JP4889166B2

JP4889166B2 - 低温焼結性固体電解質材料、電解質電極接合体及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池

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Publication number: JP4889166B2
Application number: JP2001237586A
Authority: JP
Inventors: 健司鵜飼; 安伸水谷; 浩二久田; 正典平野
Original assignee: Toho Gas Co Ltd
Current assignee: Toho Gas Co Ltd
Priority date: 2001-08-06
Filing date: 2001-08-06
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2021-08-06
Also published as: JP2003051321A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温焼結性固体電解質材料に関し、更に詳しくは、固体酸化物形燃料電池、酸素センサなどの固体電解質として好適に用いられる低温焼結性固体電解質材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、固体電解質としては、安定化ジルコニアが知られている。この安定化ジルコニアは、単一成分からなるジルコニア（ＺｒＯ_２）が１１５０℃付近で単斜晶から正方晶へ結晶相が変化することに伴い体積変化を生じることから、この体積変化を防ぐ手段としてカルシウム（Ｃａ）、イットリウム（Ｙ）などの金属酸化物を安定化剤としてジルコニア中に固溶させ、結晶相の安定化を図ったものである。
【０００３】
この安定化ジルコニアにおいては、上記２価または３価の金属酸化物が固溶されることにより、ジルコニア中の４価のＺｒ^４＋の位置が、低原子価を示すＣａ^２＋、Ｙ^３＋などで置換され、その結果、結晶中の電気的中性条件を保つために酸素空孔が生成する。そのため、この酸素空孔を介して酸素イオン（Ｏ^２−）が安定化ジルコニア内を移動することができるようになる。
【０００４】
それゆえ、安定化ジルコニアは、このような酸素イオン導電性を利用して固体酸化物形燃料電池や酸素センサなどの固体電解質として用いられており、中でも固体酸化物形燃料電池（以下「ＳＯＦＣ」という。）は、エネルギー変換効率が高く、有害物質をほとんど出さないことから、クリーンかつ高効率な発電システムを構築することができるということで近年特に注目されているものである。
【０００５】
このＳＯＦＣの構造を分類すると、平板形、円筒形及び一体形の３種類のものが知られている。例えば、平板形ＳＯＦＣの構造について説明すると、自立膜式と支持膜式に大別される。自立膜式のＳＯＦＣは、平板状の固体電解質の両面に、燃料極及び空気極を接合して電解質電極接合体とし、更にその両側をセパレータで挟んでなる単セルを多数段積層した構造を有している。
【０００６】
これに対し、支持膜式のＳＯＦＣは、厚さの極めて薄い電解質薄膜を厚さの厚い燃料極で支持するとともに、電解質薄膜の他方の面に厚さの薄い空気極を接合して電解質電極接合体とし、更にその両側をセパレータで挟んでなる単セルを多数段積層した構造を有している。
【０００７】
