高イオン導電性固体電解質材料及び焼結体、並びに、固体電解質型燃料電池
【課題】スカンジア安定化ジルコニアにセリアを添加して結晶相を安定化させ、高い酸素イオン導電性と高強度とを備えた高イオン導電性固体電解質材料及び焼結体、並びにそれらを用いた固体電解質型燃料電池を提供すること。
【解決手段】ジルコニアを主成分とし、これにスカンジア８．５〜１５モル％と、セリア０．５〜１モル％とが配合固溶されると共に、スカンジアとセリアとの合計配合量が９〜１５モル％の範囲に調製されている高イオン導電性固体電解質材料とする。これを焼結して焼結体とし、固体電解質型燃料電池の固体電解質として使用する。
【解決手段】ジルコニアを主成分とし、これにスカンジア８．５〜１５モル％と、セリア０．５〜１モル％とが配合固溶されると共に、スカンジアとセリアとの合計配合量が９〜１５モル％の範囲に調製されている高イオン導電性固体電解質材料とする。これを焼結して焼結体とし、固体電解質型燃料電池の固体電解質として使用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高イオン導電性固体電解質材料及び焼結体、並びに、固体電解質型燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の固体電解質材料は、固体電解質型燃料電池（固体酸化物形燃料電池とも称される。以下、「ＳＯＦＣ」と略称する。）などの用途に適用されており、またＳＯＦＣは、他の燃料電池、リン酸型、溶融炭酸塩型などと較べて発電効率が良く、排熱温度も高いため、効率的エネルギー利用の発電システムを構築できる点で注目されている。
【０００３】
ところでこのＳＯＦＣは、固体電解質の一方の面に燃料極を有し、固体電解質の反対側の面に酸素極を有した単電池セル構造を備える。そしてその発電メカニズムとしては、燃料極面に水素（Ｈ２）などの燃料ガスが貫流接触し、酸素極面に空気もしくは酸素（Ｏ２）などの酸化剤ガスが貫流接触すると、酸素極で発生した酸素イオン（Ｏ２−）が固体電解質を移動して燃料極に達し、燃料極ではその移動してきたＯ２−がＨ２と反応してその電気化学反応により電気出力が得られるものである。
【０００４】
このような構造及び発電メカニズムにおいて、ＳＯＦＣの固体電解質材料に要求される特性としては、（１）高い酸素イオン導電性を有すること（２）長期安定して電気化学反応に寄与するものであること（３）高い材料強度を有することなどが挙げられる。そしてこれらの要求特性に応えるものとして、従来一般的には、イットリア（Ｙ２Ｏ３）を添加したジルコニア（ＺｒＯ２）、すなわちイットリア安定化ジルコニア材料（以下、「ＹＳＺ」と略称する。）が用いられてきている。
【０００５】
しかしこのＹＳＺ材料は、材料抵抗が高くて導電率が低いために、高い電力密度が得られないという問題を抱えている。そこでこれに代替できる材料として本発明者らは、スカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）を添加したジルコニア、すなわちスカンジア安定化ジルコニア材料（以下「ＳｃＳＺ」と略称する。）について研究を進めてきた。
【０００６】
そして実際、ＳｃＳＺ系材料は、ＹＳＺ材料に較べて導電率が高く、材料強度も高いということですでに何件か特許出願も行なっている。ただ当初、このＳｃＳＺ材料は、結晶構造が安定しないという問題があって、種々実験を重ねてきた結果、このＳｃＳＺ系材料の中でも、特にアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を１重量％添加した１１ｍｏｌ％Ｓｃ２Ｏ３−８９ｍｏｌ％ＺｒＯ２（以下、「１１ＳｃＳＺ」と略称する。）を標準組成としたものが、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の添加によって結晶相が安定することがわかった。すでに特許出願も行なっている（特許文献１、特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開平７−６６２２号公報
【特許文献２】特開平７−６９７２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）添加のＳｃＳＺ材料は、（１）機械的強度が向上するために固体電解質板の肉厚を薄くすることができてそれだけ材料抵抗を抑制でき、導電率の向上に寄与できる（２）粉体の焼結性が向上し、低い温度でも焼結するために製造コストの低廉化が図れるという長所を有する反面、次のような短所もある。
【０００９】
すなわち、（ａ）電気絶縁抵抗の増大によりアルミナを添加しないＳｃＳＺ材料よりも酸素イオン導電性が１０％程度低下する（ｂ）粉末原料製造時に例えば、液相製造プロセスである共沈法やゾルゲル法により粉末粒径の細かいスカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）とジルコニア（ＺｒＯ２）との混合粉末を得ようとすると、最初にそのＳｃ２Ｏ３とＺｒＯ２との混合粉末を生成し、次いでこの混合粉末にアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）粉末を混合するという工程を取るため、アルミナを添加（混合）するためのプロセスが余分に必要になるという短所も有する。
【００１０】
またこの種の固体電解質材料をＳＯＦＣの電解質に用いた場合、高い導電率を得ようとすると、電池の作動温度を高くせざるを得ず、そのために周辺機材は耐熱高強度を有する特殊鋼材を用いなければならないなど、設備が大掛かり化し、製造コストも高くなる等の問題もあった。
【００１１】
そこで本発明者らは、種々実験研究を重ねた結果、アルミナに代替される材料として、セリア（ＣｅＯ２）などスカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）以外の希土類酸化物をこのＳｃＳＺ材料に添加することにより、結晶相が安定化することを見出した。またこれらの材料は導電率が向上することにより、電池に用いた場合にその作動温度を下げることができることもわかった。
【００１２】
本発明の解決しようとする課題は、ＳｃＳＺ材料にスカンジア以外の希土類酸化物を添加することにより結晶相を安定化させ、高いイオン導電性と高い材料強度を備えた高イオン導電性固体電解質材料を提供することにある。
【００１３】
