果を示す。なお、表２において、「○」は、マイエナイト型化合物の含有量が６０質量％以上であることを表し、「×」は、マイエナイト型化合物の含有量が６０質量％未満であることを表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
  
　この結果から、サンプル１～サンプル１２では、マイエナイト型化合物の含有量が６０質量％以上であることがわかった。一方、サンプル２２～サンプル２３では、マイエナイト型化合物の含有量は、６０質量％未満であることがわかった。
　（抵抗率測定）
　各サンプルを用いて、抵抗率の測定を実施した。抵抗率の測定には、インピーダンス法を使用した。
　まず、各サンプルの表面を、＃８０～＃１０００の紙やすりで研磨し、表面層を除去するとともに、平滑化した。
　次に、研磨表面に、白金ペーストを介して、φ６ｍｍ、厚さ１０μｍの白金電極を設置した。このサンプルを、大気雰囲気において、１０００℃で１５分間熱処理し、白金ペーストを固化させた。
　次に、サンプルを大気雰囲気の電気炉内に設置した。また、白金電極に結合された白金線を介して、サンプルをポテンショガルバノスタット（バイオロジック社ＳＰ―１５０）と接続した。
　次に、サンプルを８５０℃に加熱した後、１２０分間保持し、サンプルの温度を安定化させた。
　サンプルの温度が安定化した後、インピーダンス測定を実施し、Ｃｏｌｅ－Ｃｏｌｅプロットを作成した。測定周波数は、１ＭＨｚ～１００ｍＨｚとした。
　得られたＣｏｌｅ－Ｃｏｌｅプロットにおいて、横軸（実数軸）との交点から抵抗率を求めた。
　図７には、一例として、サンプル９において得られたＣｏｌｅ－Ｃｏｌｅプロットを示す。この例では、矢印の位置からサンプル９の抵抗率を求めた。
　前述の表２の「抵抗率」の欄には、各サンプルにおいて得られた結果をまとめて示す。表２において、各サンプルの抵抗率は、サンプル２１において得られた抵抗率の比で示した。
　この結果から、サンプル２２およびサンプル２３の抵抗率（相対比）は、それぞれ、０．８３および０．６５であり、金属Ｍを含まないマイエナイト型化合物であるサンプル２１と比べて、あまり抵抗率が低下していないことがわかった。
　一方、サンプル１～サンプル１２では、サンプル２１に比べて、抵抗率が大きく減少していることがわかった。
　このように、マイエナイト型化合物において、酸化物換算で、金属Ｍを０．１モル％～１０モル%添加したサンプルでは、抵抗率が有意に低下することがわかった。
　これらの結果から、マイエナイト型化合物に金属Ｍを添加して構成される固体電解質では、従来のマイエナイト型化合物に比べて、良好なイオン伝導性が発揮できると思われる。
　（例３１）
　例１と同様の方法により、焼結体を作製した。ただし、この例３１では、前述の［調合工程］において、原料として、炭酸カルシウム粉末、αアルミナ粉末、および酸化イットリウム粉末に加えて、二酸化チタン粉末を使用した。二酸化チタン粉末は、全体に対して、１０モル％となるように添加した。混合粉末におけるＴｉ／Ａｌ比は、０．１７である。
　その他の工程は、例１の場合と同様である。
　得られた焼結体を、「サンプル３１」と称する。サンプル３１において、Ｙ２Ｏ３換算で、Ｙの含有量は、２．６モル％であり、モル比Ｙ／Ｃａは、０．０９１である。
　（例３２）
　例６と同様の方法により、焼結体を作製した。ただし、この例３２では、前述の［調合工程］において、原料として、炭酸カルシウム粉末、αアルミナ粉末、および酸化ランタン粉末に加えて、二酸化チタン粉末を使用した。二酸化チタン粉末は、全体に対して、２．７モル％となるように添加した。混合粉末におけるＴｉ／Ａｌ比は、０．０３７である。
　その他の工程は、例６の場合と同様である。
　得られた焼結体を、「サンプル３２」と称する。サンプル３２において、Ｌａ２Ｏ３換算で、Ｌａの含有量は、２．７モル％であり、モル比Ｌａ／Ｃａは、０．０９１である。
　以下の表３には、サンプル３１およびサンプル３２の原料および焼成条件などをまとめて示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
  
