JP2002358977A - Solid electrolyte material, its manufacturing method and solid electrolyte cell using the same - Google Patents
Solid electrolyte material, its manufacturing method and solid electrolyte cell using the sameInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質材料、
その製造方法およびそれを用いた固体電解質型燃料電池
に関し、さらに詳しくは、優れた耐熱性を持つととも
に、高熱伝導性ならびに高イオン伝導性を持つ固体電解
質セラミックス複合焼結体、その製造方法およびそれを
用いた固体電解質型燃料電池に関する。The present invention relates to a solid electrolyte material,
More specifically, the present invention relates to a solid electrolyte ceramic composite sintered body having excellent heat resistance, high thermal conductivity and high ionic conductivity, a method for producing the same, and a method for producing the same. The present invention relates to a solid oxide fuel cell using the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】1899年にNernstが固体電解質
を発見した後、1937年にBaurとPreisが1
000℃で固体電解質燃料電池(SOFC:solid
oxide cell)を運転して以来、固体電解質
燃料電池は進歩を続けており、出力が数kWのジルコニ
ア質セラミックス燃料電池が数万時間の運転実績を積ん
でいる。この固体電解質燃料電池は、1000℃よりも
高い高温で運転するために、炭化水素系燃料を電池内で
改質(internal reforming)するこ
とができる。このため、固体電解質燃料電池では、高い
燃焼効率(>60%)を得ることが可能であると考えら
れている。BACKGROUND OF THE INVENTION After Nernst discovered a solid electrolyte in 1899, Baur and Preis became one in 1937.
At 000 ° C, a solid electrolyte fuel cell (SOFC: solid
Oxide cells have been in operation, and solid electrolyte fuel cells have continued to make progress, and zirconia ceramics fuel cells having an output of several kW have been operating for tens of thousands of hours. This solid oxide fuel cell can reform hydrocarbon-based fuels in the cell for internal reforming in order to operate at high temperatures above 1000 ° C. For this reason, it is considered that solid combustion fuel cells can achieve high combustion efficiency (> 60%).
【0003】通常、固体電解質燃料電池は、固体電解
質、燃料極、空気極および中間層とから大略構成されて
いる。これら全ての構成材料は酸化還元雰囲気に対して
化学的に安定であり且つ適度な導電性を有する必要があ
る。そして、構成材料間の熱膨張係数は近似するととも
に、アノードとカソードとが多孔体でガスが透過できる
ことが必要である。さらに、これらの構成材料は、当然
ながら電池材料として酸化還元雰囲気に対して化学的安
定性を有するとともに、安価であることが望まれる。[0003] Usually, a solid electrolyte fuel cell generally comprises a solid electrolyte, a fuel electrode, an air electrode and an intermediate layer. All these constituent materials are required to be chemically stable to an oxidation-reduction atmosphere and have appropriate conductivity. In addition, it is necessary that the thermal expansion coefficients of the constituent materials be close to each other, and that the anode and the cathode be porous and gas can pass therethrough. Further, it is naturally desired that these constituent materials have chemical stability as a battery material in an oxidation-reduction atmosphere and are inexpensive.
【0004】そのため、セラミックス固体電解質を用い
た所謂セラミックス電池では、セラミックス材料の選択
が非常に難しくなっているうえ、燃焼器本体などの容器
にはフェライト系ステンレスなどの金属部品の有効な利
用が必要とされている。このため、低温で活性な固体電
解質や電極材料の選定が必要とされている。今後はセラ
ミックス固体電解質や電極材料の選択や新規材料の開
発、さらには電極材料の積層構造の製造技術が重要な課
題となっている。Therefore, in a so-called ceramic battery using a ceramic solid electrolyte, it is very difficult to select a ceramic material, and it is necessary to use metal parts such as ferritic stainless steel in a container such as a combustor body. It has been. For this reason, it is necessary to select a solid electrolyte and an electrode material which are active at a low temperature. In the future, the selection of ceramic solid electrolytes and electrode materials, the development of new materials, and the manufacturing technology of laminated structures of electrode materials will be important issues.