また本発明は、この高イオン導電性固体電解質材料を電解質として用いることにより高い発電性能を備えたＳＯＦＣを提供し、さらにはそのＳＯＦＣの作動温度の低減により安価な周辺材料の使用を可能ならしめ、製作コストの低廉化をも図らんとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この課題を解決するために本発明の高イオン導電性固体電解質材料は、ジルコニアを主成分とし、これにスカンジア８．５〜１５モル％と、セリア０．５〜１モル％とが配合固溶されると共に、スカンジアとセリアとの合計配合量が９〜１５モル％の範囲に調製されていることを要旨とするものである。
【００１５】
上記組成のＳｃＳＺ固体電解質材料は、高い導電率特性を有し、ＳＯＦＣの固体電解質として優れた発電性能を発揮するものであるが、このＳｃＳＺ固体電解質材料中のスカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）の固溶量は８．５〜１５モル％の範囲とするのが望ましい。スカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）の固溶量が８モル％程度ではジルコニア（ＺｒＯ２）が高温度（ＳＯＦＣの作動温度：およそ１０００℃レベル）で長時間（１０００〜２０００時間）後に立方晶から正方晶に変化して、導電率の低下を招く。
【００１６】
そのためＳｃ２Ｏ３の固溶量を８モル％より若干多目とし、１０〜１５モル％とすることが有効である。
【００１７】
本発明では、スカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）以外の希土類酸化物であるセリア（ＣｅＯ２）を配合することにより結晶相を安定させるものであり、その配合量は、０．５〜１モル％の範囲であることが望ましい。セリア（ＣｅＯ２）の配合量が ０．５モル％以下では、Ｒ相の析出を抑制する効果に乏しく、また２．５モル％以上配合しても既に結晶相は十分に安定化し、逆に導電率が低下するおそれがあるうえ、１モル％程度とする場合が、高い導電率と結晶相の安定性が両立され、望ましい。
【００１８】
尚、スカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）の固溶量が１５％を越えると導電率が低下し、セリア（ＣｅＯ２）等の希土類酸化物も同じ傾向があるため、スカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）と結晶相安定化のために添加する希土類酸化物であるセリア（ＣｅＯ２）の配合量の合計が、１５モル％以下に抑えられていることが要求される。しかし、結晶相の安定化のみならず、高い導電率特性の確保等も考慮すれば、セリア（ＣｅＯ２）の配合量の合計は９〜１５モル％の範囲に調整されていることが望ましい。
【００１９】
また本発明の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質の片面に燃料極を有し、反対側面に酸素極を有する単電池セル構造を備えたものであって、その固体電解質が、ジルコニアを主成分とし、これにスカンジア８．５〜１５モル％と、セリア０．５〜１モル％とが配合固溶されると共に、スカンジアとセリアとの合計配合量が９〜１５モル％の範囲に調製された材料により構成されていることを要旨とするものである。
【００２０】
本発明のＳＯＦＣによれば、上記固体電解質材料を用いることにより電解質の導電率が向上し、電池の内部抵抗が減少するため、電池としての出力密度もしくは発電効率が良くなり、電池性能が向上する。また材料強度が高いためその分固体電解質の板厚を薄くすれば電池の内部抵抗が抑えられ、やはり電池性能が向上する。さらに低い作動温度での運転も可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の高イオン導電性固体電解質材料によれば、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）にセリアを添加することにより、さらに高い酸素イオン導電性が得られ、しかも結晶相が安定するためにその高いイオン導電特性を恒久的に持続することができる。また材料強度を高く維持することもできる。
【００２２】
そしてこの固体電解質材料を固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）に適用することは、電池の内部抵抗が減って電池の発電性能（出力密度もしくは発電効率）を向上させることができるし、逆に同一レベルの発電性能であれば、ＳＯＦＣの小型化などを図ることができる。またＳＯＦＣの作動温度の低減が可能となるため、安価な周辺材料の使用が可能となり、ＳＯＦＣの低コスト化にも役立つ。さらに製造上も結晶相安定化のための希土類であるセリウムはスカンジウムと同時に添加できるため、粉末原料の製造プロセスが簡略化できる利点もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の好適な一実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。初めに図１は、本実施例に係る高イオン導電性固体電解質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依るもので、Ｓｃ２Ｏ３の硝酸塩溶液にセリア（ＣｅＯ２）を適量添加して溶解させ、この硝酸塩溶液にＺｒＯＣｌ２水溶液を混ぜて混合水溶液とする。
【００２４】
そしてこの混合水溶液に共沈剤としてアンモニア水を加えることにより、Ｚｒの水和物とＳｃの水和物との混合水和物が沈殿物として得られる。この沈殿物には、前述のＣｅＯ２の水和物も含まれる。そしてこの混合沈殿物を洗浄濾過し、６００〜１０００℃の温度で約１２時間仮焼した後粉砕することによりセリア（ＣｅＯ２）が配合されたＳｃＳＺ混合粉末が生成される。
【００２５】
尚、この実施例では、本実施例に係る高イオン導電性固体電解質材料の製造プロセスとして液相製造プロセスの１つである共沈法の例を説明したが、この製法に限定されるものでも勿論ない。これ以外に従来から一般に行なわれているように、ジルコニア（ＺｒＯ２）の粉末粒子とスカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）の粉末粒子、及び結晶相安定化のための希土類酸化物であるＣｅＯ２の粉末粒子を所定の配合比率で混ぜ合わせ、ボールミル等により機械的に混合したものを用いてもよい。
【００２６】
あるいは、液相製造プロセスの他の例であるゾルゲル法に依るものも適用できる。ゾルゲル法に依る場合は、ジルコニア粉末粒子とスカンジア粉末粒子、及びセリア粉末粒子を所定の配合比率で混ぜ合わせ、硝酸水に加熱溶解し、これにギ酸とポリエチレングリコールを所用量添加してゾル化物とする。そしてこのゾル化物を加熱乾燥し、７００〜８００℃の温度でおよそ１２時間仮焼することによりセリア（ＣｅＯ２）が配合されたＳｃＳＺ粉末を得ることもできる。
