イオン伝導性材料及びその製造方法
【課題】本発明の技術的課題は、加湿しなくても、２００〜５００℃の中温域で良好なイオン伝導性を有し、成形性や長期安定性に優れたイオン伝導性材料、特にプロトン伝導性材料を創案することである。
【解決手段】本発明のイオン伝導性材料は、組成として、モル％表示で、Ｐ2Ｏ5 １５〜８０％、ＳｉＯ2 ０〜７０％、Ｒ2Ｏ（Ｌｉ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、Ｒｂ2Ｏ、Ｃｓ2Ｏ、及びＡｇ2Ｏの合量） ５〜３５％を含有すると共に、Ｒ2Ｏ成分（Ｌｉ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、Ｒｂ2Ｏ、Ｃｓ2Ｏ、Ａｇ2Ｏ）の内、少なくとも２種以上を含むことを特徴とする。
【解決手段】本発明のイオン伝導性材料は、組成として、モル％表示で、Ｐ2Ｏ5 １５〜８０％、ＳｉＯ2 ０〜７０％、Ｒ2Ｏ（Ｌｉ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、Ｒｂ2Ｏ、Ｃｓ2Ｏ、及びＡｇ2Ｏの合量） ５〜３５％を含有すると共に、Ｒ2Ｏ成分（Ｌｉ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、Ｒｂ2Ｏ、Ｃｓ2Ｏ、Ａｇ2Ｏ）の内、少なくとも２種以上を含むことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン伝導性材料（イオン伝導体）及びその製造方法に関し、特にプロトン伝導性が良好なイオン伝導性材料及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、発電効率の理論値が高く、また廃熱も利用可能であるため、最新鋭の火力発電等と比較して、二酸化炭素を大幅に削減できると共に、十分な電気、熱の供給が可能である。また、家庭用、車載用等の小規模発電用途としては、パーフルオロアルキルスルホン酸系ポリマー（登録商標Ｎａｆｉｏｎ）等に代表される固体高分子燃料電池が注目されている。しかし、現在のところ、上記の固体高分子燃料電池は、動作温度が８０℃前後と低いため、発電効率（〜３３％程度）が低いという問題がある。
【０００３】
また、リン酸形燃料電池は、実用化に至っているが、動作温度が２００℃程度であり、また製造コストが高いという問題がある。更に、固体酸化物形燃料電池は、動作温度が１０００℃前後と非常に高いため、燃料電池の構成部材に安価なステンレス等を使用できないという問題がある。このような事情から、図１に示すＧＡＰ部分に対応する温度域、つまり２００〜５００℃の中温域で良好に動作可能な燃料電池が求められている。なお、５００℃程度まで燃料電池の動作温度を上昇できれば、５０％を超える総合効率の達成も可能であると言われている
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−０９７２７２号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｔ．Ｎｏｒｂｙ、Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｉｏｎｉｃｓ、１２５、１、１９９０
【非特許文献２】阿部良弘、ＮＥＷ ＧＬＡＳＳ、Ｖｏｌ．１２、Ｎｏ．３、１９９７、ｐ２８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
５００℃程度まで動作温度を上昇させるには、当該温度域で高いプロトン伝導性又は酸素イオン伝導性を示す電解質の開発が不可欠になる。しかし、２００〜５００℃の中温域において、実用的な電気伝導度を有するイオン伝導性材料は未だに報告されていないのが実情である（非特許文献１参照）。
【０００７】
このような状況の下、現在、中温域で動作するイオン伝導性材料、特にプロトン伝導性材料の候補として、リン酸塩ガラスが検討されている（特許文献１、非特許文献２参照）。
【０００８】
しかし、特許文献１、非特許文献２に記載のリン酸塩ガラスは、ゾル−ゲル法で作製されているため、使用時に加湿が必要であり、また耐熱性が低く、更には成形性（特に、フィルム形状への成形性）や化学的耐久性にも課題を有している。
【０００９】
そこで、本発明は、加湿しなくても、２００〜５００℃の中温域で良好なイオン伝導性を有し、成形性や長期安定性に優れたイオン伝導性材料、特にプロトン伝導性材料を創案することを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者等は、鋭意研究した結果、Ｐ2Ｏ5、ＳｉＯ2、アルカリ金属酸化物の含有量を所定範囲に規制すると共に、Ｌｉ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、Ｒｂ2Ｏ、Ｃｓ2Ｏ、Ａｇ2Ｏのいずれかを２種以上添加し、これをイオン伝導性材料に用いることにより、上記技術的課題を解決できることを見出し、本発明として、提案するものである。すなわち、本発明のイオン伝導性材料は、組成として、モル％表示で、Ｐ2Ｏ5 １５〜８０％、ＳｉＯ2 ０〜７０％、Ｒ2Ｏ（Ｌｉ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、Ｒｂ2Ｏ、Ｃｓ2Ｏ、及びＡｇ2Ｏの合量） ５〜３５％を含有すると共に、Ｒ2Ｏ成分（Ｌｉ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、Ｒｂ2Ｏ、Ｃｓ2Ｏ、Ａｇ2Ｏ）の内、少なくとも２種以上を含むことを特徴とする。なお、「Ｒ2Ｏ成分の内、少なくとも２種以上を含む」とは、０．１モル％以上のＲ2Ｏ成分が組成中に２種以上存在する状態を指す。
【００１１】
本発明のイオン伝導性材料は、Ｐ2Ｏ5を１５〜８０％、ＳｉＯ2を０〜７０％、Ｒ2Ｏを５〜３５％を含有する。このようにすれば、加湿しなくても、２００〜５００℃の中温域で良好なイオン伝導性を示すと共に、長期安定性も向上する。また、このようにすれば、溶融性が良好になるため、溶融法でイオン伝導性材料を作製し易くなり、結果として、成形性、均質性、緻密性を高めることができる。なお、フィルム形状であり、且つ均質性や緻密性が良好であれば、直接メタノール形燃料電池において、クロスオーバーを抑制し易くなる。
【００１２】
更に、本発明のイオン伝導性材料は、Ｒ2Ｏ成分の内、少なくとも２種以上を含む。このようにすれば、混合アルカリ効果により、アルカリイオンのイオン伝導が抑制されるため、プロトン伝導の割合が増加し、結果として、燃料電池の電解質に適用し易くなる。
【００１３】
第二に、本発明のイオン伝導性材料は、組成として、モル％表示で、Ｐ2Ｏ5 １５〜６０％、ＳｉＯ2 １０〜７０％、Ｒ2Ｏ ５〜３５％を含有すると共に、Ｒ2Ｏ成分の内、少なくとも２種以上を含むことが好ましい。