一般に、ＳＯＦＣの固体電解質には、ジルコニア（ＺｒＯ_２）にイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）を固溶したイットリア安定化ジルコニア(以下「ＹＳＺ」という。)、ジルコニア（ＺｒＯ_２）にスカンジア（Ｓｃ_２Ｏ_３）を固溶したスカンジア安定化ジルコニア（以下「ＳｃＳＺ」という。）などの安定化ジルコニアが用いられ、また、燃料極材料には、Ｎｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺなどのサーメットが用いられ、空気極材料には、ＬａＳｒＭｎＯ_３、ＬａＣａＭｎＯ_３、ＬａＳｒＣｏＯ_３、ＬａＣａＣｏＯ_３などの複合酸化物が用いられている。
【０００８】
そしてこのような構成を備えた平板形ＳＯＦＣの燃料極及び空気極に、それぞれ水素、都市ガスなどの燃料及び空気を供給すると、空気極側の酸素分圧と燃料側の酸素分圧との間に差があることから、酸素は、空気極においてイオンとなり、固体電解質を通って燃料極に運ばれる。また、燃料極に達した酸素イオンは、燃料と反応して電子を放出する。したがって燃料極及び空気極に負荷を接続すれば、電池反応の自由エネルギーの変化を、直接、電気エネルギーとして取り出すことができる。
【０００９】
ところで、上述した自立膜式の平板形ＳＯＦＣの電解質電極接合体は、一般に次のように製造されている。先ず、ジルコニア粉末と安定化剤としてイットリアやスカンジアなどの金属酸化物粉末とを混合し、この混合粉末をプレス成形などにより平板状に成形する。この成形手段としては他にも、ジルコニア粉末と金属酸化物粉末とをスラリー状にし、ドクターブレード法などにより平板状に成形しても良い。その後、得られた成形体を約１５００〜１７００℃の温度範囲で焼成することにより緻密な焼結体である固体電解質が得られる。
【００１０】
次いで、スラリーコーティング法などによりこの固体電解質上に燃料極材料をコーティングし、約１２００〜１４００℃の温度範囲で焼成することにより固体電解質の片面に薄膜状の燃料極を形成する。その後、再び、スラリーコーティング法などにより空気極材料を燃料極とは反対側の面にコーティングし、約１０００〜１２００℃の温度範囲で焼成する。これにより平板状の固体電解質の両面に、燃料極及び空気極が接合された電解質電極接合体が得られる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来知られるこのような電解質電極接合体の製造方法では、固体電解質材料、燃料極材料及び空気極材料の焼結温度がそれぞれ異なるため、３段階に分けて焼結する必要があった。そのため、ＳＯＦＣの製造工程が複雑になり、製造コストも必然的に高くなるといった問題が生じていた。
【００１２】
ところで、ＳＯＦＣの製造コストを削減するためには、固体電解質材料、燃料極材料及び空気極材料を同時に焼成する、いわゆる共焼結法が有効であるとされている。なぜなら、生産時に必要なエネルギーが少なくて済み、大量生産にも適しているからである。
【００１３】
しかしながら、この共焼結法を用いて上記電解質電極接合体を製造しようとする場合、固体電解質材料は、電極材料と同じ低温度領域で緻密に焼結することが可能であり、しかも、得られる焼結体は十分な酸素イオン導電性、機械的強度を発現可能である必要がある。なぜなら、緻密な固体電解質を得るために高い製造温度（１４００℃以上）条件で共焼結を行った場合には、空気極材料と固体電解質材料との間で反応が生じ、空気極と固体電解質との界面に絶縁性の生成物が生成し、これによりＳＯＦＣの発電性能が大きく低下してしまうからである。
【００１４】
そのため、従来一般に用いられているＹ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２系、Ｓｃ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２系の固体電解質材料などに焼結助剤としてアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などを添加して焼結温度の低下を図ったり、固体電解質材料を細粒化して焼結性を高めたり、焼結性に影響を及ぼす不純物を極力少なくするなどして高純度化を図ったりするといったことが行われている。