【００２７】
これらの場合に生成されたＳｃＳＺ混合粉末中のＺｒＯ２の配合量は８５〜９０モル％、Ｓｃ２Ｏ３は、８．５〜１５モル％、ＣｅＯ２が０．５〜１モル％、Ｓｃ２Ｏ３とＣｅＯ２とのトータルの配合量が９〜１５モル％に調製されている。
【００２８】
次にこのようにして生成されたＳｃＳＺ粉末をＳＯＦＣの固体電解質板に成形するに際しては、図２にその製造フローチャートを示したが、静水圧プレス機（ＣＩＰ）により加圧成形するか、あるいは、ドクタープレード法やカレンダーロール法を用いることができる。静水圧プレスによる場合、この粉末材料を板厚１００〜３００μｍ×およそ２０ｃｍ角の固体電解質板に成形するのに、１ｔｏｎ／ｃｍ２の押圧力を加えるのがよい。そして次に、この成形板を１４００〜１５００℃の温度で焼成する。
【００２９】
これによりスカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）をジルコニア（ＺｒＯ２）中に固溶させたスカンジア安定化ジルコニア（Ｓｃ２Ｏ３ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ＺｒＯ２）材料を主成分とし、これに結晶相安定化材料としてセリア（ＣｅＯ２）がやはり固溶状態にある固体電解質板が得られる。
【００３０】
そしてこのＳｃＳＺ系固体電解質板の片面に燃料極を形成し、反対側の面に酸素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泥状にして、いわゆるスラリーコーティング法によりこのＳｃＳＺ系固体電解質板のそれぞれの面に塗布し、所定温度で焼成する。この場合燃料極については、例えばニッケル（Ｎｉ）４０重量％−ジルコニア（ＺｒＯ２ ）６０重量％のＮｉ−ジルコニアサーメット材料を５０μｍ程度の厚さでこのＳｃＳＺ系固体電解質板の片面にコーティングし、１４００〜１５００℃の温度で焼成する。これによりＳｃＳＺ系固体電解質板に薄膜状の燃料極が形成されることとなる。
【００３１】
また酸素極については、例えばランタンストロンチウムマンガネイト（Ｌａ（Ｓｒ）ＭｎＯ３）材料を５０μｍ程度の厚さで固体電解質板の反対側の面にコーティングし、１１５０℃前後の温度で焼成する。これによりＳｃＳＺ系固体電解質板に、同じく薄膜状の酸素極が形成されることとなる。尚、酸素極の材料の配合比率としては、ランタン９０〜８０モル％に対し、ストロンチウム１０〜２０モル％程度とするのが適当である。
【００３２】
次にこのようにして製作された固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の固体電解質板について種々の実験を行なったのでこれらについて説明する。供試材料はいずれも共沈法により作成している。
【００３３】
初めに次の表１は、ＹＳＺ固体電解質材料と、ＳｃＳＺ系固体電解質材料の（アルミナ添加なし、アルミナ添加品、セリア添加品）の各種材料について、導電率特性と曲げ強度のデータを比較して示したものである。表中、「８ＹＳＺ」材料は、８ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３−９２ｍｏｌ％ＺｒＯ２配合のものであり、「アルミナ添加なしＳｃＳＺ」材料は、１１ｍｏｌ％Ｓｃ２Ｏ３−８９ｍｏｌ％ＺｒＯ２配合のもの、「アルミナ添加ＳｃＳＺ」材料は、（１１ｍｏｌ％Ｓｃ２Ｏ３−８９ｍｏｌ％ＺｒＯ２）０．９９（Ａｌ２Ｏ３）０．０１配合のもの、「セリア添加品ＳｃＳＺ」材料は、１０ｍｏｌ％Ｓｃ２Ｏ３−１ｍｏｌ％ＣｅＯ２−８９ｍｏｌ％ＺｒＯ２配合のものをそれぞれ供試材料として用いた。
【００３４】
この場合に供試材料はいずれも、板厚２００μｍ×２０ｃｍ角板のもので、静水圧プレス（ＣＩＰ）により１ｔｏｎ／ｃｍ２の加圧力を加えて成形したものを用いた。また導電率特性は、１０００℃と８００℃の２つの条件のものを示している。
【００３５】
【表１】
【００３６】
この表１からわかるように、従来の「８ＹＳＺ」材料に較べてＳｃＳＺ系材料は、いずれも導電率および曲げ強度とともに優れた結果となっているが、ＳｃＳＺ系材料どうしを比べた場合に、「アルミナ添加なしＳｃＳＺ（１１ＳｃＳＺ）」材料に較べて「アルミナ添加ＳｃＳＺ（１１ＳｃＳＺ１Ａ）」材料は曲げ強度特性が向上するも導電率特性が低下している。
【００３７】
これに対して「セリア添加品ＳｃＳＺ（１０Ｓｃ１ＣｅＳＺ）」材料は、導電率特性が１０００℃と８００℃のいずれにおいても「アルミナ添加ＳｃＳＺ（１１ＳｃＳＺ１Ａ）」材料よりも優れ、「アルミナ添加なしＳｃＳＺ（１１ＳｃＳＺ１Ａ）」材料と同等レベルの値が得られた。また曲げ強度も、「アルミナ添加ＳｃＳＺ（１１ＳｃＳＺ１Ａ）」材料よりは若干劣るものの、「アルミナ添加なしＳｃＳＺ（１１ＳｃＳＺ）」材料よりは高い値を示している。
【００３８】
したがって、ＳｃＳＺ材料にアルミナＡｌ２Ｏ３に代えてセリア（ＣｅＯ２）を添加することにより、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、また曲げ強度はほとんどアルミナ添加品と遜色ないという結果が得られ、アルミナ添加品に代替される材料としての特性を具有することが確認された。
【００３９】
次の表２は、各種供試材料の熱膨張係数の測定試験を行なった結果を示したものである。供試材料としては、本発明の実施例品である前述のセリア（ＣｅＯ２）添加品のほか、参考品として、イットリア（Ｙ２Ｏ３）添加品、イッテルビア（Ｙｂ２Ｏ３）添加品、およびガドリニア（Ｇｄ２Ｏ３）添加品を用いた。それぞれの配合量は、セリア（ＣｅＯ２）添加品の場合と同様、１モル％とした。詳細は表２に示した通りである。
【００４０】
【表２】
【００４１】
試験方法としては、熱機械的分析装置（ＴＭＡ）を用いて、試作した各種焼結体の平均線熱膨張率を測定するもので、この時の測定条件としては、各焼結体を高純度窒素ガス２００ｍｌ／ｍｉｎの雰囲気中で室温から１３２３Ｋ（１０５０℃）まで昇温し、その後室温まで冷却するものである。その昇温（および降温）速度は２℃／ｍｉｎとし、またこの時の材料に印加する荷重は１０ｇとした。
【００４２】
その結果、１１ＳｃＳＺは約６５０℃付近にはっきりした転移点が確認されたが、１０Ｓｃ１ＣｅＳＺ、１０Ｓｃ１ＹＳＺ、１０Ｓｃ１ＹｂＳＺ、１０Ｓｃ１ＧｄＳＺはいずれも転移点が見られず、結晶構造の熱的変化がないことが確認された。また平均線熱膨張率も、１０Ｓｃ１ＣｅＳＺ、１０Ｓｃ１ＹＳＺ、１０Ｓｃ１ＹｂＳＺ、１０Ｓｃ１ＧｄＳＺはいずれも８ＹＳＺと同等の値を示しており、使用上問題ないことも確認された。