【００１４】
第三に、本発明のイオン伝導性材料は、モル比（Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏ）／Ｒ2Ｏが０．２〜１．０であることが好ましい。このようにすれば、プロトン伝導性を高め易くなる。なお、「Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏ」は、Ｎａ2ＯとＫ2Ｏの合量である。
【００１５】
第四に、本発明のイオン伝導性材料は、モル比Ｎａ2Ｏ／Ｒ2Ｏが０．２〜０．８であることが好ましい。このようにすれば、プロトン伝導性を高め易くなる。
【００１６】
第五に、本発明のイオン伝導性材料は、モル比Ｋ2Ｏ／Ｒ2Ｏが０．２〜０．８であることが好ましい。このようにすれば、プロトン伝導性を高め易くなる。
【００１７】
第六に、本発明のイオン伝導性材料は、更に、組成として、Ａｌ2Ｏ3を０．１モル％以上含むことが好ましい。このようにすれば、潮解性が低下するため、長期安定性を高め易くなる。
【００１８】
第七に、本発明のイオン伝導性材料は、５００℃におけるイオン伝導率ｌｏｇ10σ（Ｓ／ｃｍ）が−５．５以上であり、且つ５００℃におけるプロトンの輸率が０．７以上であることが好ましい。ここで、「５００℃におけるイオン伝導率」は、例えば、試料（寸法：１．５ｃｍ×１．０ｃｍ×厚み１．０ｍｍ、光学研磨済み）の表面にＡｇペーストによりＡｇ電極を形成した後、交流インピーダンス法で測定することができる。また、「５００℃におけるプロトンの輸率」は、例えば、試料（寸法：１．５ｃｍ×１．０ｃｍ×厚み１．０ｍｍ、光学研磨済み）の表面にＰｔをスパッタし、Ｐｔ電極を形成した上で、試料の片面を参照側として水素１体積％の雰囲気にした状態で、他方の面の水素分圧を変えた時の起電力を測定し、次にＮｅｒｎｓｔの式に基づく傾きより算出することができる。
【００１９】
第八に、本発明のイオン伝導性材料は、結晶化度が５０％以下の非晶質であることが好ましい。ここで、「結晶化度」は、例えば、Ｘ線回折装置（リガク製）を用い、回折角２θが１０〜６０°の範囲において測定した散乱強度面積と結晶ピーク面積を多重ピーク分離法を用いて算出し、散乱強度面積に対する結晶ピーク面積の比率（％）として求められる。
【００２０】
第九に、本発明のイオン伝導性材料は、電気化学デバイスに用いることが好ましい。
【００２１】
第十に、本発明のイオン伝導性材料は、燃料電池に用いることが好ましい。
【００２２】
第十一に、本発明のイオン伝導性材料の製造方法は、上記のイオン伝導性材料の製造方法であって、原料を溶融した後、得られた溶融ガラスを成形する工程を有することを特徴とする。このようにすれば、成形性を高めることができる。
【００２３】
第十二に、本発明の電気化学デバイスは、上記のイオン伝導性材料を含むことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】種々の燃料電池の動作温度とイオン伝導率の関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明のイオン伝導性材料において、上記のように組成を限定した理由を以下に示す。なお、組成に関する説明において、％表示はモル％を指す。
【００２６】
Ｐ2Ｏ5は、イオン伝導率を高める成分である。Ｐ2Ｏ5の含有量は１５〜８０％、好ましくは２０〜７０％、より好ましくは２５〜６５％、更に好ましくは２５〜６０％、特に好ましくは２５〜５０％、最も好ましくは２５〜４５％である。Ｐ2Ｏ5の含有量が少なくなると、イオン伝導率が低下し易くなる。一方、Ｐ2Ｏ5の含有量が多くなると、潮解し易くなるため、長期安定性が低下し易くなる。
【００２７】
ＳｉＯ2は、ネットワークフォーマーであり、また化学的耐久性を高める成分である。ＳｉＯ2の含有量は０〜７０％、好ましくは０．１〜６０％、より好ましくは１〜５０％、更に好ましくは５〜４９％、特に好ましくは１０〜４０％である。ＳｉＯ2の含有量が少なくなると、化学的耐久性が低下し易くなる。一方、ＳｉＯ2の含有量が多くなると、イオン伝導率が低下し易くなり、また溶融、成形時に失透し易く、更に粘度が不当に上昇して、溶融、成形が困難になる。更に、粘度が急激に変化する温度域が発生し易くなり、成形性が低下し易くなる。
【００２８】
Ｒ2Ｏは、イオン伝導率を高める成分であると共に、粘度を低下させて、溶融性を高める成分である。Ｒ2Ｏの含有量は５〜３５％、好ましくは８〜３０％、より好ましくは１０〜２５％である。Ｒ2Ｏの含有量が少なくなると、イオン伝導率が低下し易くなり、また粘度が不当に上昇して、溶融、成形が困難になる。一方、Ｒ2Ｏの含有量が多くなると、化学的耐久性が低下し易くなる。また粘度が急激に変化する温度域が発生し易くなり、成形性が低下し易くなる。
【００２９】
Ｒ2Ｏ成分を２種以上含み、特に３種以上含むことが好ましい。Ｒ2Ｏ成分が１種のみであると、混合アルカリ効果を享受できないため、アルカリイオンのイオン伝導を抑制し難くなり、結果として、プロトン伝導の割合（プロトンの輸率）が低下し易くなる。
【００３０】
Ｌｉ2Ｏは、イオン伝導率を高める成分であると共に、粘度を低下させて、溶融性を高める成分である。Ｌｉ2Ｏの含有量は０〜２０％、０〜１５％、特に０〜１０％が好ましい。Ｌｉ2Ｏの含有量が多くなると、化学的耐久性が低下し易くなる。
【００３１】
Ｎａ2Ｏは、イオン伝導率を高める成分であると共に、粘度を低下させて、溶融性を高める成分である。Ｎａ2Ｏの含有量は０〜２５％、１〜２０％、特に３〜１５％が好ましい。Ｎａ2Ｏの含有量が多くなると、化学的耐久性が低下し易くなる。なお、Ｎａ2Ｏの含有量が少なくなると、イオン伝導率が低下し易くなり、また粘度が不当に上昇して、溶融、成形が困難になる。更に、粘度が急激に変化する温度域が発生し易くなり、成形性が低下し易くなる。
【００３２】
Ｋ2Ｏは、イオン伝導率を高める成分であると共に、粘度を低下させて、溶融性を高める成分である。Ｋ2Ｏの含有量は０〜２５％、１〜２０％、特に３〜１５％が好ましい。Ｋ2Ｏの含有量が多くなると、化学的耐久性が低下し易くなる。なお、Ｋ2Ｏの含有量が少なくなると、イオン伝導率が低下し易くなり、また粘度が不当に上昇して、溶融、成形が困難になる。更に、粘度が急激に変化する温度域が発生し易くなり、成形性が低下し易くなる。
【００３３】
Ａｇ2Ｏは、イオン伝導率を高める成分であると共に、粘度を低下させて、溶融性を高める成分である。Ａｇ2Ｏの含有量は０〜２０％、０〜１５％、０〜１０％、特に実質的に含有しない、つまり０．１％以下が好ましい。Ａｇ2Ｏの含有量が多くなると、原料コストが高騰し易くなる。
【００３４】