【００１５】
しかしながら、例えば、Ｓｃ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２系の固体電解質材料にＡｌ_２Ｏ_３を添加した場合であっても、最適な焼結温度は１４００〜１５００℃であり、電極材料の焼結温度である１２００℃近辺といった低温度領域においては、十分に緻密な固体電解質を得ることができず、固体電解質の導電率や機械的強度の低下を招くといった問題が生じていた。
【００１６】
また、固体電解質材料を細粒化した場合には、一次粒径が細かすぎると固体電解質材料の成形時の充填率が上がらないなどといった問題があり、固体電解質材料の高純度化を図った場合には、極めてコストが高くなってしまうといった問題があった。
【００１７】
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、本発明が解決しようとする課題は、導電率や機械的強度の低下を招くことなく、９７０℃〜１４００℃の低温度領域での焼結性に優れた固体電解質材料を提供することにある。また、この低温焼結性固体電解質材料をＳＯＦＣの固体電解質に用いることによりＳＯＦＣの発電性能を低下させることなく、ＳＯＦＣ製造コストの低廉化を図ることにある。
【００１８】
【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、種々の材料特性について鋭意検討を重ねた結果、従来のＹ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２系の固体電解質材料よりも酸素イオン導電性に優れているＳｃ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２系の固体電解質材料の改良を図ったものである。
【００１９】
すなわち、本発明に係る低温焼結性固体電解質材料は、請求項１に記載のように、固体電解質の一方の面に燃料極が接合され、他方の面に空気極が接合される電解質電極接合体における低温焼結性固体電解質材料であって、スカンジア、ジルコニア、および酸化ビスマスの混合物からなり、ｘｍｏｌ％Ｓｃ_２Ｏ_３−ｙｍｏｌ％Ｂｉ_２Ｏ_３−（１００−ｘ−ｙ）ｍｏｌ％ＺｒＯ_２（但し、５≦ｘ≦１５、０．５≦ｙ≦３、ｘ＋ｙ≧８）の組成式よりなり、１４００℃以下の比較的低温度領域での焼結が可能なることを要旨とするものである。
【００２０】
上記低温焼結性固体電解質材料は、ＺｒＯ_２中にＳｃ_２Ｏ_３が５〜１５ｍｏｌ％の範囲で固溶されたＳｃ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２系の固体電解質材料中にＢｉ_２Ｏ_３が０．５〜３ｍｏｌ％の範囲で固溶されているので、９７０℃〜１４００℃という低温度領域であっても、導電率や機械的強度を損なうことなく十分緻密に焼結し、低温での焼結性に優れたものとなる。
【００２１】
また、上記低温度領域にて焼結して得られた固体電解質は、その結晶相が主に立方晶（Ｃ相）に安定化され、菱面体晶（Ｒ相）をほとんど含まないので、立方晶（Ｃ相）から菱面体晶（Ｒ相）への結晶相の相転移に伴う体積変化などによって固体電解質中に歪みなどを生じることがない。また、従来一般に用いられているＹＳＺと比較しても、導電率に優れ、機械的強度も遜色ないものとなる。
【００２２】
この際、Ｂｉ_２Ｏ_３の添加量が、０．５ｍｏｌ％より少ない場合には、９７０℃〜１４００℃の低温度領域において緻密に焼結せず、菱面体晶（Ｒ相）の生成を効果的に抑制することができなくなる傾向があるので好ましくない。また、３ｍｏｌ％より多い場合には、コストが高くなるので、好ましくなく。より好ましくは、上記組成式中０．７５≦ｙ≦２の範囲にあることが好ましい。