【００４３】
次に各種ＳｃＳＺ焼結体の導電率測定試験を行なったのでその結果を説明する。試験方法としては、ＳｃＳＺ焼結体の棒状試験片（２０ｍｍ×３ｍｍ×４ｍｍ）を用い、ＳＯＦＣ作動温度（１０００℃および８００℃、空気雰囲気）における導電率を測定した。測定は、交流インピーダンス法により行い、測定された抵抗値と試験片の寸法から次式により導電率を求めた。
導電率σ（Ｓ／ｃｍ）＝（１／抵抗値Ｒ（Ω））×試験片長さＬ（ｃｍ）
／試験片断面積Ｓ（ｃｍ２）
また、１０００℃および８００℃の導電率σから、ｌｏｇσ ｖｓ １／Ｔのアレニウスプロットにより傾きを求め、活性化エネルギーＥ（ｋＪ／ｍｏｌ）を算出した。その結果を次の表３に示す。また図３はその裏付けデータをグラフに示したものである。
【００４４】
【表３】
【００４５】
この結果は、次の通りである。
（１）試作した３種類のＳｃＳＺは、いずれも導電率が８ＹＳＺの２倍程度の高い導電率を示した。１１ＳｃＳＺ１Ａおよび１０Ｓｃ１ＹＳＺの導電率はほぼ予想された数値であり、良好な焼結体が得られている。１０Ｓｃ１ＣｅＳＺの導電率も１１ＳｃＳＺ１Ａの導電率（１０００℃で約０．２６Ｓ／ｃｍ）よりも約１割程度高い値となった。
【００４６】
（２）焼成温度が導電率に及ぼす影響は１０Ｓｃ１ＹＳＺおよび１０Ｓｃ１ＣｅＳＺでは顕著ではなく、粉末原料としては使いやすい原料といえる。１１ＳｃＳＺ１Ａのみ１６００℃焼成で顕著に導電率が低くなったが、これは焼結密度の低下と対応している。
【００４７】
（３）活性化エネルギー（この値が低いほどＳＯＦＣの低温作動時に有利）の値は全般に８ＹＳＺよりも低く、良好な値を示した。特に１０Ｓｃ１ＣｅＳＺは６０ｋＪ／ｍｏｌ以下と顕著に低い値であった。活性化エネルギーの値も１１ＳｃＳＺ１Ａの１６００℃焼成品を除いて焼成温度による影響は認められなかった。
【００４８】
以上のように、１０Ｓｃ１ＣｅＳＺ、１０Ｓｃ１ＹＳＺを導電性固体電解質材料として用いた焼結体は、固体電解質型燃料電池に用いられる材料として優れた特性を示すが、セリア（ＣｅＯ２ ）が添加された１０Ｓｃ１ＣｅＳＺの方が、高い導電率を示し、低い活性化エネルギーを有する点において、特に優れた導電性固体電解質材料であると言える。
【００４９】
次に追加実験データとして、セリア（ＣｅＯ２ ）の添加量を変えた時の導電率の変化を調べたのでその結果を図４に示す。供試材料として、前述の１１ＳｃＳＺ材料、及び１０Ｓｃ１ＣｅＳＺ材料のほかに、スカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）とセリア（ＣｅＯ２ ）との配合量の合計を１１モル％とし、そのうちセリア（ＣｅＯ２ ）を２．５モル％配合したもの（「８．５Ｓｃ２．５ＣｅＳＺ」材料）、及びセリア（ＣｅＯ２ ）を５モル％配合したもの（「６Ｓｃ５ＣｅＳＺ」材料）についてのデータを示している。
【００５０】
この図４のデータからわかるように、いずれの供試材料とも作動温度が高くなるにつれて導電率が低下する傾向にあるが、その中で１１ＳｃＳＺ材料（ＣｅＯ２＝０％）に較べて１０Ｓｃ１ＣｅＳＺ材料（ＣｅＯ２＝１％）は常に導電率の値が高く、８．５Ｓｃ２．５ＣｅＳＺ材料（ＣｅＯ２＝２．５％）と６Ｓｃ５ＣｅＳＺ材料（ＣｅＯ２＝５％）は若干導電率の値が低いという結果が得られている。このことからセリア（ＣｅＯ２ ）の添加量は１モル％程度が最も望ましく、それ以上に増やす必要はないということが言える。
【００５１】
本発明は上記した実施例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。
【００５２】
さらに、本発明においてはＳｃＳＺ材料にＣｅＯ２が添加されるが、上記で参考品として示したようにＳｃＳＺ材料にＹ２Ｏ３を添加した場合にも、ＣｅＯ２ を添加した場合には劣るが、同様の効果を得ることができる。Ｙｂ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３も同様に用いることができる。ＣｅＯ２ 、Ｙ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３は、いずれか１種類を添加しても、２種類または３種類以上を添加するものであっても同様の効果が得られることは容易に推察できることである。
【００５３】
また上記実施例では、燃料電池の電解質材料として説明したが、この電解質材料の特性に鑑みれば、例えば、酸素センサなどの酸素イオン伝導を利用したデバイス類などの性能向上にも役立つものである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明に係る高イオン導電性固体電解質材料の製造工程を示すフローチャートである。
【図２】図１の製造工程により製造した固体電解質材料を用いて燃料電池（ＳＯＦＣ）の電池セルを製造する工程図である。
【図３】各種固体電解質材料（１０Ｓｃ１ＣｅＳＺ、１０Ｓｃ１ＹＳＺ、１１ＳｃＳＺ１Ａ、８ＹＳＺ）の導電率測定試験結果（温度依存性）をグラフに示した図である。
【図４】セリア（ＣｅＯ２）添加のＳｃＳＺ材料についてそのセリア（ＣｅＯ２）の添加量を変えた時の導電率測定試験結果（温度依存性）をグラフに示した図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高イオン導電性固体電解質材料及び焼結体、並びに、固体電解質型燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の固体電解質材料は、固体電解質型燃料電池（固体酸化物形燃料電池とも称される。以下、「ＳＯＦＣ」と略称する。）などの用途に適用されており、またＳＯＦＣは、他の燃料電池、リン酸型、溶融炭酸塩型などと較べて発電効率が良く、排熱温度も高いため、効率的エネルギー利用の発電システムを構築できる点で注目されている。
【０００３】
ところでこのＳＯＦＣは、固体電解質の一方の面に燃料極を有し、固体電解質の反対側の面に酸素極を有した単電池セル構造を備える。そしてその発電メカニズムとしては、燃料極面に水素（Ｈ２）などの燃料ガスが貫流接触し、酸素極面に空気もしくは酸素（Ｏ２）などの酸化剤ガスが貫流接触すると、酸素極で発生した酸素イオン（Ｏ２−）が固体電解質を移動して燃料極に達し、燃料極ではその移動してきたＯ２−がＨ２と反応してその電気化学反応により電気出力が得られるものである。
【０００４】