モル比（Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏ）／Ｒ2Ｏは０．２〜１．０、０．２５〜１．０、特に０．３〜１．０が好ましい。このようにすれば、プロトン伝導性を高め易くなると共に、安価な原料を用いて、混合アルカリ効果を享受することができる。なお、「Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏ」は、Ｎａ2ＯとＫ2Ｏの合量を指している。
【００３５】
モル比Ｎａ2Ｏ／Ｒ2Ｏは０．２〜０．８、０．２５〜０．７、特に０．３〜０．６５が好ましい。モル比Ｎａ2Ｏ／Ｒ2Ｏが上記範囲外になると、混合アルカリ効果を享受し難くなるため、アルカリイオンのイオン伝導を抑制し難くなり、結果として、プロトン伝導の割合が低下し易くなる。また、モル比Ｋ2Ｏ／Ｒ2Ｏは０．２〜０．８、０．２５〜０．７、特に０．３〜０．６５が好ましい。モル比Ｋ2Ｏ／Ｒ2Ｏが上記範囲外になると、混合アルカリ効果を享受し難くなるため、アルカリイオンのイオン伝導を抑制し難くなり、結果として、プロトン伝導の割合が低下し易くなる。なお、モル比Ｌｉ2Ｏ／Ｒ2Ｏは、同様の理由により、０．８以下、０．６以下、特に０．５以下が好ましい。
【００３６】
Ａｌ2Ｏ3は、潮解性を抑制して、長期安定性を高める成分である。Ａｌ2Ｏ3の含有量は０〜２０％、０．１〜１６％、１〜１２％、特に２〜１０％が好ましい。Ａｌ2Ｏ3の含有量が多くなると、イオン伝導率が低下し易くなり、また溶融、成形時に失透し易く、更に粘度が不当に上昇して、溶融、成形が困難になる。更に、粘度が急激に変化する温度域が発生し易くなり、成形性が低下し易くなる。
【００３７】
上記成分以外にも、粘度の調整、化学的耐久性の向上、清澄効果の向上を目的として、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＺｒＯ2、ＴｉＯ2、Ｌａ2Ｏ3、ＺｎＯ、Ｓｂ2Ｏ3、Ｆｅ2Ｏ3、ＳｎＯ2、ＣｅＯ2、ＳＯ3、Ｃｌ、Ａｓ2Ｏ3、ＣｕＯ、Ｇｄ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ3、Ｎｂ2Ｏ5、Ｎｄ2Ｏ3、Ｔｂ2Ｏ3、ＷＯ3、Ｖ2Ｏ5、ＭｏＯ3、Ｂｉ2Ｏ3、ＣｏＯ、Ｃｒ2Ｏ3、ＭｎＯ2、ＮｉＯ、Ｂ2Ｏ3等を添加することができ、各成分の含有量はそれぞれ０〜５％が好ましい。但し、ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ（ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、及びＢａＯの合量）の含有量は、イオン伝導率の低下を招くので、２％以下が好ましく、実質的に含有しないこと、つまり０．１％以下が望ましい。また、Ａｓ2Ｏ3、ＣｕＯ、Ｇｄ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ3、Ｎｂ2Ｏ5、Ｎｄ2Ｏ3、Ｔｂ2Ｏ3、ＷＯ3、Ｖ2Ｏ5、ＭｏＯ3、Ｂｉ2Ｏ3、ＣｏＯ、Ｃｒ2Ｏ3、ＭｎＯ2、ＮｉＯの含有量は、原料コストの高騰を招くので、各々１％以下が好ましく、実質的に含有しないこと、つまり０．１％以下が望ましい。Ｂ2Ｏ3も原料コストの高騰を招くので、２％以下が好ましく、実質的に含有しないこと、つまり０．１％以下が望ましい。
【００３８】
本発明のイオン伝導性材料において、５００℃におけるイオン伝導率ｌｏｇ10σ（Ｓ／ｃｍ）は−５．５以上、−５．０以上、特に−４．８以上が好ましい。このようにすれば、２００〜５００℃の中温域における燃料電池として、好適となる。
【００３９】
本発明のイオン伝導性材料において、５００℃におけるプロトンの輸率は０．７以上、０．８以上、特に０．９以上が好ましい。このようにすれば、プロトン伝導の割合が増加するため、燃料電池に適用し易くなる。
【００４０】
本発明のイオン伝導性材料は、結晶化度が５０％以下の非晶質であることが好ましい。このようにすれば、均質性や緻密性を高め易くなる。更に、本発明のイオン伝導性材料は、分相していることが好ましく、スピノーダル分相していることがより好ましい。このようにすれば、イオン伝導パスとして、分相により得られる高極性相を利用し易くなるため、局所的に伝導キャリアの濃度を高めることができ、イオン伝導性を高め易くなる。
【００４１】
本発明のイオン伝導性材料において、厚みは５００μｍ以下、２００μｍ以下、１００μｍ以下、特に５０μｍ以下が好ましい。厚みが小さい程、抵抗値が低下して、燃料電池の性能を高め易くなる。なお、厚みの下限は特に設定されないが、ハンドリング性を考慮すると、１μｍ以上、特に５μｍ以上が好ましい。
【００４２】
本発明のイオン伝導性材料を作製する方法を説明する。まず上記の組成範囲となるように原料を調合する。次に、連続溶融炉内に調合した原料を投入した後、加熱溶融する。続いて、得られた溶融ガラスを成形装置に供給して、平板形状又はフィルム形状に成形した後、徐冷する。このようにして、イオン伝導性材料を作製することができる。なお、本発明のイオン伝導性材料は、ゾル−ゲル法で作製される態様を完全に排除するものではないが、上記の通り、このような態様は種々の観点から不利である。
【００４３】
本発明のイオン伝導性材料の製造方法において、溶融温度は８００℃以上、１０００℃以上、１２００℃以上、特に１４００℃以上が好ましい。このようにすれば、溶融時間を短縮し易くなり、またイオン伝導性材料を均質化し易くなる。
【００４４】
徐冷速度を変更することにより、分相していないガラス、分相したガラス、或いは結晶とガラスが混在した結晶化ガラスのいずれかを選択的に得ることができる。なお、分相化、結晶化は、徐冷後に再加熱することでも行うことができる。また、実生産を考慮すれば、実質的に分相していないガラスが好ましく、熱処理による分相化工程を有しないことが好ましい。
【実施例１】
【００４５】
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。なお、以下の実施例は単なる例示である。本発明は、以下の実施例に何ら限定されない。
【００４６】
表１〜４は、本発明の実施例（試料Ｎｏ．１〜３２）及び比較例（試料Ｎｏ．３３〜３７）を示している。
【００４７】
【表１】
【００４８】
【表２】
【００４９】
【表３】
【００５０】
【表４】
【００５１】
次のようにして、表中の各試料を作製した。まず表中の組成となるように、原料を調合した後、アルミナ坩堝に投入して、１４００〜１６００℃で２時間溶融した。次に、得られた溶融ガラスをカーボン板の上に流し出して、成形した後、６００℃に保持した電気炉内で徐冷した。続いて、１．５ｃｍ×１ｃｍ×厚み１．５ｍｍの平板形状に加工した後、研磨紙を用いて、＃１００、＃４００、＃２０００の順序で試料の表面を研磨して、各試料を得た。各試料につき、イオン伝導率、プロトンの輸率、潮解性、耐水性、ガラス化、成形性を評価した。その結果を表中に示す。なお、Ｘ線回折装置により、各試料は結晶化度が５０％以下の非晶質（ガラス）であることが確認された。