　（評価）
　前述の方法により、サンプル３１およびサンプル３２の抵抗率を測定した。
　測定の結果、サンプル３１の抵抗率は、サンプル２１の抵抗率の０．０９６倍であった。また、サンプル３２の抵抗率は、サンプル２１の抵抗率の０．０８３倍であった。
　これらの結果から、サンプル３１およびサンプル３２では、抵抗率が大きく低減されていることがわかった。
　（本発明の態様）
　本発明は、以下の態様を含む。
　（態様１）
　酸化物イオン伝導性固体電解質であって、
　Ｃａ１２Ａｌ１４Ｏ３３で表される代表組成を有するマイエナイト型化合物を有し、
　ランタン（Ｌａ）およびイットリウム（Ｙ）から選ばれた少なとも１種の金属元素Ｍを有し、
　前記金属元素Ｍは、当該酸化物イオン伝導性固体電解質の全体に対して、酸化物換算で０．１モル％～１０モル％の範囲で含まれ、
　当該酸化物イオン伝導性固体電解質中の前記マイエナイト型化合物の含有量は、６０質量％よりも高い、酸化物イオン伝導性固体電解質。
　（態様２）
　前記金属元素Ｍは、前記マイエナイト型化合物中に含有されている、態様１に記載の酸化物イオン伝導性固体電解質。
　（態様３）
　前記金属元素Ｍは、前記マイエナイト型化合物におけるＣａ原子のサイトに配置されている、態様２に記載の酸化物イオン伝導性固体電解質。
　（態様４）
　Ｃａ原子に対する前記金属元素Ｍのモル比（Ｍ／Ｃａ）は、０．０１５≦Ｍ／Ｃａ≦０．１９を満たす、態様１乃至３のいずれか一つに記載の酸化物イオン伝導性固体電解質。
　（態様５）
　前記金属元素Ｍは、当該酸化物イオン伝導性固体電解質中に、酸化物換算で０．５モル％～５．３モル％の範囲で含有される、態様１乃至４のいずれか一つに記載の酸化物イオン伝導性固体電解質。
　（態様６）
　さらに、チタン（Ｔｉ）を、ＴｉＯ２換算で０．１モル％～３０モル％含む、態様１乃至５のいずれか一つに記載の酸化物イオン伝導性固体電解質。
　（態様７）
　前記Ｔｉは、前記マイエナイト型化合物におけるＡｌ原子のサイトに配置されている、態様６に記載の酸化物イオン伝導性固体電解質。
　（態様８）
　酸化物イオン伝導性固体電解質であって、
　Ｃａ１２Ａｌ１４Ｏ３３で表される代表組成を有するマイエナイト型化合物を有し、
　ランタン（Ｌａ）およびイットリウム（Ｙ）から選ばれた少なとも１種の金属元素Ｍを有し、
　前記金属元素Ｍは、当該酸化物イオン伝導性固体電解質の全体に対して、酸化物換算で０．１モル％～１０モル％の範囲で含まれ、
　さらに、チタン（Ｔｉ）を、ＴｉＯ２換算で０．１モル％～３０モル％含む、酸化物イオン伝導性固体電解質。
　（態様９）
　０．８４≦（Ｍ＋Ｃａ）／Ａｌ≦０．８８を満たす、態様１乃至８のいずれか一つに記載の酸化物イオン伝導性固体電解質。
　（態様１０）
　態様１乃至９のいずれか一つに記載の酸化物イオン伝導性固体電解質を備える燃料電池セル。
　（態様１１）
　態様１乃至９のいずれか一つに記載の酸化物イオン伝導性固体電解質を備える電解セル。
　本願は、２０２１年９月１日に出願した日本国特許出願第２０２１－１４２５４６号に基づく優先権を主張するものであり、同日本国出願の全内容を本願に参照により援用する。
　１００　　　ＳＯＦＣセル
　１１０　　　酸素極
　１２０　　　燃料極
　１３０　　　固体電解質層
　１４０　　　外部負荷
　２００　　　ＳＯＥＣセル
　２１０　　　酸素極
　２２０　　　燃料極
　２３０　　　固体電解質層
　２４０　　　外部電源

Claims (11)

  1. 　酸化物イオン伝導性固体電解質であって、
    　Ｃａ１２Ａｌ１４Ｏ３３で表される代表組成を有するマイエナイト型化合物を有し、
    　ランタン（Ｌａ）およびイットリウム（Ｙ）から選ばれた少なとも１種の金属元素Ｍを有し、
    　前記金属元素Ｍは、当該酸化物イオン伝導性固体電解質の全体に対して、酸化物換算で０．１モル％～１０モル％の範囲で含まれ、
    　当該酸化物イオン伝導性固体電解質中の前記マイエナイト型化合物の含有量は、６０質量％よりも高い、酸化物イオン伝導性固体電解質。
  2. 　前記金属元素Ｍは、前記マイエナイト型化合物中に含有されている、請求項１に記載の酸化物イオン伝導性固体電解質。
  3. 　前記金属元素Ｍは、前記マイエナイト型化合物におけるＣａ原子のサイトに配置されている、請求項２に記載の酸化物イオン伝導性固体電解質。
  4. 　Ｃａ原子に対する前記金属元素Ｍのモル比（Ｍ／Ｃａ）は、０．０１５≦Ｍ／Ｃａ≦０．１９を満たす、請求項１または２に記載の酸化物イオン伝導性固体電解質。
  5. 　前記金属元素Ｍは、当該酸化物イオン伝導性固体電解質中に、酸化物換算で０．５モル％～５．３モル％の範囲で含有される、請求項１または２に記載の酸化物イオン伝導性固体電解質。
  6. 　さらに、チタン（Ｔｉ）を、ＴｉＯ２換算で０．１モル％～３０モル％含む、請求項１または２に記載の酸化物イオン伝導性固体電解質。
  7. 　前記Ｔｉは、前記マイエナイト型化合物におけるＡｌ原子のサイトに配置されている、請求項６に記載の酸化物イオン伝導性固体電解質。
  8. 　酸化物イオン伝導性固体電解質であって、
    　Ｃａ１２Ａｌ１４Ｏ３３で表される代表組成を有するマイエナイト型化合物を有し、
    　ランタン（Ｌａ）およびイットリウム（Ｙ）から選ばれた少なとも１種の金属元素Ｍを有し、
    　前記金属元素Ｍは、当該酸化物イオン伝導性固体電解質の全体に対して、酸化物換算で０．１モル％～１０モル％の範囲で含まれ、
    　さらに、チタン（Ｔｉ）を、ＴｉＯ２換算で０．１モル％～３０モル％含む、酸化物イオン伝導性固体電解質。
  9. 　０．８４≦（Ｍ＋Ｃａ）／Ａｌ≦０．８８を満たす、請求項１または２に記載の酸化物イオン伝導性固体電解質。
  10. 　請求項１または２に記載の酸化物イオン伝導性固体電解質を備える燃料電池セル。
  11. 　請求項１または２に記載の酸化物イオン伝導性固体電解質を備える電解セル。
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