【００２３】
また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、請求項３に記載のように、固体電解質の一方の面に燃料極を接合し、他方の面に空気極を接合した電解質電極接合体を備えた固体酸化物形燃料電池において、前記固体電解質は、ｘｍｏｌ％Ｓｃ_２Ｏ_３−ｙｍｏｌ％Ｂｉ_２Ｏ_３−（１００−ｘ−ｙ）ｍｏｌ％ＺｒＯ_２（但し、５≦ｘ≦１５、０．５≦ｙ≦３、ｘ＋ｙ≧８）の組成式よりなる材料より構成されていることを要旨とするものである。
【００２４】
上記ＳＯＦＣによれば、固体電解質が上述した特徴を有する低温焼結性固体電解質材料より構成されているので、燃料極材料及び空気極材料の焼結温度領域で固体電解質材料を焼結することが可能となる。すなわち、電解質電極接合体の製造時に、固体電解質材料、燃料極材料及び空気極材料を同時に焼結する、いわゆる共焼結法による電解質電極接合体の製造が可能となる。
【００２５】
そのため、ＳＯＦＣの製造工程が簡素になり、また、生産時に必要なエネルギーが少なくて済むことから、ＳＯＦＣ製造コストを低減させることが可能となる。また、従来のＹＳＺ系固体電解質材料を用いたＳＯＦＣに比べ、ＳＯＦＣの発電性能も向上する。
【００２６】
【実施例】
以下に、本発明の好適な一実施例に係る低温焼結性固体電解質材料（以下「ＳｃＢｉＳＺ材料」という。）及びこれを用いたＳＯＦＣについて表及び図面を参照にして詳細に説明する。
【００２７】
初めに図１は、本実施例に係るＳｃＢｉＳＺ材料の製造プロセスを示したフローチャートである。この製造プロセスは、いわゆる液相製造プロセスである共沈法によるものである。
【００２８】
先ず、所定量のスカンジア（Ｓｃ_２Ｏ_３）と酸化ビスマス（Ｂｉ_２Ｏ_３）とを硝酸に溶解し、スカンジウムとビスマスの混合溶液とする。そしてこの混合溶液に、オキシ塩化ジルコニウム（ＺｒＯＣｌ_２）水溶液を加水分解して得られたジルコニアゾル（単斜晶ジルコニア）を混合し、ジルコニアゾルとスカンジウムとビスマスの混合溶液とする。
【００２９】
そしてこの混合溶液に沈澱剤として尿素を加え、８０〜１００℃の温度で加熱、撹拌することにより、Ｚｒの水和物とＳｃの水和物とＢｉの水和物とを含有する均一な混合水和物を沈殿物として生成させる。
【００３０】
そしてこの沈澱物を遠心分離などにより分離回収して、洗浄・乾燥し、５００〜８００℃の温度で約１時間仮焼した後、ビーズミルなどを用いて粉砕することにより、ジルコニア（ＺｒＯ_２）中にスカンジア（Ｓｃ_２Ｏ_３）と酸化ビスマス（Ｂｉ_２Ｏ_３）とが所定量固溶された粉末状のＳｃＢｉＳＺ材料が得られる。
【００３１】
上記においては、ＳｃＢｉＳＺ材料の製造プロセスとして共沈法の例を説明したが、これ以外にも従来から一般に行われているように、他の液相製造プロセスの例であるゾルゲル法を適用してＳｃＢｉＳＺ材料を調製しても良く、また、ジルコニアの粉末とスカンジアの粉末と酸化ビスマスの粉末とを所定比率で混合し、ボールミルなどにより機械的に混合してＳｃＢｉＳＺ材料を調製しても良く、特に限定されるものではない。
【００３２】
上記製造プロセスにおいては、得られるＳｃＢｉＳＺ材料の組成式が、ｘｍｏｌ％Ｓｃ_２Ｏ_３−ｙｍｏｌ％Ｂｉ_２Ｏ_３−（１００−ｘ−ｙ）ｍｏｌ％ＺｒＯ_２（５≦ｘ≦１５、０．５≦ｙ≦３、ｘ＋ｙ≧８）となるように調製されている。
【００３３】
次にこのようにして得られたＳｃＢｉＳＺ材料を用いてＳＯＦＣの電解質電極接合体を形成するに際しては、先ず、ＳｃＢｉＳＺ材料を静水圧プレス（ＣＩＰ）により加圧成形するか、あるいは、ドクターブレード法やカレンダーロール法などを用いることにより板状のＳｃＢｉＳＺ成形体を成形する。静水圧プレスによる場合、ＳｃＢｉＳＺ材料を板厚１００〜３００μｍ×およそ２０ｃｍ角の成形体に成形するのに、１ｔｏｎ／ｃｍ^２の押圧力を加えるのが好ましい。