【００５２】
イオン伝導率ｌｏｇ10σ（Ｓ／ｃｍ）は、Ａｇペーストにより試料の表面にＡｇ電極を形成した後、表中の各温度において、交流インピーダンス法で測定した値である。
【００５３】
以下のようにして、５００℃におけるプロトンの輸率を評価した。まず試料の表面にＰｔをスパッタし、Ｐｔ電極を形成した。次に、試料の片面を参照側として水素１体積％の雰囲気にした上で、他方の面の水素分圧を変えた時の起電力を測定した。続いて、Ｎｅｒｎｓｔの式に基づく傾きよりプロトンの輸率を算出した。
【００５４】
純水中に試料を浸漬し、室温で２４時間静置し、洗浄、乾燥した後、試料の質量変化を測定することにより、潮解性の指標とした。表中には、浸漬前の試料の質量に対する質量減少の割合（％）を記載した。
【００５５】
密閉容器に入れた純水中に試料を浸漬し、６０℃で２４時間静置し、洗浄、乾燥した後、試料の質量変化を測定することにより、耐水性の指標とした。表中には、浸漬前の試料の質量に対する質量減少量を試料の表面積で除した値（ｍｇ／ｃｍ2）を記載した。
【００５６】
段落［００５２］で作製した溶融ガラスを流し出して、ガラス化の有無を確認した。ガラス化が確認されたものを「○」、ガラス化が確認されなかったものを「×」として、評価した。
【００５７】
段落［００５２］で作製した溶融ガラスを成形した後に、１ｃｍ×１ｃｍ×５ｍｍの寸法に加工した。次に、この試料をバーナーで再溶融し、手引きによりファイバー状試料を作製した。ファイバー状試料の作製に際し、非常に厳密な温度コントロールが必要であったものを「△△」、厳密な温度コントロールが必要であったものを「△」、厳密な温度コントロールは不要であったが、ファイバー径にバラツキが認められたものを「○」、厳密な温度コントロールは不要であり、ファイバー径が均一であったものを「◎」として、評価した。
【００５８】
表１〜４から明らかなように、試料Ｎｏ．１〜３は、プロトンの輸率が非常に高く、またプロトン伝導材料（プロトン伝導体）としてはイオン伝導率が高く、しかも潮解性の評価が良好である。また、試料Ｎｏ．４〜３２は、プロトンの輸率が非常に高く、またプロトン伝導材料（プロトン伝導体）としてはイオン伝導率が高く、しかも潮解性の評価が良好であると予想される。一方、試料Ｎｏ．３３、３５、３６は、イオン伝導率が高いが、Ｎａ+イオンのイオン伝導の割合が大きいため、プロトンの輸率が低かった。また、試料Ｎｏ．３３は、組成中にＡｌ2Ｏ3を含んでいないため、潮解性の評価が不良であった。なお、試料Ｎｏ．３３は、プロトンの輸率が低いものと推定される。
【００５９】
試料Ｎｏ．３７は、ガラス化しなかったが、試料Ｎｏ．１〜３２は、ガラス化していた。また、試料Ｎｏ．４〜３２は、成形性が良好であった。
【実施例２】
【００６０】
表中の試料Ｎｏ．１、Ｎｏ．７、Ｎｏ．１５について、電極：スパッタしたＰｔ、アノード側：純水素、カソード側：純酸素、測定温度：５００℃の条件で発電試験を行なったところ、１．１Ｖの電圧、０．２、０．０３、０．３ｍＷ／ｃｍ2の出力値が得られた。よって、試料Ｎｏ．１、Ｎｏ．７、Ｎｏ．１５は、燃料電池の電解質として応用可能であると考えられる。また、試料Ｎｏ．２〜３２も燃料電池の電解質として応用可能であると推定される。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明のイオン伝導性材料は、電気化学デバイスに応用可能であり、例えば燃料電池の電解質、キャパシタの電解質、ガスセンサのセンシング部材、湿度制御装置の湿度検出部材として好適である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン伝導性材料（イオン伝導体）及びその製造方法に関し、特にプロトン伝導性が良好なイオン伝導性材料及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、発電効率の理論値が高く、また廃熱も利用可能であるため、最新鋭の火力発電等と比較して、二酸化炭素を大幅に削減できると共に、十分な電気、熱の供給が可能である。また、家庭用、車載用等の小規模発電用途としては、パーフルオロアルキルスルホン酸系ポリマー（登録商標Ｎａｆｉｏｎ）等に代表される固体高分子燃料電池が注目されている。しかし、現在のところ、上記の固体高分子燃料電池は、動作温度が８０℃前後と低いため、発電効率（〜３３％程度）が低いという問題がある。
【０００３】
また、リン酸形燃料電池は、実用化に至っているが、動作温度が２００℃程度であり、また製造コストが高いという問題がある。更に、固体酸化物形燃料電池は、動作温度が１０００℃前後と非常に高いため、燃料電池の構成部材に安価なステンレス等を使用できないという問題がある。このような事情から、図１に示すＧＡＰ部分に対応する温度域、つまり２００〜５００℃の中温域で良好に動作可能な燃料電池が求められている。なお、５００℃程度まで燃料電池の動作温度を上昇できれば、５０％を超える総合効率の達成も可能であると言われている
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−０９７２７２号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｔ．Ｎｏｒｂｙ、Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｉｏｎｉｃｓ、１２５、１、１９９０
【非特許文献２】阿部良弘、ＮＥＷ ＧＬＡＳＳ、Ｖｏｌ．１２、Ｎｏ．３、１９９７、ｐ２８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
５００℃程度まで動作温度を上昇させるには、当該温度域で高いプロトン伝導性又は酸素イオン伝導性を示す電解質の開発が不可欠になる。しかし、２００〜５００℃の中温域において、実用的な電気伝導度を有するイオン伝導性材料は未だに報告されていないのが実情である（非特許文献１参照）。
【０００７】
このような状況の下、現在、中温域で動作するイオン伝導性材料、特にプロトン伝導性材料の候補として、リン酸塩ガラスが検討されている（特許文献１、非特許文献２参照）。
【０００８】
しかし、特許文献１、非特許文献２に記載のリン酸塩ガラスは、ゾル−ゲル法で作製されているため、使用時に加湿が必要であり、また耐熱性が低く、更には成形性（特に、フィルム形状への成形性）や化学的耐久性にも課題を有している。
【０００９】