このような構造及び発電メカニズムにおいて、ＳＯＦＣの固体電解質材料に要求される特性としては、（１）高い酸素イオン導電性を有すること（２）長期安定して電気化学反応に寄与するものであること（３）高い材料強度を有することなどが挙げられる。そしてこれらの要求特性に応えるものとして、従来一般的には、イットリア（Ｙ２Ｏ３）を添加したジルコニア（ＺｒＯ２）、すなわちイットリア安定化ジルコニア材料（以下、「ＹＳＺ」と略称する。）が用いられてきている。
【０００５】
しかしこのＹＳＺ材料は、材料抵抗が高くて導電率が低いために、高い電力密度が得られないという問題を抱えている。そこでこれに代替できる材料として本発明者らは、スカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）を添加したジルコニア、すなわちスカンジア安定化ジルコニア材料（以下「ＳｃＳＺ」と略称する。）について研究を進めてきた。
【０００６】
そして実際、ＳｃＳＺ系材料は、ＹＳＺ材料に較べて導電率が高く、材料強度も高いということですでに何件か特許出願も行なっている。ただ当初、このＳｃＳＺ材料は、結晶構造が安定しないという問題があって、種々実験を重ねてきた結果、このＳｃＳＺ系材料の中でも、特にアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を１重量％添加した１１ｍｏｌ％Ｓｃ２Ｏ３−８９ｍｏｌ％ＺｒＯ２（以下、「１１ＳｃＳＺ」と略称する。）を標準組成としたものが、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の添加によって結晶相が安定することがわかった。すでに特許出願も行なっている（特許文献１、特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開平７−６６２２号公報
【特許文献２】特開平７−６９７２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）添加のＳｃＳＺ材料は、（１）機械的強度が向上するために固体電解質板の肉厚を薄くすることができてそれだけ材料抵抗を抑制でき、導電率の向上に寄与できる（２）粉体の焼結性が向上し、低い温度でも焼結するために製造コストの低廉化が図れるという長所を有する反面、次のような短所もある。
【０００９】
すなわち、（ａ）電気絶縁抵抗の増大によりアルミナを添加しないＳｃＳＺ材料よりも酸素イオン導電性が１０％程度低下する（ｂ）粉末原料製造時に例えば、液相製造プロセスである共沈法やゾルゲル法により粉末粒径の細かいスカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）とジルコニア（ＺｒＯ２）との混合粉末を得ようとすると、最初にそのＳｃ２Ｏ３とＺｒＯ２との混合粉末を生成し、次いでこの混合粉末にアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）粉末を混合するという工程を取るため、アルミナを添加（混合）するためのプロセスが余分に必要になるという短所も有する。
【００１０】
またこの種の固体電解質材料をＳＯＦＣの電解質に用いた場合、高い導電率を得ようとすると、電池の作動温度を高くせざるを得ず、そのために周辺機材は耐熱高強度を有する特殊鋼材を用いなければならないなど、設備が大掛かり化し、製造コストも高くなる等の問題もあった。
【００１１】
そこで本発明者らは、種々実験研究を重ねた結果、アルミナに代替される材料として、セリア（ＣｅＯ２）などスカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）以外の希土類酸化物をこのＳｃＳＺ材料に添加することにより、結晶相が安定化することを見出した。またこれらの材料は導電率が向上することにより、電池に用いた場合にその作動温度を下げることができることもわかった。
【００１２】
本発明の解決しようとする課題は、ＳｃＳＺ材料にスカンジア以外の希土類酸化物を添加することにより結晶相を安定化させ、高いイオン導電性と高い材料強度を備えた高イオン導電性固体電解質材料を提供することにある。
【００１３】
また本発明は、この高イオン導電性固体電解質材料を電解質として用いることにより高い発電性能を備えたＳＯＦＣを提供し、さらにはそのＳＯＦＣの作動温度の低減により安価な周辺材料の使用を可能ならしめ、製作コストの低廉化をも図らんとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この課題を解決するために本発明の高イオン導電性固体電解質材料は、ジルコニアを主成分とし、これにスカンジア８．５〜１５モル％と、セリア０．５〜１モル％とが配合固溶されると共に、スカンジアとセリアとの合計配合量が９〜１５モル％の範囲に調製されていることを要旨とするものである。
【００１５】
上記組成のＳｃＳＺ固体電解質材料は、高い導電率特性を有し、ＳＯＦＣの固体電解質として優れた発電性能を発揮するものであるが、このＳｃＳＺ固体電解質材料中のスカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）の固溶量は８．５〜１５モル％の範囲とするのが望ましい。スカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）の固溶量が８モル％程度ではジルコニア（ＺｒＯ２）が高温度（ＳＯＦＣの作動温度：およそ１０００℃レベル）で長時間（１０００〜２０００時間）後に立方晶から正方晶に変化して、導電率の低下を招く。
【００１６】
そのためＳｃ２Ｏ３の固溶量を８モル％より若干多目とし、１０〜１５モル％とすることが有効である。
【００１７】
本発明では、スカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）以外の希土類酸化物であるセリア（ＣｅＯ２）を配合することにより結晶相を安定させるものであり、その配合量は、０．５〜１モル％の範囲であることが望ましい。セリア（ＣｅＯ２）の配合量が ０．５モル％以下では、Ｒ相の析出を抑制する効果に乏しく、また２．５モル％以上配合しても既に結晶相は十分に安定化し、逆に導電率が低下するおそれがあるうえ、１モル％程度とする場合が、高い導電率と結晶相の安定性が両立され、望ましい。
【００１８】
尚、スカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）の固溶量が１５％を越えると導電率が低下し、セリア（ＣｅＯ２）等の希土類酸化物も同じ傾向があるため、スカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）と結晶相安定化のために添加する希土類酸化物であるセリア（ＣｅＯ２）の配合量の合計が、１５モル％以下に抑えられていることが要求される。しかし、結晶相の安定化のみならず、高い導電率特性の確保等も考慮すれば、セリア（ＣｅＯ２）の配合量の合計は９〜１５モル％の範囲に調整されていることが望ましい。