【００３４】
そしてこのＳｃＢｉＳＺ成形体の一方の面に燃料極を形成し、他方の面に空気極を形成するに当たっては、これらの電極材料のセラミックス粉末をスラリー状にして、いわゆるスラリーコーティング法によりこのＳｃＢｉＳＺ成形体のそれぞれの面に塗布する。この場合、燃料極材料については、例えば、Ｎｉ４０重量％−ＳｃＢｉＳＺ６０重量％のＮｉ−ＳｃＢｉＳＺサーメットを５０μｍ程度の厚さでＳｃＢｉＳＺ成形体の一方の面に塗布する。また、空気極材料については、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ_３を５０μｍ程度の厚さでＳｃＢｉＳＺ成形体の他方の面に塗布する。
【００３５】
そしてこの燃料極材料と空気極材料とが塗布されたＳｃＢｉＳＺ成形体を所定温度、好ましくは１２００℃前後の温度で共焼結することにより、ＳｃＢｉＳＺ固体電解質板の一方の面に薄膜状の燃料極が形成され、他方の面に薄膜状の空気極が形成された電解質電極接合体が形成されることとなる。
【００３６】
尚、燃料極材料には、他にもＮｉ−ＳｃＳＺ、Ｎｉ−ＹＳＺなどのサーメットを用いても良く、特に限定されるものではないが、熱膨張率差を小さくすることができ、焼結温度をより低くすることができる観点から、Ｎｉと、本発明に係るＳｃＢｉＳＺ材料からなるＮｉ−ＳｃＢｉＳＺサーメットが特に好適である。また、空気極材料の配合比率としては、ランタン９０〜８０ｍｏｌ％に対し、ストロンチウム１０〜２０ｍｏｌ％程度とするのが適当である。
【００３７】
次にこのようにして作製されたＳｃＢｉＳＺ材料及びＳＯＦＣについて種々の実験を行ったのでこれらについて説明する。
【００３８】
初めに次の表１は、本発明の一実施例に係るＳｃＢｉＳＺ材料の導電率特性と曲げ強度のデータを各種固体電解質材料と比較して示したものである。表１中、「１０Ｓｃ１ＢｉＳＺ」は、１０ｍｏｌ％Ｓｃ_２Ｏ_３−１ｍｏｌ％Ｂｉ_２Ｏ_３−８９ｍｏｌ％ＺｒＯ_２の組成のものであり、「１１ＳｃＳＺ」は、１１ｍｏｌ％Ｓｃ_２Ｏ_３−８９ｍｏｌ％ＺｒＯ_２の組成のものであり、「１１ＳｃＳＺ１Ａ」は、（１１ｍｏｌ％Ｓｃ_２Ｏ_３−８９ｍｏｌ％ＺｒＯ_２）_０．９９（Ａｌ_２Ｏ_３）_０．０１の組成のものであり、「８ＹＳＺ」は、８ｍｏｌ％Ｙ_２Ｏ_３−９２ｍｏｌ％ＺｒＯ_２の組成のものである。
【００３９】
この場合に上記供試材料はいずれも、静水圧プレス（ＣＩＰ）により１ｔｏｎ／ｃｍ^２の押圧力を加えて成形したものを用いた。また、導電率については１０００℃と８００℃の２つの条件のものを示している。また、曲げ強度については、ＪＩＳＲ１６０１のセラミックスの曲げ試験方法によるものである。
【００４０】
【表１】

【００４１】
この表１から分かるように、従来より広く用いられている８ＹＳＺ材料に比べて１０Ｓｃ１ＢｉＳＺ材料、１１ＳｃＳＺ材料、１１ＳｃＳＺ１Ａ材料は、いずれも導電率特性と曲げ強度ともに優れた結果となっているが、１０Ｓｃ１ＢｉＳＺ材料、１１ＳｃＳＺ材料、１１ＳｃＳＺ１Ａ材料間において比較した場合、１１ＳｃＳＺ１Ａ材料は、１１ＳｃＳＺ材料に比べて曲げ強度特性が向上しているものの導電率特性は低下していることが分かる。
【００４２】
これに対して本発明に係る１０Ｓｃ１ＢｉＳＺ材料は、導電率特性が１０００℃と８００℃のいずれにおいても１１ＳｃＳＺ材料、１１ＳｃＳＺ１Ａ材料よりも優れており、曲げ強度については、１１ＳｃＳＺ材料、１１ＳｃＳＺ１Ａ材料より若干劣るものの、８ＹＳＺ材料より高い値を示している。
【００４３】
したがって、本発明に係る１０Ｓｃ１ＢｉＳＺ材料においては、導電率特性の低下はなく、むしろ、導電率特性が向上する傾向にあり、また、曲げ強度は、従来より一般に用いられている８ＹＳＺ材料と遜色ないという結果が得られ、ＳＯＦＣの固体電解質材料としての特性を十分に具備していることが確認された。