そこで、本発明は、加湿しなくても、２００〜５００℃の中温域で良好なイオン伝導性を有し、成形性や長期安定性に優れたイオン伝導性材料、特にプロトン伝導性材料を創案することを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者等は、鋭意研究した結果、Ｐ2Ｏ5、ＳｉＯ2、アルカリ金属酸化物の含有量を所定範囲に規制すると共に、Ｌｉ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、Ｒｂ2Ｏ、Ｃｓ2Ｏ、Ａｇ2Ｏのいずれかを２種以上添加し、これをイオン伝導性材料に用いることにより、上記技術的課題を解決できることを見出し、本発明として、提案するものである。すなわち、本発明のイオン伝導性材料は、組成として、モル％表示で、Ｐ2Ｏ5 １５〜８０％、ＳｉＯ2 ０〜７０％、Ｒ2Ｏ（Ｌｉ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、Ｒｂ2Ｏ、Ｃｓ2Ｏ、及びＡｇ2Ｏの合量） ５〜３５％を含有すると共に、Ｒ2Ｏ成分（Ｌｉ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、Ｒｂ2Ｏ、Ｃｓ2Ｏ、Ａｇ2Ｏ）の内、少なくとも２種以上を含むことを特徴とする。なお、「Ｒ2Ｏ成分の内、少なくとも２種以上を含む」とは、０．１モル％以上のＲ2Ｏ成分が組成中に２種以上存在する状態を指す。
【００１１】
本発明のイオン伝導性材料は、Ｐ2Ｏ5を１５〜８０％、ＳｉＯ2を０〜７０％、Ｒ2Ｏを５〜３５％を含有する。このようにすれば、加湿しなくても、２００〜５００℃の中温域で良好なイオン伝導性を示すと共に、長期安定性も向上する。また、このようにすれば、溶融性が良好になるため、溶融法でイオン伝導性材料を作製し易くなり、結果として、成形性、均質性、緻密性を高めることができる。なお、フィルム形状であり、且つ均質性や緻密性が良好であれば、直接メタノール形燃料電池において、クロスオーバーを抑制し易くなる。
【００１２】
更に、本発明のイオン伝導性材料は、Ｒ2Ｏ成分の内、少なくとも２種以上を含む。このようにすれば、混合アルカリ効果により、アルカリイオンのイオン伝導が抑制されるため、プロトン伝導の割合が増加し、結果として、燃料電池の電解質に適用し易くなる。
【００１３】
第二に、本発明のイオン伝導性材料は、組成として、モル％表示で、Ｐ2Ｏ5 １５〜６０％、ＳｉＯ2 １０〜７０％、Ｒ2Ｏ ５〜３５％を含有すると共に、Ｒ2Ｏ成分の内、少なくとも２種以上を含むことが好ましい。
【００１４】
第三に、本発明のイオン伝導性材料は、モル比（Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏ）／Ｒ2Ｏが０．２〜１．０であることが好ましい。このようにすれば、プロトン伝導性を高め易くなる。なお、「Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏ」は、Ｎａ2ＯとＫ2Ｏの合量である。
【００１５】
第四に、本発明のイオン伝導性材料は、モル比Ｎａ2Ｏ／Ｒ2Ｏが０．２〜０．８であることが好ましい。このようにすれば、プロトン伝導性を高め易くなる。
【００１６】
第五に、本発明のイオン伝導性材料は、モル比Ｋ2Ｏ／Ｒ2Ｏが０．２〜０．８であることが好ましい。このようにすれば、プロトン伝導性を高め易くなる。
【００１７】
第六に、本発明のイオン伝導性材料は、更に、組成として、Ａｌ2Ｏ3を０．１モル％以上含むことが好ましい。このようにすれば、潮解性が低下するため、長期安定性を高め易くなる。
【００１８】
第七に、本発明のイオン伝導性材料は、５００℃におけるイオン伝導率ｌｏｇ10σ（Ｓ／ｃｍ）が−５．５以上であり、且つ５００℃におけるプロトンの輸率が０．７以上であることが好ましい。ここで、「５００℃におけるイオン伝導率」は、例えば、試料（寸法：１．５ｃｍ×１．０ｃｍ×厚み１．０ｍｍ、光学研磨済み）の表面にＡｇペーストによりＡｇ電極を形成した後、交流インピーダンス法で測定することができる。また、「５００℃におけるプロトンの輸率」は、例えば、試料（寸法：１．５ｃｍ×１．０ｃｍ×厚み１．０ｍｍ、光学研磨済み）の表面にＰｔをスパッタし、Ｐｔ電極を形成した上で、試料の片面を参照側として水素１体積％の雰囲気にした状態で、他方の面の水素分圧を変えた時の起電力を測定し、次にＮｅｒｎｓｔの式に基づく傾きより算出することができる。
【００１９】
第八に、本発明のイオン伝導性材料は、結晶化度が５０％以下の非晶質であることが好ましい。ここで、「結晶化度」は、例えば、Ｘ線回折装置（リガク製）を用い、回折角２θが１０〜６０°の範囲において測定した散乱強度面積と結晶ピーク面積を多重ピーク分離法を用いて算出し、散乱強度面積に対する結晶ピーク面積の比率（％）として求められる。
【００２０】
第九に、本発明のイオン伝導性材料は、電気化学デバイスに用いることが好ましい。
【００２１】
第十に、本発明のイオン伝導性材料は、燃料電池に用いることが好ましい。
【００２２】
第十一に、本発明のイオン伝導性材料の製造方法は、上記のイオン伝導性材料の製造方法であって、原料を溶融した後、得られた溶融ガラスを成形する工程を有することを特徴とする。このようにすれば、成形性を高めることができる。
【００２３】
第十二に、本発明の電気化学デバイスは、上記のイオン伝導性材料を含むことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】種々の燃料電池の動作温度とイオン伝導率の関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明のイオン伝導性材料において、上記のように組成を限定した理由を以下に示す。なお、組成に関する説明において、％表示はモル％を指す。
【００２６】
Ｐ2Ｏ5は、イオン伝導率を高める成分である。Ｐ2Ｏ5の含有量は１５〜８０％、好ましくは２０〜７０％、より好ましくは２５〜６５％、更に好ましくは２５〜６０％、特に好ましくは２５〜５０％、最も好ましくは２５〜４５％である。Ｐ2Ｏ5の含有量が少なくなると、イオン伝導率が低下し易くなる。一方、Ｐ2Ｏ5の含有量が多くなると、潮解し易くなるため、長期安定性が低下し易くなる。
【００２７】
ＳｉＯ2は、ネットワークフォーマーであり、また化学的耐久性を高める成分である。ＳｉＯ2の含有量は０〜７０％、好ましくは０．１〜６０％、より好ましくは１〜５０％、更に好ましくは５〜４９％、特に好ましくは１０〜４０％である。ＳｉＯ2の含有量が少なくなると、化学的耐久性が低下し易くなる。一方、ＳｉＯ2の含有量が多くなると、イオン伝導率が低下し易くなり、また溶融、成形時に失透し易く、更に粘度が不当に上昇して、溶融、成形が困難になる。更に、粘度が急激に変化する温度域が発生し易くなり、成形性が低下し易くなる。
【００２８】
Ｒ2Ｏは、イオン伝導率を高める成分であると共に、粘度を低下させて、溶融性を高める成分である。Ｒ2Ｏの含有量は５〜３５％、好ましくは８〜３０％、より好ましくは１０〜２５％である。Ｒ2Ｏの含有量が少なくなると、イオン伝導率が低下し易くなり、また粘度が不当に上昇して、溶融、成形が困難になる。一方、Ｒ2Ｏの含有量が多くなると、化学的耐久性が低下し易くなる。また粘度が急激に変化する温度域が発生し易くなり、成形性が低下し易くなる。