【００１９】
また本発明の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質の片面に燃料極を有し、反対側面に酸素極を有する単電池セル構造を備えたものであって、その固体電解質が、ジルコニアを主成分とし、これにスカンジア８．５〜１５モル％と、セリア０．５〜１モル％とが配合固溶されると共に、スカンジアとセリアとの合計配合量が９〜１５モル％の範囲に調製された材料により構成されていることを要旨とするものである。
【００２０】
本発明のＳＯＦＣによれば、上記固体電解質材料を用いることにより電解質の導電率が向上し、電池の内部抵抗が減少するため、電池としての出力密度もしくは発電効率が良くなり、電池性能が向上する。また材料強度が高いためその分固体電解質の板厚を薄くすれば電池の内部抵抗が抑えられ、やはり電池性能が向上する。さらに低い作動温度での運転も可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の高イオン導電性固体電解質材料によれば、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）にセリアを添加することにより、さらに高い酸素イオン導電性が得られ、しかも結晶相が安定するためにその高いイオン導電特性を恒久的に持続することができる。また材料強度を高く維持することもできる。
【００２２】
そしてこの固体電解質材料を固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）に適用することは、電池の内部抵抗が減って電池の発電性能（出力密度もしくは発電効率）を向上させることができるし、逆に同一レベルの発電性能であれば、ＳＯＦＣの小型化などを図ることができる。またＳＯＦＣの作動温度の低減が可能となるため、安価な周辺材料の使用が可能となり、ＳＯＦＣの低コスト化にも役立つ。さらに製造上も結晶相安定化のための希土類であるセリウムはスカンジウムと同時に添加できるため、粉末原料の製造プロセスが簡略化できる利点もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の好適な一実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。初めに図１は、本実施例に係る高イオン導電性固体電解質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依るもので、Ｓｃ２Ｏ３の硝酸塩溶液にセリア（ＣｅＯ２）を適量添加して溶解させ、この硝酸塩溶液にＺｒＯＣｌ２水溶液を混ぜて混合水溶液とする。
【００２４】
そしてこの混合水溶液に共沈剤としてアンモニア水を加えることにより、Ｚｒの水和物とＳｃの水和物との混合水和物が沈殿物として得られる。この沈殿物には、前述のＣｅＯ２の水和物も含まれる。そしてこの混合沈殿物を洗浄濾過し、６００〜１０００℃の温度で約１２時間仮焼した後粉砕することによりセリア（ＣｅＯ２）が配合されたＳｃＳＺ混合粉末が生成される。
【００２５】
尚、この実施例では、本実施例に係る高イオン導電性固体電解質材料の製造プロセスとして液相製造プロセスの１つである共沈法の例を説明したが、この製法に限定されるものでも勿論ない。これ以外に従来から一般に行なわれているように、ジルコニア（ＺｒＯ２）の粉末粒子とスカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）の粉末粒子、及び結晶相安定化のための希土類酸化物であるＣｅＯ２の粉末粒子を所定の配合比率で混ぜ合わせ、ボールミル等により機械的に混合したものを用いてもよい。
【００２６】
あるいは、液相製造プロセスの他の例であるゾルゲル法に依るものも適用できる。ゾルゲル法に依る場合は、ジルコニア粉末粒子とスカンジア粉末粒子、及びセリア粉末粒子を所定の配合比率で混ぜ合わせ、硝酸水に加熱溶解し、これにギ酸とポリエチレングリコールを所用量添加してゾル化物とする。そしてこのゾル化物を加熱乾燥し、７００〜８００℃の温度でおよそ１２時間仮焼することによりセリア（ＣｅＯ２）が配合されたＳｃＳＺ粉末を得ることもできる。
【００２７】
これらの場合に生成されたＳｃＳＺ混合粉末中のＺｒＯ２の配合量は８５〜９０モル％、Ｓｃ２Ｏ３は、８．５〜１５モル％、ＣｅＯ２が０．５〜１モル％、Ｓｃ２Ｏ３とＣｅＯ２とのトータルの配合量が９〜１５モル％に調製されている。
【００２８】
次にこのようにして生成されたＳｃＳＺ粉末をＳＯＦＣの固体電解質板に成形するに際しては、図２にその製造フローチャートを示したが、静水圧プレス機（ＣＩＰ）により加圧成形するか、あるいは、ドクタープレード法やカレンダーロール法を用いることができる。静水圧プレスによる場合、この粉末材料を板厚１００〜３００μｍ×およそ２０ｃｍ角の固体電解質板に成形するのに、１ｔｏｎ／ｃｍ２の押圧力を加えるのがよい。そして次に、この成形板を１４００〜１５００℃の温度で焼成する。
【００２９】
これによりスカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）をジルコニア（ＺｒＯ２）中に固溶させたスカンジア安定化ジルコニア（Ｓｃ２Ｏ３ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ＺｒＯ２）材料を主成分とし、これに結晶相安定化材料としてセリア（ＣｅＯ２）がやはり固溶状態にある固体電解質板が得られる。
【００３０】
そしてこのＳｃＳＺ系固体電解質板の片面に燃料極を形成し、反対側の面に酸素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泥状にして、いわゆるスラリーコーティング法によりこのＳｃＳＺ系固体電解質板のそれぞれの面に塗布し、所定温度で焼成する。この場合燃料極については、例えばニッケル（Ｎｉ）４０重量％−ジルコニア（ＺｒＯ２ ）６０重量％のＮｉ−ジルコニアサーメット材料を５０μｍ程度の厚さでこのＳｃＳＺ系固体電解質板の片面にコーティングし、１４００〜１５００℃の温度で焼成する。これによりＳｃＳＺ系固体電解質板に薄膜状の燃料極が形成されることとなる。
【００３１】