【0005】現在、固体電解質としては、安定化Zr0
2が最も盛んに研究されている。安定化剤としては、2
価のアルカリ土類元素の酸化物CaO、MgOや3価の
アルカリ土類元素の酸化物Sc2O3などやY2O3な
どの希土類酸化物などがある。ZrO2に安定化剤とし
て、アルカリ土類元素の酸化物であるCaOをドープし
たときの安定化ZrO2の特性値は800℃で0.01
(Ωcm)−1のイオン導電性を示す。At present, as a solid electrolyte, stabilized Zr0
2 are the most actively studied. As a stabilizer, 2
There are rare earth oxides such as oxides of valent alkaline earth element CaO, MgO, oxides of trivalent alkaline earth element Sc 2 O 3 , and Y 2 O 3 . As a stabilizer in ZrO 2, stabilized ZrO 2 characteristic value when CaO-doped, which is an oxide of an alkaline earth element is at 800 ° C. 0.01
(Ωcm) -1 .
【0006】また、低温域で高い酸素イオン伝導性を示
す材料としては、セリア系材料が知られている。例えば
セリアの酸化物であるCeO2では、室温から融点に至
る温度範囲で蛍石型の立方晶構造をとる。この酸化物
(CeO2)に希土類やCaOを添加すると広範囲に固
溶体を形成する。このような材料系は、KuboとH.
Obayashi(J.Electrochem.So
c.,123[3],416−419(1976)等)
により報告されている。最近の研究の中心となっている
化合物としては、CeO2−Gd2O3系のCe1-xG
dxO(2-x)/ 2がある。このCe1-xGdxO
(2-x)/2には、酸素の空孔が形成されている。この
材料系では、Ceの価数が変わるため、ビスマス系と同
様に還元性雰囲気下ではCe金属に還元されて電子伝導
性が生じ、直接固体電解質型燃料電池に利用することは
困難である。A ceria-based material is known as a material having high oxygen ion conductivity in a low temperature range. For example, CeO 2 which is an oxide of ceria has a fluorite-type cubic structure in a temperature range from room temperature to a melting point. When a rare earth element or CaO is added to this oxide (CeO 2 ), a solid solution is formed over a wide range. Such material systems are described by Kubo and H.S.
Obayashi (J. Electrochem. So
c. , 123 [3], 416-419 (1976), etc.)
Has been reported by Examples of the compound which is the center of the recent studies, CeO 2 -Gd 2 O 3 system Ce 1-x G
There is d x O (2-x) / 2 . This Ce 1-x Gd x O
At (2-x) / 2 , oxygen vacancies are formed. In this material system, the valence of Ce changes, so that it is reduced to Ce metal in a reducing atmosphere and electron conductivity occurs in a reducing atmosphere, as in the case of the bismuth system, and it is difficult to use it directly in a solid oxide fuel cell.
【0007】また、近年、ペロブスカイト型酸化物にお
いて高い酸化物イオン伝導性を示す材料が発見され、盛
んに研究開発が行われている。ペロブスカイト型酸化物
は、ABO3からなり、A、Bの2種のイオンとして
は、例えば、BaCe0.9Gd0.1、La0.9S
r0.1Ga0.8Mg0.2O3、CaAl0.7T
iO3と、SrZr0.9Sc0.1O3などがある。
特に、La1-xSrxGa1-yMgyO3系(LSGM)
では、T.Ishihara等、J.Am.Chem.
Soc.,116,3801−03(1994)、T.
Ishihara等、M.Feng and J.B.
Goodenough、Eur.J.Solid St
ate Inorg.Chem.,31,663−67
2(1994)により紹介されており、特に低温・酸化
還元雰囲気下で高い酸化物イオン伝導度が示されてい
る。[0007] In recent years, a material showing high oxide ion conductivity in perovskite oxide has been discovered, and research and development have been actively conducted. The perovskite-type oxide is composed of ABO 3 , and the two kinds of ions A and B include, for example, BaCe 0.9 Gd 0.1 and La 0.9 S
r 0.1 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 , CaAl 0.7 T
iO 3 and SrZr 0.9 Sc 0.1 O 3 .
In particular, La 1-x Sr x Ga 1-y Mg y O 3 system (LSGM)
Then, T. J. Ishihara et al. Am. Chem.
Soc. , 116, 3801-03 (1994);
Ishihara et al. Feng and J.M. B.
Goodenough, Eur. J. Solid St
ate Inorg. Chem. , 31,663-67
2 (1994), which shows high oxide ion conductivity, particularly at low temperatures and in a redox atmosphere.