【００４４】
次に、本発明に係るＳｃＢｉＳＺ材料についてＸ線回折試験を行った結果について図２から図６を用いて説明する。尚、供試材料については、上述したＳｃＢｉＳＺ材料を所定量秤量し、静水圧プレス（ＣＩＰ）により１ｔ／ｃｍ^２の押圧力で成形を行い、次いで、得られた成形体を１０００、１１００℃、１２００℃、１３００℃、１４００℃の焼結温度で２時間焼成したものであり、Ｂｉ_２Ｏ_３固溶量としては、０ｍｏｌ％、０．１ｍｏｌ％、０．５ｍｏｌ％、１ｍｏｌ％のものをそれぞれ供試材料として用いた。尚、Ｘ線回折は、ＰＨＩＬＩＰＳ製ＰＷ１７９２型を用い、ＣｕＫα線で測定を行い、内部標準としてはＳｉ粉末を用いた。
【００４５】
図２は、１０Ｓｃ１ＢｉＳＺ材料の焼結温度の違いによるＸＲＤパターンを示したものである。図２によれば、１０Ｓｃ１ＢｉＳＺ材料は、その結晶相が１０００℃〜１４００℃の焼結温度にわたって立方晶（Ｃ相）で満たされており、菱面体晶（Ｒ相）は見られないことが分かる。また、焼結温度が１０００℃〜１１００℃の場合には単斜晶（Ｍ相）を若干含むものの、１２００℃〜１４００℃においては単斜晶（Ｍ相）は完全に消失し、結晶相はすべて立方晶（Ｃ相）単相で満たされていることが分かる。
【００４６】
一方、図３は、従来材料である１１ＳｃＳＺ材料の焼結温度の違いによるＸＲＤパターンを示したものであるが、この図３によれば、１１ＳｃＳＺ材料は、１１００℃、１４００℃の焼成温度において、その結晶相が菱面体晶（Ｒ相）で満たされていることが分かる。
【００４７】
次に、図４〜６は、それぞれ１０００℃、１１００℃、１２００℃の焼結温度で焼成したＳｃＢｉＳＺ材料のＢｉ_２Ｏ_３固溶量の違いによるＸＲＤパターンを示したものである。
【００４８】
図４及び図５によれば、Ｂｉ_２Ｏ_３が全く固溶されていない１０ＳｃＳＺ材料と、Ｂｉ_２Ｏ_３が０．１ｍｏｌ％固溶された１０Ｓｃ０．１ＢｉＳＺ材料については、１１００℃の焼結温度で結晶相がすでに菱面体晶（Ｒ相）に相転移してしまっており、菱面体晶（Ｒ相）の生成を抑制することができていないことが分かる。
【００４９】
一方、Ｂｉ_２Ｏ_３が０．５ｍｏｌ％固溶された１０Ｓｃ０．５ＢｉＳＺ材料については、１１００℃の焼結温度では回折線のベースライン近くにわずかに菱面体晶（Ｒ相）のピークが見られ、立方晶（Ｃ相）単相ではなく、立方晶（Ｃ相）と菱面体晶（Ｒ相）とが混在する混相になっていることが分かる。また、１２００℃の焼結温度では回折線のベースライン近くにわずかに立方晶（Ｃ相）のピークが見られ、菱面体晶（Ｒ相）単相ではなく、立方晶（Ｃ相）と菱面体晶（Ｒ相）とが混在する混相になっていることが分かる。
【００５０】
したがって、Ｂｉ_２Ｏ_３固溶量を０．５ｍｏｌ％とした１０Ｓｃ０．５ＢｉＳＺ材料の場合、焼結温度によって立方晶（Ｃ相）と菱面体晶（Ｒ相）の存在比率に差異があるものの、１０ＳｃＳＺ材料、１０Ｓｃ０．１ＢｉＳＺ材料と比較すると、菱面体晶（Ｒ相）の生成はかなり抑制されており、若干ではあるが相転移の抑制効果があると言える。
【００５１】
よってこれらの図から、Ｓｃ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２系にＢｉ_２Ｏ_３を添加することにより、１０００℃〜１４００℃という低温度領域において、立方晶（Ｃ相）から菱面体晶（Ｒ相）への結晶相の転移を抑制することができ、その添加量としては、結晶相の安定化を効果的なものとする観点から、少なくとも０．５ｍｏｌ％以上必要であるが、１ｍｏｌ％前後の添加量で十分に相転移を抑制することができることが分かる。
【００５２】
次に、本発明に係るＳｃＢｉＳＺ材料について嵩密度と見掛け気孔率の測定をを行ったのでその結果について説明する。図７は、１０Ｓｃ１ＢｉＳＺ材料における焼結温度と嵩密度との関係を１０ＳｃＳＺ材料との比較において示したものであり、図８は、１０Ｓｃ１ＢｉＳＺ材料における焼結温度と見掛け気孔率との関係を１０ＳｃＳＺとの比較において示したものである。