また酸素極については、例えばランタンストロンチウムマンガネイト（Ｌａ（Ｓｒ）ＭｎＯ３）材料を５０μｍ程度の厚さで固体電解質板の反対側の面にコーティングし、１１５０℃前後の温度で焼成する。これによりＳｃＳＺ系固体電解質板に、同じく薄膜状の酸素極が形成されることとなる。尚、酸素極の材料の配合比率としては、ランタン９０〜８０モル％に対し、ストロンチウム１０〜２０モル％程度とするのが適当である。
【００３２】
次にこのようにして製作された固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の固体電解質板について種々の実験を行なったのでこれらについて説明する。供試材料はいずれも共沈法により作成している。
【００３３】
初めに次の表１は、ＹＳＺ固体電解質材料と、ＳｃＳＺ系固体電解質材料の（アルミナ添加なし、アルミナ添加品、セリア添加品）の各種材料について、導電率特性と曲げ強度のデータを比較して示したものである。表中、「８ＹＳＺ」材料は、８ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３−９２ｍｏｌ％ＺｒＯ２配合のものであり、「アルミナ添加なしＳｃＳＺ」材料は、１１ｍｏｌ％Ｓｃ２Ｏ３−８９ｍｏｌ％ＺｒＯ２配合のもの、「アルミナ添加ＳｃＳＺ」材料は、（１１ｍｏｌ％Ｓｃ２Ｏ３−８９ｍｏｌ％ＺｒＯ２）０．９９（Ａｌ２Ｏ３）０．０１配合のもの、「セリア添加品ＳｃＳＺ」材料は、１０ｍｏｌ％Ｓｃ２Ｏ３−１ｍｏｌ％ＣｅＯ２−８９ｍｏｌ％ＺｒＯ２配合のものをそれぞれ供試材料として用いた。
【００３４】
この場合に供試材料はいずれも、板厚２００μｍ×２０ｃｍ角板のもので、静水圧プレス（ＣＩＰ）により１ｔｏｎ／ｃｍ２の加圧力を加えて成形したものを用いた。また導電率特性は、１０００℃と８００℃の２つの条件のものを示している。
【００３５】
【表１】
【００３６】
この表１からわかるように、従来の「８ＹＳＺ」材料に較べてＳｃＳＺ系材料は、いずれも導電率および曲げ強度とともに優れた結果となっているが、ＳｃＳＺ系材料どうしを比べた場合に、「アルミナ添加なしＳｃＳＺ（１１ＳｃＳＺ）」材料に較べて「アルミナ添加ＳｃＳＺ（１１ＳｃＳＺ１Ａ）」材料は曲げ強度特性が向上するも導電率特性が低下している。
【００３７】
これに対して「セリア添加品ＳｃＳＺ（１０Ｓｃ１ＣｅＳＺ）」材料は、導電率特性が１０００℃と８００℃のいずれにおいても「アルミナ添加ＳｃＳＺ（１１ＳｃＳＺ１Ａ）」材料よりも優れ、「アルミナ添加なしＳｃＳＺ（１１ＳｃＳＺ１Ａ）」材料と同等レベルの値が得られた。また曲げ強度も、「アルミナ添加ＳｃＳＺ（１１ＳｃＳＺ１Ａ）」材料よりは若干劣るものの、「アルミナ添加なしＳｃＳＺ（１１ＳｃＳＺ）」材料よりは高い値を示している。
【００３８】
したがって、ＳｃＳＺ材料にアルミナＡｌ２Ｏ３に代えてセリア（ＣｅＯ２）を添加することにより、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、また曲げ強度はほとんどアルミナ添加品と遜色ないという結果が得られ、アルミナ添加品に代替される材料としての特性を具有することが確認された。
【００３９】
次の表２は、各種供試材料の熱膨張係数の測定試験を行なった結果を示したものである。供試材料としては、本発明の実施例品である前述のセリア（ＣｅＯ２）添加品のほか、参考品として、イットリア（Ｙ２Ｏ３）添加品、イッテルビア（Ｙｂ２Ｏ３）添加品、およびガドリニア（Ｇｄ２Ｏ３）添加品を用いた。それぞれの配合量は、セリア（ＣｅＯ２）添加品の場合と同様、１モル％とした。詳細は表２に示した通りである。
【００４０】
【表２】
【００４１】
試験方法としては、熱機械的分析装置（ＴＭＡ）を用いて、試作した各種焼結体の平均線熱膨張率を測定するもので、この時の測定条件としては、各焼結体を高純度窒素ガス２００ｍｌ／ｍｉｎの雰囲気中で室温から１３２３Ｋ（１０５０℃）まで昇温し、その後室温まで冷却するものである。その昇温（および降温）速度は２℃／ｍｉｎとし、またこの時の材料に印加する荷重は１０ｇとした。
【００４２】
その結果、１１ＳｃＳＺは約６５０℃付近にはっきりした転移点が確認されたが、１０Ｓｃ１ＣｅＳＺ、１０Ｓｃ１ＹＳＺ、１０Ｓｃ１ＹｂＳＺ、１０Ｓｃ１ＧｄＳＺはいずれも転移点が見られず、結晶構造の熱的変化がないことが確認された。また平均線熱膨張率も、１０Ｓｃ１ＣｅＳＺ、１０Ｓｃ１ＹＳＺ、１０Ｓｃ１ＹｂＳＺ、１０Ｓｃ１ＧｄＳＺはいずれも８ＹＳＺと同等の値を示しており、使用上問題ないことも確認された。
【００４３】
次に各種ＳｃＳＺ焼結体の導電率測定試験を行なったのでその結果を説明する。試験方法としては、ＳｃＳＺ焼結体の棒状試験片（２０ｍｍ×３ｍｍ×４ｍｍ）を用い、ＳＯＦＣ作動温度（１０００℃および８００℃、空気雰囲気）における導電率を測定した。測定は、交流インピーダンス法により行い、測定された抵抗値と試験片の寸法から次式により導電率を求めた。
導電率σ（Ｓ／ｃｍ）＝（１／抵抗値Ｒ（Ω））×試験片長さＬ（ｃｍ）
／試験片断面積Ｓ（ｃｍ２）
また、１０００℃および８００℃の導電率σから、ｌｏｇσ ｖｓ １／Ｔのアレニウスプロットにより傾きを求め、活性化エネルギーＥ（ｋＪ／ｍｏｌ）を算出した。その結果を次の表３に示す。また図３はその裏付けデータをグラフに示したものである。
【００４４】
【表３】
【００４５】
この結果は、次の通りである。
（１）試作した３種類のＳｃＳＺは、いずれも導電率が８ＹＳＺの２倍程度の高い導電率を示した。１１ＳｃＳＺ１Ａおよび１０Ｓｃ１ＹＳＺの導電率はほぼ予想された数値であり、良好な焼結体が得られている。１０Ｓｃ１ＣｅＳＺの導電率も１１ＳｃＳＺ１Ａの導電率（１０００℃で約０．２６Ｓ／ｃｍ）よりも約１割程度高い値となった。
【００４６】
（２）焼成温度が導電率に及ぼす影響は１０Ｓｃ１ＹＳＺおよび１０Ｓｃ１ＣｅＳＺでは顕著ではなく、粉末原料としては使いやすい原料といえる。１１ＳｃＳＺ１Ａのみ１６００℃焼成で顕著に導電率が低くなったが、これは焼結密度の低下と対応している。
【００４７】
（３）活性化エネルギー（この値が低いほどＳＯＦＣの低温作動時に有利）の値は全般に８ＹＳＺよりも低く、良好な値を示した。特に１０Ｓｃ１ＣｅＳＺは６０ｋＪ／ｍｏｌ以下と顕著に低い値であった。活性化エネルギーの値も１１ＳｃＳＺ１Ａの１６００℃焼成品を除いて焼成温度による影響は認められなかった。
【００４８】
以上のように、１０Ｓｃ１ＣｅＳＺ、１０Ｓｃ１ＹＳＺを導電性固体電解質材料として用いた焼結体は、固体電解質型燃料電池に用いられる材料として優れた特性を示すが、セリア（ＣｅＯ２ ）が添加された１０Ｓｃ１ＣｅＳＺの方が、高い導電率を示し、低い活性化エネルギーを有する点において、特に優れた導電性固体電解質材料であると言える。
【００４９】