【００２９】
Ｒ2Ｏ成分を２種以上含み、特に３種以上含むことが好ましい。Ｒ2Ｏ成分が１種のみであると、混合アルカリ効果を享受できないため、アルカリイオンのイオン伝導を抑制し難くなり、結果として、プロトン伝導の割合（プロトンの輸率）が低下し易くなる。
【００３０】
Ｌｉ2Ｏは、イオン伝導率を高める成分であると共に、粘度を低下させて、溶融性を高める成分である。Ｌｉ2Ｏの含有量は０〜２０％、０〜１５％、特に０〜１０％が好ましい。Ｌｉ2Ｏの含有量が多くなると、化学的耐久性が低下し易くなる。
【００３１】
Ｎａ2Ｏは、イオン伝導率を高める成分であると共に、粘度を低下させて、溶融性を高める成分である。Ｎａ2Ｏの含有量は０〜２５％、１〜２０％、特に３〜１５％が好ましい。Ｎａ2Ｏの含有量が多くなると、化学的耐久性が低下し易くなる。なお、Ｎａ2Ｏの含有量が少なくなると、イオン伝導率が低下し易くなり、また粘度が不当に上昇して、溶融、成形が困難になる。更に、粘度が急激に変化する温度域が発生し易くなり、成形性が低下し易くなる。
【００３２】
Ｋ2Ｏは、イオン伝導率を高める成分であると共に、粘度を低下させて、溶融性を高める成分である。Ｋ2Ｏの含有量は０〜２５％、１〜２０％、特に３〜１５％が好ましい。Ｋ2Ｏの含有量が多くなると、化学的耐久性が低下し易くなる。なお、Ｋ2Ｏの含有量が少なくなると、イオン伝導率が低下し易くなり、また粘度が不当に上昇して、溶融、成形が困難になる。更に、粘度が急激に変化する温度域が発生し易くなり、成形性が低下し易くなる。
【００３３】
Ａｇ2Ｏは、イオン伝導率を高める成分であると共に、粘度を低下させて、溶融性を高める成分である。Ａｇ2Ｏの含有量は０〜２０％、０〜１５％、０〜１０％、特に実質的に含有しない、つまり０．１％以下が好ましい。Ａｇ2Ｏの含有量が多くなると、原料コストが高騰し易くなる。
【００３４】
モル比（Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏ）／Ｒ2Ｏは０．２〜１．０、０．２５〜１．０、特に０．３〜１．０が好ましい。このようにすれば、プロトン伝導性を高め易くなると共に、安価な原料を用いて、混合アルカリ効果を享受することができる。なお、「Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏ」は、Ｎａ2ＯとＫ2Ｏの合量を指している。
【００３５】
モル比Ｎａ2Ｏ／Ｒ2Ｏは０．２〜０．８、０．２５〜０．７、特に０．３〜０．６５が好ましい。モル比Ｎａ2Ｏ／Ｒ2Ｏが上記範囲外になると、混合アルカリ効果を享受し難くなるため、アルカリイオンのイオン伝導を抑制し難くなり、結果として、プロトン伝導の割合が低下し易くなる。また、モル比Ｋ2Ｏ／Ｒ2Ｏは０．２〜０．８、０．２５〜０．７、特に０．３〜０．６５が好ましい。モル比Ｋ2Ｏ／Ｒ2Ｏが上記範囲外になると、混合アルカリ効果を享受し難くなるため、アルカリイオンのイオン伝導を抑制し難くなり、結果として、プロトン伝導の割合が低下し易くなる。なお、モル比Ｌｉ2Ｏ／Ｒ2Ｏは、同様の理由により、０．８以下、０．６以下、特に０．５以下が好ましい。
【００３６】
Ａｌ2Ｏ3は、潮解性を抑制して、長期安定性を高める成分である。Ａｌ2Ｏ3の含有量は０〜２０％、０．１〜１６％、１〜１２％、特に２〜１０％が好ましい。Ａｌ2Ｏ3の含有量が多くなると、イオン伝導率が低下し易くなり、また溶融、成形時に失透し易く、更に粘度が不当に上昇して、溶融、成形が困難になる。更に、粘度が急激に変化する温度域が発生し易くなり、成形性が低下し易くなる。
【００３７】
上記成分以外にも、粘度の調整、化学的耐久性の向上、清澄効果の向上を目的として、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＺｒＯ2、ＴｉＯ2、Ｌａ2Ｏ3、ＺｎＯ、Ｓｂ2Ｏ3、Ｆｅ2Ｏ3、ＳｎＯ2、ＣｅＯ2、ＳＯ3、Ｃｌ、Ａｓ2Ｏ3、ＣｕＯ、Ｇｄ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ3、Ｎｂ2Ｏ5、Ｎｄ2Ｏ3、Ｔｂ2Ｏ3、ＷＯ3、Ｖ2Ｏ5、ＭｏＯ3、Ｂｉ2Ｏ3、ＣｏＯ、Ｃｒ2Ｏ3、ＭｎＯ2、ＮｉＯ、Ｂ2Ｏ3等を添加することができ、各成分の含有量はそれぞれ０〜５％が好ましい。但し、ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ（ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、及びＢａＯの合量）の含有量は、イオン伝導率の低下を招くので、２％以下が好ましく、実質的に含有しないこと、つまり０．１％以下が望ましい。また、Ａｓ2Ｏ3、ＣｕＯ、Ｇｄ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ3、Ｎｂ2Ｏ5、Ｎｄ2Ｏ3、Ｔｂ2Ｏ3、ＷＯ3、Ｖ2Ｏ5、ＭｏＯ3、Ｂｉ2Ｏ3、ＣｏＯ、Ｃｒ2Ｏ3、ＭｎＯ2、ＮｉＯの含有量は、原料コストの高騰を招くので、各々１％以下が好ましく、実質的に含有しないこと、つまり０．１％以下が望ましい。Ｂ2Ｏ3も原料コストの高騰を招くので、２％以下が好ましく、実質的に含有しないこと、つまり０．１％以下が望ましい。
【００３８】
本発明のイオン伝導性材料において、５００℃におけるイオン伝導率ｌｏｇ10σ（Ｓ／ｃｍ）は−５．５以上、−５．０以上、特に−４．８以上が好ましい。このようにすれば、２００〜５００℃の中温域における燃料電池として、好適となる。
【００３９】
本発明のイオン伝導性材料において、５００℃におけるプロトンの輸率は０．７以上、０．８以上、特に０．９以上が好ましい。このようにすれば、プロトン伝導の割合が増加するため、燃料電池に適用し易くなる。
【００４０】
本発明のイオン伝導性材料は、結晶化度が５０％以下の非晶質であることが好ましい。このようにすれば、均質性や緻密性を高め易くなる。更に、本発明のイオン伝導性材料は、分相していることが好ましく、スピノーダル分相していることがより好ましい。このようにすれば、イオン伝導パスとして、分相により得られる高極性相を利用し易くなるため、局所的に伝導キャリアの濃度を高めることができ、イオン伝導性を高め易くなる。
【００４１】
本発明のイオン伝導性材料において、厚みは５００μｍ以下、２００μｍ以下、１００μｍ以下、特に５０μｍ以下が好ましい。厚みが小さい程、抵抗値が低下して、燃料電池の性能を高め易くなる。なお、厚みの下限は特に設定されないが、ハンドリング性を考慮すると、１μｍ以上、特に５μｍ以上が好ましい。
【００４２】