【００５３】
図７及び図８によれば、１０Ｓｃ１ＢｉＳＺ材料は９７０℃〜１０００℃付近の低い焼結温度であっても、十分緻密に焼結できていることが分かる。しかしながら、Ｂｉ_２Ｏ_３が全く固溶されていない１０ＳｃＳＺ材料においては、１０００〜１３００℃の焼結温度では十分に焼結できておらず、１０Ｓｃ１ＢｉＳＺ材料に比べて嵩密度が小さく、見掛け気孔率が大きいことが分かる。これより、本発明に係るＳｃＢｉＳＺ材料は、９７０℃〜１４００℃の低温度領域であっても十分緻密に焼結可能であり、低温での焼結性に非常に優れていると言える。
【００５４】
次に、本発明に係るＳｃＢｉＳＺ材料における導電率特性の温度依存性について試験を行った結果について説明する。試験方法としては、１０５０℃と１２００℃で焼結した１０Ｓｃ１ＢｉＳＺ材料を用い、交流インピーダンス法により導電率の測定を行った。測定温度としては、６００℃、７００℃、８００℃、９００℃、１０００℃の５点である。図９は、１０Ｓｃ１ＢｉＳＺ材料における温度と導電率との関係を示したものである。
【００５５】
図９によれば、１０５０℃で焼結した１０Ｓｃ１ＢｉＳＺ材料、１２００℃で焼結した１０Ｓｃ１ＢｉＳＺ材料とも温度が増加するにつれて導電率が連続的に増加していき、その増加率は、１２００℃で焼結した１０Ｓｃ１ＢｉＳＺ材料の方が、１０５０℃で焼成した１０Ｓｃ１ＢｉＳＺ材料よりも大きいことが分かる。これは、１０Ｓｃ１ＢｉＳＺ材料は、その結晶相が導電率の高い立方晶（Ｃ相）で安定化されており、導電率の低い菱面体晶（Ｒ相）が生じていないからであり、この結果からも従来より低い温度で焼結しても導電率に何ら悪影響を及ぼすことがないことが分かる。
【００５６】
次に、本発明に係るＳｃＢｉＳＺ材料を用いて共焼結法により作製した電解質電極接合体を備えたＳＯＦＣ単セルについて発電特性試験を行った結果について説明する。ここで、供試したＳｃＢｉＳＺ材料は、１０Ｓｃ１ＢｉＳＺ材料であり、電解質電極接合体は、１２００℃で共焼結を行ったものである。尚、発電試験条件は、電解質厚み：３００μｍ、有効電極面積：０．２ｃｍ^２、発電試験温度：１０００℃、燃料ガス：３％加湿水素、酸化剤：酸素とした。
【００５７】
図１０は、ＳＯＦＣ単セルの発電特性を示した図である。この結果によれば、１２００℃という従来に比べて低い温度領域において共焼結した電解質電極接合体を用いても、何ら発電性能に影響を及ぼすことなく、発電可能であることが分かる。すなわち、本発明に係るＳｃＢｉＳＺ材料を用いることにより、ＳＯＦＣの性能を低下させることなく、ＳＯＦＣ製造コストを低減させることができると言える。
【００５８】
本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能であることは勿論である。例えば、上記実施例では、ＳＯＦＣの構造として固体電解質が平板状の自立膜式の平板形ＳＯＦＣのものについて説明したが、勿論、支持膜式の平板形ＳＯＦＣ、或いは円筒形、一体形のＳＯＦＣにも適用できるものであり、特に限定されるものではない。
【００５９】
また、本発明に係る低温焼結性固体電解質材料の用途としてＳＯＦＣへの適用例を示したが、ＳＯＦＣ以外にも、酸素センサなどの酸素イオン導電性を利用した各種デバイスに適用すれば、デバイスの高性能化を図ることができるものである。
【００６０】
【発明の効果】
本発明に係る低温焼結性固体電解質材料によれば、ＺｒＯ_２中にＳｃ_２Ｏ_３が５〜１５ｍｏｌ％の範囲で固溶されたＳｃ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２系の固体電解質材料中にＢｉ_２Ｏ_３が０．５〜３ｍｏｌ％の範囲で固溶されているので、９７０℃〜１４００℃という低温度領域であっても、導電率や機械的強度を損なうことなく十分緻密に焼結し、低温での焼結性に優れたものとなる。