【0008】[0008]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな酸化物イオン伝導体を用いた固体電解質(酸化物)
型燃料電池を自動車などの移動体の電源や小型分散電源
として使用するには、頻繁な始動停止に伴う温度変化に
耐えることができるとともに、酸素イオン伝導が開始す
る温度までの起動時間も短時間であることが要求され
る。固体電解質(酸化物)燃料電池では、セラミックス
材料で構成される部分が多く、セル構成材料の耐熱衝撃
性の向上は重要な課題となっている。特に、酸化性ガス
と燃料ガスを隔てている固体電解質膜は、熱衝撃により
破損すると爆発の危険性が高く、固体電解質材料の耐衝
撃性の向上は、非常に重要な課題である。However, a solid electrolyte (oxide) using such an oxide ion conductor is disclosed.
In order to use the fuel cell as a power source for mobile objects such as automobiles or as a small distributed power source, it can withstand temperature changes due to frequent start / stop and has a short startup time up to the temperature at which oxygen ion conduction starts. Is required. In a solid electrolyte (oxide) fuel cell, many parts are made of a ceramic material, and improvement of the thermal shock resistance of a cell constituent material is an important issue. In particular, a solid electrolyte membrane that separates an oxidizing gas and a fuel gas has a high risk of explosion if broken by thermal shock, and improving the impact resistance of a solid electrolyte material is a very important issue.
【0009】そのため、これまで燃料電池セル設計を工
夫することにより、セルにかかる熱衝撃を低減する工夫
などが主に検討されている。例えば、J.Power
Sources 71,268(1998)に示されて
いるように、固体電解質を押し出し成形によって、直径
2.4mm、厚さ200μm程度の小型で薄型のチュー
ブ上のマイクロセルを多数設置して、熱衝撃を緩和する
方法が考えられている。また、例えば、特開2000−
58102号公報に開示されているように、固体電解質
セル内の燃料ガス排出の流量を平準化して、固体電解質
などの構成材料へのヒートスポットに起因するクラック
などの発生を防止して、耐熱衝撃性を向上する試みがな
されている。[0009] For this reason, a method of reducing the thermal shock applied to the cells by devising the fuel cell design has been mainly studied. For example, J. Power
As shown in Sources 71, 268 (1998), a large number of microcells on a small and thin tube having a diameter of 2.4 mm and a thickness of about 200 μm are provided by extrusion molding of a solid electrolyte, and a thermal shock is applied. Ways to mitigate are being considered. Also, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-
As disclosed in Japanese Patent No. 58102, the flow rate of fuel gas discharge in the solid electrolyte cell is leveled to prevent the occurrence of cracks and the like due to heat spots on constituent materials such as the solid electrolyte, and Attempts have been made to improve the quality.
【0010】しかしながら、上記のいずれの場合でも耐
熱衝撃性は実際に燃料電池として作用させるには十分で
はなく、さらなる耐熱衝撃性を向上、特に固体電解質材
料自体の耐熱衝撃性の向上が望まれている。However, in any of the above cases, the thermal shock resistance is not enough to actually function as a fuel cell, and further improvement in thermal shock resistance, particularly improvement in thermal shock resistance of the solid electrolyte material itself, is desired. I have.
【0011】材料の耐熱衝撃性の向上には、材料にかか
った熱衝撃を熱のヒートスポットを作らずに材料全体に
いち早く温度を均一化できる材料、すなわち熱伝導率の
高い材料を構成材料として使用することが重要である。
固体電解質として用いられるイットリウ安定化ジルコニ
アやランタンガレートの熱伝導度はいずれも2W/mK
程度と低いため、これらの材料の熱伝導度を向上するこ
とができれば、耐熱衝撃性の向上に大きく寄与するもの
と考えられる。In order to improve the thermal shock resistance of a material, a material which can quickly equalize the temperature of the entire material without creating a heat spot of heat by applying a thermal shock to the material, that is, a material having a high thermal conductivity is used as a constituent material. It is important to use.
The thermal conductivity of yttria-stabilized zirconia or lanthanum gallate used as a solid electrolyte is 2 W / mK.
Since the thermal conductivity of these materials is low, it is considered that if the thermal conductivity of these materials can be improved, the thermal shock resistance will be greatly improved.
【0012】本発明は、このような従来の事情に鑑み、
イオン伝導度に優れるとともに、耐熱衝撃性の向上に必
要な熱伝導特性を兼ね備えた固体電解質材料、その製造
方法およびそれを用いた固体電解質型燃料電池を提供す
ることを目的とする。The present invention has been made in view of such a conventional situation,
An object of the present invention is to provide a solid electrolyte material having excellent ionic conductivity and also having heat conduction characteristics necessary for improving thermal shock resistance, a method for producing the same, and a solid oxide fuel cell using the same.