本発明のイオン伝導性材料を作製する方法を説明する。まず上記の組成範囲となるように原料を調合する。次に、連続溶融炉内に調合した原料を投入した後、加熱溶融する。続いて、得られた溶融ガラスを成形装置に供給して、平板形状又はフィルム形状に成形した後、徐冷する。このようにして、イオン伝導性材料を作製することができる。なお、本発明のイオン伝導性材料は、ゾル−ゲル法で作製される態様を完全に排除するものではないが、上記の通り、このような態様は種々の観点から不利である。
【００４３】
本発明のイオン伝導性材料の製造方法において、溶融温度は８００℃以上、１０００℃以上、１２００℃以上、特に１４００℃以上が好ましい。このようにすれば、溶融時間を短縮し易くなり、またイオン伝導性材料を均質化し易くなる。
【００４４】
徐冷速度を変更することにより、分相していないガラス、分相したガラス、或いは結晶とガラスが混在した結晶化ガラスのいずれかを選択的に得ることができる。なお、分相化、結晶化は、徐冷後に再加熱することでも行うことができる。また、実生産を考慮すれば、実質的に分相していないガラスが好ましく、熱処理による分相化工程を有しないことが好ましい。
【実施例１】
【００４５】
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。なお、以下の実施例は単なる例示である。本発明は、以下の実施例に何ら限定されない。
【００４６】
表１〜４は、本発明の実施例（試料Ｎｏ．１〜３２）及び比較例（試料Ｎｏ．３３〜３７）を示している。
【００４７】
【表１】
【００４８】
【表２】
【００４９】
【表３】
【００５０】
【表４】
【００５１】
次のようにして、表中の各試料を作製した。まず表中の組成となるように、原料を調合した後、アルミナ坩堝に投入して、１４００〜１６００℃で２時間溶融した。次に、得られた溶融ガラスをカーボン板の上に流し出して、成形した後、６００℃に保持した電気炉内で徐冷した。続いて、１．５ｃｍ×１ｃｍ×厚み１．５ｍｍの平板形状に加工した後、研磨紙を用いて、＃１００、＃４００、＃２０００の順序で試料の表面を研磨して、各試料を得た。各試料につき、イオン伝導率、プロトンの輸率、潮解性、耐水性、ガラス化、成形性を評価した。その結果を表中に示す。なお、Ｘ線回折装置により、各試料は結晶化度が５０％以下の非晶質（ガラス）であることが確認された。
【００５２】
イオン伝導率ｌｏｇ10σ（Ｓ／ｃｍ）は、Ａｇペーストにより試料の表面にＡｇ電極を形成した後、表中の各温度において、交流インピーダンス法で測定した値である。
【００５３】
以下のようにして、５００℃におけるプロトンの輸率を評価した。まず試料の表面にＰｔをスパッタし、Ｐｔ電極を形成した。次に、試料の片面を参照側として水素１体積％の雰囲気にした上で、他方の面の水素分圧を変えた時の起電力を測定した。続いて、Ｎｅｒｎｓｔの式に基づく傾きよりプロトンの輸率を算出した。
【００５４】
純水中に試料を浸漬し、室温で２４時間静置し、洗浄、乾燥した後、試料の質量変化を測定することにより、潮解性の指標とした。表中には、浸漬前の試料の質量に対する質量減少の割合（％）を記載した。
【００５５】
密閉容器に入れた純水中に試料を浸漬し、６０℃で２４時間静置し、洗浄、乾燥した後、試料の質量変化を測定することにより、耐水性の指標とした。表中には、浸漬前の試料の質量に対する質量減少量を試料の表面積で除した値（ｍｇ／ｃｍ2）を記載した。
【００５６】
段落［００５２］で作製した溶融ガラスを流し出して、ガラス化の有無を確認した。ガラス化が確認されたものを「○」、ガラス化が確認されなかったものを「×」として、評価した。
【００５７】
段落［００５２］で作製した溶融ガラスを成形した後に、１ｃｍ×１ｃｍ×５ｍｍの寸法に加工した。次に、この試料をバーナーで再溶融し、手引きによりファイバー状試料を作製した。ファイバー状試料の作製に際し、非常に厳密な温度コントロールが必要であったものを「△△」、厳密な温度コントロールが必要であったものを「△」、厳密な温度コントロールは不要であったが、ファイバー径にバラツキが認められたものを「○」、厳密な温度コントロールは不要であり、ファイバー径が均一であったものを「◎」として、評価した。
【００５８】
表１〜４から明らかなように、試料Ｎｏ．１〜３は、プロトンの輸率が非常に高く、またプロトン伝導材料（プロトン伝導体）としてはイオン伝導率が高く、しかも潮解性の評価が良好である。また、試料Ｎｏ．４〜３２は、プロトンの輸率が非常に高く、またプロトン伝導材料（プロトン伝導体）としてはイオン伝導率が高く、しかも潮解性の評価が良好であると予想される。一方、試料Ｎｏ．３３、３５、３６は、イオン伝導率が高いが、Ｎａ+イオンのイオン伝導の割合が大きいため、プロトンの輸率が低かった。また、試料Ｎｏ．３３は、組成中にＡｌ2Ｏ3を含んでいないため、潮解性の評価が不良であった。なお、試料Ｎｏ．３３は、プロトンの輸率が低いものと推定される。
【００５９】
試料Ｎｏ．３７は、ガラス化しなかったが、試料Ｎｏ．１〜３２は、ガラス化していた。また、試料Ｎｏ．４〜３２は、成形性が良好であった。
【実施例２】
【００６０】
表中の試料Ｎｏ．１、Ｎｏ．７、Ｎｏ．１５について、電極：スパッタしたＰｔ、アノード側：純水素、カソード側：純酸素、測定温度：５００℃の条件で発電試験を行なったところ、１．１Ｖの電圧、０．２、０．０３、０．３ｍＷ／ｃｍ2の出力値が得られた。よって、試料Ｎｏ．１、Ｎｏ．７、Ｎｏ．１５は、燃料電池の電解質として応用可能であると考えられる。また、試料Ｎｏ．２〜３２も燃料電池の電解質として応用可能であると推定される。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明のイオン伝導性材料は、電気化学デバイスに応用可能であり、例えば燃料電池の電解質、キャパシタの電解質、ガスセンサのセンシング部材、湿度制御装置の湿度検出部材として好適である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
組成として、モル％表示で、Ｐ2Ｏ5 １５〜８０％、ＳｉＯ2 ０〜７０％、Ｒ2Ｏ（Ｌｉ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、Ｒｂ2Ｏ、Ｃｓ2Ｏ、及びＡｇ2Ｏの合量） ５〜３５％を含有すると共に、Ｒ2Ｏ成分（Ｌｉ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、Ｒｂ2Ｏ、Ｃｓ2Ｏ、Ａｇ2Ｏ）の内、少なくとも２種以上を含むことを特徴とするイオン伝導性材料。
【請求項２】
組成として、モル％表示で、Ｐ2Ｏ5 １５〜６０％、ＳｉＯ2 １０〜６０％、Ｒ2Ｏ ５〜３５％を含有すると共に、Ｒ2Ｏ成分の内、少なくとも２種以上を含むことを特徴とする請求項１に記載のイオン伝導性材料。
【請求項３】
モル比（Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏ）／Ｒ2Ｏが０．２〜１．０であることを特徴とする請求項１又は２に記載のイオン伝導性材料。