【００６１】
また、上記低温度領域にて焼結して得られた固体電解質は、その結晶相が主に立方晶（Ｃ相）に安定化され、菱面体晶（Ｒ相）をほとんど含まないので、立方晶（Ｃ相）から菱面体晶（Ｒ相）への結晶相の相転移に伴う体積変化などによって固体電解質中に歪みなどを生じることがない。また、従来一般に用いられているＹＳＺと比較しても、導電率に優れ、機械的強度も遜色ないものとなる。
【００６２】
また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池によれば、固体電解質が上述した特徴を有する低温焼結性固体電解質材料より構成されているので、燃料極材料及び空気極材料の焼結温度領域で固体電解質材料を焼結することが可能となる。すなわち、電解質電極接合体の製造時に、固体電解質材料、燃料極材料及び空気極材料を同時に焼結する、いわゆる共焼結法による電解質電極接合体の製造が可能となる。
【００６３】
そのため、ＳＯＦＣの製造工程が簡素になり、また、生産時に必要なエネルギーが少なくて済むことから、ＳＯＦＣ製造コストを低減させることが可能となる。また、従来のＹＳＺ系固体電解質材料を用いたＳＯＦＣに比べ、ＳＯＦＣの発電性能も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る１０Ｓｃ１ＢｉＳＺ材料の製造プロセスを示したフローチャートである。
【図２】本発明の一実施例に係る１０Ｓｃ１ＢｉＳＺ材料の焼結温度の違いによるＸＲＤパターンを示した図である。
【図３】従来材料である１１ＳｃＳＺ材料の焼結温度の違いによるＸＲＤパターンを示した図である。
【図４】１０００℃の焼結温度で焼成したＳｃＢｉＳＺ材料のＢｉ_２Ｏ_３固溶量の違いによるＸＲＤパターンを示した図である。
【図５】１１００℃の焼結温度で焼成したＳｃＢｉＳＺ材料のＢｉ_２Ｏ_３固溶量の違いによるＸＲＤパターンを示した図である。
【図６】１２００℃の焼結温度で焼成したＳｃＢｉＳＺ材料のＢｉ_２Ｏ_３固溶量の違いによるＸＲＤパターンを示した図である。
【図７】本発明の一実施例に係る１０Ｓｃ１ＢｉＳＺ材料における焼結温度と嵩密度との関係を従来材料である１０ＳｃＳＺとの比較において示した図である。
【図８】本発明の一実施例に係る１０Ｓｃ１ＢｉＳＺ材料における焼結温度と見掛け気孔率との関係を従来材料である１０ＳｃＳＺとの比較において示した図である。
【図９】本発明の一実施例に係る１０Ｓｃ１ＢｉＳＺ材料における導電率の温度依存性を示した図である
【図１０】本発明の一実施例に係るＳＯＦＣ単セルの発電特性を示した図である。

Claims

固体電解質の一方の面に燃料極が接合され、他方の面に空気極が接合される電解質電極接合体における低温焼結性固体電解質材料であって、スカンジア、ジルコニア、および酸化ビスマスの混合物からなり、ｘｍｏｌ％Ｓｃ_２Ｏ_３−ｙｍｏｌ％Ｂｉ_２Ｏ_３−（１００−ｘ−ｙ）ｍｏｌ％ＺｒＯ_２（但し、５≦ｘ≦１５、０．５≦ｙ≦３、ｘ＋ｙ≧８）の組成式よりなることを特徴とする１４００℃以下の比較的低温度領域での焼結が可能な低温焼結性固体電解質材料。
スカンジア、ジルコニア、および酸化ビスマスの混合物が、ｘｍｏｌ％Ｓｃ _２Ｏ _３ −ｙｍｏｌ％Ｂｉ _２Ｏ _３ −（１００−ｘ−ｙ）ｍｏｌ％ＺｒＯ _２（但し、５≦ｘ≦１５、０．５≦ｙ≦３、ｘ＋ｙ≧８）の組成式よりなる成形体の一方の面に燃料極が接合され、他方の面に空気極が接合され、これらの成形体と燃料極と空気極とが１４００℃以下の比較的低温度領域において一体的に焼成されていることを特徴とする電解質電極接合体。
前記請求項２に記載の電解質電極接合体を備えた固体酸化物形燃料電池。