次に追加実験データとして、セリア（ＣｅＯ２ ）の添加量を変えた時の導電率の変化を調べたのでその結果を図４に示す。供試材料として、前述の１１ＳｃＳＺ材料、及び１０Ｓｃ１ＣｅＳＺ材料のほかに、スカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）とセリア（ＣｅＯ２ ）との配合量の合計を１１モル％とし、そのうちセリア（ＣｅＯ２ ）を２．５モル％配合したもの（「８．５Ｓｃ２．５ＣｅＳＺ」材料）、及びセリア（ＣｅＯ２ ）を５モル％配合したもの（「６Ｓｃ５ＣｅＳＺ」材料）についてのデータを示している。
【００５０】
この図４のデータからわかるように、いずれの供試材料とも作動温度が高くなるにつれて導電率が低下する傾向にあるが、その中で１１ＳｃＳＺ材料（ＣｅＯ２＝０％）に較べて１０Ｓｃ１ＣｅＳＺ材料（ＣｅＯ２＝１％）は常に導電率の値が高く、８．５Ｓｃ２．５ＣｅＳＺ材料（ＣｅＯ２＝２．５％）と６Ｓｃ５ＣｅＳＺ材料（ＣｅＯ２＝５％）は若干導電率の値が低いという結果が得られている。このことからセリア（ＣｅＯ２ ）の添加量は１モル％程度が最も望ましく、それ以上に増やす必要はないということが言える。
【００５１】
本発明は上記した実施例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。
【００５２】
さらに、本発明においてはＳｃＳＺ材料にＣｅＯ２が添加されるが、上記で参考品として示したようにＳｃＳＺ材料にＹ２Ｏ３を添加した場合にも、ＣｅＯ２ を添加した場合には劣るが、同様の効果を得ることができる。Ｙｂ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３も同様に用いることができる。ＣｅＯ２ 、Ｙ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３は、いずれか１種類を添加しても、２種類または３種類以上を添加するものであっても同様の効果が得られることは容易に推察できることである。
【００５３】
また上記実施例では、燃料電池の電解質材料として説明したが、この電解質材料の特性に鑑みれば、例えば、酸素センサなどの酸素イオン伝導を利用したデバイス類などの性能向上にも役立つものである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明に係る高イオン導電性固体電解質材料の製造工程を示すフローチャートである。
【図２】図１の製造工程により製造した固体電解質材料を用いて燃料電池（ＳＯＦＣ）の電池セルを製造する工程図である。
【図３】各種固体電解質材料（１０Ｓｃ１ＣｅＳＺ、１０Ｓｃ１ＹＳＺ、１１ＳｃＳＺ１Ａ、８ＹＳＺ）の導電率測定試験結果（温度依存性）をグラフに示した図である。
【図４】セリア（ＣｅＯ２）添加のＳｃＳＺ材料についてそのセリア（ＣｅＯ２）の添加量を変えた時の導電率測定試験結果（温度依存性）をグラフに示した図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジルコニアを主成分とし、これにスカンジア８．５〜１５モル％と、セリア０．５〜１モル％とが配合固溶されると共に、スカンジアとセリアとの合計配合量が９〜１５モル％の範囲に調製されていることを特徴とする高イオン導電性固体電解質材料。
【請求項２】
１４００℃〜１５００℃の範囲内で焼成されるものであることを特徴とする請求項１に記載の高イオン導電性固体電解質材料。
【請求項３】
請求項１または２に記載の高イオン導電性固体電解質材料を焼結してなる焼結体。
【請求項４】
固体電解質の片面に燃料極を有し、反対側面に酸素極を有する単電池セル構造を備えた固体電解質型燃料電池であって、前記固体電解質が、ジルコニアを主成分とし、これにスカンジア８．５〜１５モル％と、セリア０．５〜１モル％とが配合固溶されると共に、スカンジアとセリアとの合計配合量が９〜１５モル％の範囲に調製された材料により構成されていることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項５】
前記固体電解質は、１４００℃〜１５００℃の範囲内で焼成されていることを特徴とする請求項４に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項１】
ジルコニアを主成分とし、これにスカンジア８．５〜１５モル％と、セリア０．５〜１モル％とが配合固溶されると共に、スカンジアとセリアとの合計配合量が９〜１５モル％の範囲に調製されていることを特徴とする高イオン導電性固体電解質材料。
【請求項２】
１４００℃〜１５００℃の範囲内で焼成されるものであることを特徴とする請求項１に記載の高イオン導電性固体電解質材料。
【請求項３】
請求項１または２に記載の高イオン導電性固体電解質材料を焼結してなる焼結体。
【請求項４】
固体電解質の片面に燃料極を有し、反対側面に酸素極を有する単電池セル構造を備えた固体電解質型燃料電池であって、前記固体電解質が、ジルコニアを主成分とし、これにスカンジア８．５〜１５モル％と、セリア０．５〜１モル％とが配合固溶されると共に、スカンジアとセリアとの合計配合量が９〜１５モル％の範囲に調製された材料により構成されていることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項５】
前記固体電解質は、１４００℃〜１５００℃の範囲内で焼成されていることを特徴とする請求項４に記載の固体電解質型燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１１９３２７（Ｐ２０１２−１１９３２７Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１０９５１（Ｐ２０１２−１０９５１）
【出願日】平成２４年１月２３日（２０１２．１．２３）
【分割の表示】特願２００８−１９２９５５（Ｐ２００８−１９２９５５）の分割
【原出願日】平成１１年５月３１日（１９９９．５．３１）
【出願人】（０００２２１８３４）東邦瓦斯株式会社 (440)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１月２３日（２０１２．１．２３）
【分割の表示】特願２００８−１９２９５５（Ｐ２００８−１９２９５５）の分割
【原出願日】平成１１年５月３１日（１９９９．５．３１）
【出願人】（０００２２１８３４）東邦瓦斯株式会社 (440)
【Ｆターム（参考）】
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