【請求項４】
モル比Ｎａ2Ｏ／Ｒ2Ｏが０．２〜０．８であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のイオン伝導性材料。
【請求項５】
モル比Ｋ2Ｏ／Ｒ2Ｏが０．２〜０．８であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のイオン伝導性材料。
【請求項６】
更に、組成として、Ａｌ2Ｏ3を０．１モル％以上含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のイオン伝導性材料。
【請求項７】
５００℃におけるイオン伝導率ｌｏｇ10σ（Ｓ／ｃｍ）が−５．５以上であり、且つ５００℃におけるプロトンの輸率が０．７以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のイオン伝導性材料。
【請求項８】
結晶化度が５０％以下の非晶質であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のイオン伝導性材料。
【請求項９】
電気化学デバイスに用いることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のイオン伝導性材料。
【請求項１０】
燃料電池に用いることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のイオン伝導性材料。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載のイオン伝導性材料の製造方法であって、
原料を溶融した後、得られた溶融ガラスを成形する工程を有することを特徴とするイオン伝導性材料の製造方法。
【請求項１２】
請求項１〜１０のいずれかに記載のイオン伝導性材料を含むことを特徴とする電気化学デバイス。
【請求項１】
組成として、モル％表示で、Ｐ2Ｏ5 １５〜８０％、ＳｉＯ2 ０〜７０％、Ｒ2Ｏ（Ｌｉ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、Ｒｂ2Ｏ、Ｃｓ2Ｏ、及びＡｇ2Ｏの合量） ５〜３５％を含有すると共に、Ｒ2Ｏ成分（Ｌｉ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、Ｒｂ2Ｏ、Ｃｓ2Ｏ、Ａｇ2Ｏ）の内、少なくとも２種以上を含むことを特徴とするイオン伝導性材料。
【請求項２】
組成として、モル％表示で、Ｐ2Ｏ5 １５〜６０％、ＳｉＯ2 １０〜６０％、Ｒ2Ｏ ５〜３５％を含有すると共に、Ｒ2Ｏ成分の内、少なくとも２種以上を含むことを特徴とする請求項１に記載のイオン伝導性材料。
【請求項３】
モル比（Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏ）／Ｒ2Ｏが０．２〜１．０であることを特徴とする請求項１又は２に記載のイオン伝導性材料。
【請求項４】
モル比Ｎａ2Ｏ／Ｒ2Ｏが０．２〜０．８であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のイオン伝導性材料。
【請求項５】
モル比Ｋ2Ｏ／Ｒ2Ｏが０．２〜０．８であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のイオン伝導性材料。
【請求項６】
更に、組成として、Ａｌ2Ｏ3を０．１モル％以上含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のイオン伝導性材料。
【請求項７】
５００℃におけるイオン伝導率ｌｏｇ10σ（Ｓ／ｃｍ）が−５．５以上であり、且つ５００℃におけるプロトンの輸率が０．７以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のイオン伝導性材料。
【請求項８】
結晶化度が５０％以下の非晶質であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のイオン伝導性材料。
【請求項９】
電気化学デバイスに用いることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のイオン伝導性材料。
【請求項１０】
燃料電池に用いることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のイオン伝導性材料。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載のイオン伝導性材料の製造方法であって、
原料を溶融した後、得られた溶融ガラスを成形する工程を有することを特徴とするイオン伝導性材料の製造方法。
【請求項１２】
請求項１〜１０のいずれかに記載のイオン伝導性材料を含むことを特徴とする電気化学デバイス。
【図１】
【公開番号】特開２０１２−７６９８７（Ｐ２０１２−７６９８７Ａ）
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８９９０２（Ｐ２０１１−１８９９０２）
【出願日】平成２３年８月３１日（２０１１．８．３１）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 刊行物名 ２０１０年年会 講演予稿集 発行所 社団法人日本セラミックス協会 発行日 平成２２年３月２２日 刊行物名 電気化学会第７７回大会 講演要旨集 発行所 社団法人電気化学会 発行日 平成２２年３月２６日 刊行物名 第５回日本セラミックス協会関西支部 学術講演会 講演予稿集 発行所 社団法人日本セラミックス協会 発行日 平成２２年７月１６日
【出願人】（５９２２１６３８４）兵庫県 (258)
【出願人】（０００２３２２４３）日本電気硝子株式会社 (1,447)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月３１日（２０１１．８．３１）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 刊行物名 ２０１０年年会 講演予稿集 発行所 社団法人日本セラミックス協会 発行日 平成２２年３月２２日 刊行物名 電気化学会第７７回大会 講演要旨集 発行所 社団法人電気化学会 発行日 平成２２年３月２６日 刊行物名 第５回日本セラミックス協会関西支部 学術講演会 講演予稿集 発行所 社団法人日本セラミックス協会 発行日 平成２２年７月１６日
【出願人】（５９２２１６３８４）兵庫県 (258)
【出願人】（０００２３２２４３）日本電気硝子株式会社 (1,447)
【Ｆターム（参考）】
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