【0013】[0013]
【課題を解決するための手段】本発明は、酸化物固体電
解質の母材中に、熱伝導経路を形成する粒子群が含まれ
ていることを特徴とする。酸化物固体電解質の母材とし
ては、安定化ジルコニア系酸化物またはランタンガレー
ト系酸化物が好ましく、熱伝導経路を構成する粒子群と
しては、窒化ケイ素単結晶粒子群または窒化アルミニウ
ム粒子群、ならびにこれらの混合体を用いることが好ま
しい。さらに、粒子群の直径は、25μm±15μmで
あることが好ましい。そして、この固体電解質材料の切
断面に対して、短軸径が5μm以上の前記粒子群の面積
の合計が、線インターセプト法で測定した面積分率で、
1.5〜30面積%であることが好ましい。The present invention is characterized in that a base material of an oxide solid electrolyte contains particles forming a heat conduction path. As a base material of the oxide solid electrolyte, a stabilized zirconia-based oxide or a lanthanum gallate-based oxide is preferable, and as a particle group constituting a heat conduction path, a silicon nitride single crystal particle group or an aluminum nitride particle group, and It is preferable to use a mixture of Further, the diameter of the particle group is preferably 25 μm ± 15 μm. Then, with respect to the cut surface of the solid electrolyte material, the total area of the particle groups having a minor axis diameter of 5 μm or more is an area fraction measured by a line intercept method,
It is preferably 1.5 to 30 area%.
【0014】このように、本発明では、窒化ケイ素単結
晶が、非晶質ならびに多結晶の窒化ケイ素に比較して、
熱伝導性が著しく高い(150W/mK以上)ため、窒
化アルミニウム(230W/mK)とともに良好な熱伝
導経路を形成することができる。このように固体電解質
材料の熱伝導性を向上したことにより、耐熱衝撃性を向
上するとともに、固体電解質の酸化物イオン伝導率の低
下を招かない燃料電池用の固体電解質材料を得ることが
できる。また、これら窒化ケイ素単結晶粒子群および窒
化アルミニウム粒子群は、安定化ジルコニア系酸化物や
ランタンガレート系酸化物と、相互反応せずに化学的に
安定であるため、酸化物イオン伝導率の低下を抑制する
ことができる。As described above, according to the present invention, the silicon nitride single crystal is compared with amorphous and polycrystalline silicon nitride.
Since the heat conductivity is remarkably high (150 W / mK or more), a good heat conduction path can be formed together with aluminum nitride (230 W / mK). By improving the thermal conductivity of the solid electrolyte material in this way, it is possible to obtain a solid electrolyte material for a fuel cell that improves the thermal shock resistance and does not cause a decrease in the oxide ion conductivity of the solid electrolyte. In addition, these silicon nitride single crystal particles and aluminum nitride particles are chemically stable without interaction with stabilized zirconia-based oxides and lanthanum gallate-based oxides. Can be suppressed.
【0015】また、本発明は、固体電解質材料の製造方
法であって、窒化ケイ素単結晶粉末または窒化アルミニ
ウム粉末に、安定化ジルコニア系酸化物粉末またはラン
タンガレート系酸化物粉末を、10重量%以上50重量
%以下の割合で添加して平均粒径が2μm以上40μm
以下になるように調製してなる造粒体と、安定化ジルコ
ニア系酸化物粉末またはランタンガレート系酸化物粉末
とを前記造粒体が3重量%以上50重量%以下となるよ
うに混合した後、1350℃〜1550℃の温度範囲で
焼成して前記造粒体が熱伝導経路を形成するように焼結
させることを特徴としている。ここで、窒化ケイ素単結
晶粉末としては、粉体のアスペクト比が5以上100以
下であることが好ましい。The present invention also relates to a method for producing a solid electrolyte material, which comprises adding a stabilized zirconia-based oxide powder or a lanthanum gallate-based oxide powder to silicon nitride single crystal powder or aluminum nitride powder in an amount of 10% by weight or more. 50% by weight or less added so that the average particle size is 2 μm or more and 40 μm
After mixing the granules prepared so as to be as follows, and a stabilized zirconia-based oxide powder or a lanthanum gallate-based oxide powder, the granules are mixed so as to be 3% by weight or more and 50% by weight or less. The granules are fired in a temperature range of 1350 ° C. to 1550 ° C. and sintered so that the granules form a heat conduction path. Here, the aspect ratio of the silicon nitride single crystal powder is preferably 5 or more and 100 or less.
【0016】この発明では、粒径の異なる窒化ケイ素単
結晶または窒化アルミニウム粉末を粒子群(顆粒)とし
て所定の割合に添加して同時に焼結させる方法としたこ
とにより、窒化ケイ素単結晶もしくは窒化アルミニウム
粉末の添加割合を最小量としながらも固体電解質材料に
熱伝導特性という機能を十分に発現させることが可能な
る。すなわち、分散相として添加する窒化ケイ素単結晶
または窒化アルミニウムを、通常の粉末ではなく、適当
な粒径顆粒状にして添加するため、安定化ジルコニアま
たはランタンガレート系酸化物との反応を顆粒の最表面
に留め、顆粒内部を窒化ケイ素または窒化アルミニウム
に保ったまま焼結体を得ることができる。これにより、
焼結体中に存在する熱伝導性の高い窒化ケイ素単結晶
(窒化ケイ素粒子群)または窒化アルミニウム領域(窒
化アルミニウム粒子群)が熱を伝達する役割を果たし、
耐熱衝撃性を向上させることができる。さらに、分散相
として添加する粒子として、高純度窒化ケイ素単結晶を
用いて、粒子群を組織とすることにより、微細な窒化ケ
イ素粒子では達成することのできない高い熱伝導性を付
与することができる。そして、この製造方法で得られた
焼結体は、良好な酸化物イオン伝導特性を保ちながら高
い熱伝導特性を有するため、耐熱衝撃性に優れた燃料電
池用の固体電解質材料として用いることができる。According to the present invention, a method of adding a silicon nitride single crystal or aluminum nitride powder having a different particle size in a predetermined ratio as a group of particles (granules) and simultaneously sintering the same is employed. The function of the heat conduction property can be sufficiently exhibited in the solid electrolyte material while keeping the addition ratio of the powder to the minimum. That is, since the silicon nitride single crystal or aluminum nitride to be added as a dispersed phase is added in the form of granules having an appropriate particle size instead of ordinary powder, the reaction with the stabilized zirconia or lanthanum gallate-based oxide is performed at the end of the granulation. The sintered body can be obtained while keeping the inside of the granules with silicon nitride or aluminum nitride while keeping it on the surface. This allows
The silicon nitride single crystal having high thermal conductivity (silicon nitride particles) or the aluminum nitride region (aluminum nitride particles) present in the sintered body plays a role of transferring heat,
Thermal shock resistance can be improved. Furthermore, by using a high-purity silicon nitride single crystal as a particle to be added as a dispersed phase and forming a group of particles into a structure, high thermal conductivity that cannot be achieved with fine silicon nitride particles can be imparted. . And since the sintered body obtained by this manufacturing method has high thermal conductivity while maintaining good oxide ion conduction properties, it can be used as a solid electrolyte material for fuel cells having excellent thermal shock resistance. .
【0017】さらに、本発明は、固体電解質型燃料電池
であって、酸化物固体電解質の母材中に熱伝導経路を構
成する粒子群が含まれている固体電解質材料と、この固
体電解質材料を挟持する一対の電極とを備えてなること
を特徴としている。Further, the present invention relates to a solid oxide fuel cell, comprising a solid oxide material in which a group of particles constituting a heat conduction path is contained in a base material of an oxide solid electrolyte; And a pair of electrodes sandwiched therebetween.
【0018】この発明では、上記した固体電解質材料を
備えるため、耐熱衝撃性に優れ且つ酸化物イオン伝導率
の良好な固体電解質型燃料電池を実現することができ
る。According to the present invention, since the solid electrolyte material is provided, a solid oxide fuel cell having excellent thermal shock resistance and good oxide ion conductivity can be realized.
【0019】[0019]
【発明の効果】本発明によれば、熱伝導特性を大幅に向
上することにより、固体電解質材料の耐熱衝撃性を改善
する効果がある。According to the present invention, there is an effect that the thermal shock resistance of the solid electrolyte material is improved by greatly improving the heat conduction characteristics.
【0020】また、本発明によれば、窒化ケイ素単結晶
または窒化アルミニウム粉末を粒子群(顆粒)として所
定の割合に添加して同時に焼結させる方法としたことに
より、窒化ケイ素単結晶もしくは窒化アルミニウム粉末
の添加割合を最小量としながらも固体電解質材料に熱伝
導特性という機能を十分に発現させ効果がある。Further, according to the present invention, a method of adding a silicon nitride single crystal or aluminum nitride powder as a group of particles (granules) at a predetermined ratio and simultaneously sintering the same is adopted. Even if the addition ratio of the powder is minimized, the solid electrolyte material has the effect of sufficiently exhibiting the function of thermal conductivity.
【0021】さらに、本発明によれば、一対の電極間に
配置される固体電解質材料層の熱伝導特性を向上して耐
熱衝撃性を高めたことにより、固体電解質型燃料電池が
例えば自動車などの移動体の電源や小型分散電源として
用いられた場合に、移動体の頻繁な始動停止に伴って温
度変化を起こしても熱伝導性が良好であるため、固体電
解質型燃料電池の耐久性を向上する効果がある。Further, according to the present invention, the solid electrolyte type fuel cell can be used, for example, in automobiles by improving the thermal conductivity of the solid electrolyte material layer disposed between the pair of electrodes to enhance the thermal shock resistance. Improves the durability of solid oxide fuel cells because it has good thermal conductivity when used as a power source for mobile units or small distributed power sources, even if temperature changes occur with frequent starting and stopping of mobile units. Has the effect of doing
【0022】[0022]
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る固体電解質材
料およびその製造方法の詳細を実施の形態に基づいて説
明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The details of the solid electrolyte material according to the present invention and the method for producing the same will be described below based on embodiments.
【0023】(固体電解質材料)本発明に係る固体電解
質材料の母材は、安定化ジルコニア系酸化物とランタン
ガレート系酸化物とがある。なお、安定化ジルコニア系
酸化物としては、酸化物イオン伝導率などの各特性を考
慮すると、例えばYSZ(イットリウム安定化ジルコニ
ア)、ScSZ(スカンジウム安定化ジルコニア)、C
SZ(カルシウム安定化ジルコニア)などが好適であ
る。また、ランタンガレート系酸化物の組成は、ペロブ
スカイト構造を有しているGa系酸化物であれば特に限
定されるものではないが、酸化物イオン伝導率などの各
特性を考慮すると、La0.9Sr0 .1Ga0.8M
g0.2O3-δあるいは(La0.9Sr0.1)0.9
Ga0 .8Mg0.2O3−δのような組成を有するもの
が好適である。(Solid Electrolyte Material) The base material of the solid electrolyte material according to the present invention includes a stabilized zirconia-based oxide and a lanthanum gallate-based oxide. In addition, as the stabilized zirconia-based oxide, for example, YSZ (yttrium-stabilized zirconia), ScSZ (scandium-stabilized zirconia), C
SZ (calcium stabilized zirconia) and the like are preferred. The composition of the lanthanum gallate-based oxide is not particularly limited as long as it is a Ga-based oxide having a perovskite structure . 9 Sr 0 . 1 Ga 0.8 M
g 0.2 O 3-δ or (La 0.9 Sr 0.1 ) 0.9
Those having a composition such as Ga 0 .8 Mg 0.2 O 3- δ is preferred.
【0024】また、この実施の形態では、上記の母材に
対して窒化ケイ素単結晶粒子群または窒化アルミニウム
粒子群が熱伝導経路を構成するように含まれている。図
2は、例えばランタンガレート中に添加粒子が熱伝導経
路を略網目状に形成している状態を模式的に示してい
る。なお、図2は、略粒径の等しい添加粒子(粒子群)
が配合されて焼結された状態を示している。In this embodiment, silicon nitride single crystal particles or aluminum nitride particles are included in the base material so as to form a heat conduction path. FIG. 2 schematically shows a state in which the additive particles form a heat conduction path in a substantially mesh shape in, for example, lanthanum gallate. FIG. 2 shows additive particles (particle groups) having substantially the same particle size.
Shows the state where was mixed and sintered.
【0025】なお、窒化ケイ素単結晶としては、気相反
応法により作製された窒化ケイ素ウィスカーなどを用い
ることができる。この窒化ケイ素単結晶は、特に限定さ
れるものではないが、熱伝導率の点から、溶融ケイ素と
窒素ガスの反応により作製した内部欠陥の少ないβ型窒
化ケイ素単結晶を使用することが好ましい。As the silicon nitride single crystal, a silicon nitride whisker produced by a gas phase reaction method or the like can be used. The silicon nitride single crystal is not particularly limited, but from the viewpoint of thermal conductivity, it is preferable to use a β-type silicon nitride single crystal having few internal defects produced by a reaction between molten silicon and nitrogen gas.
【0026】(固体電解質型燃料電池)また、図1に示
すように、この実施の形態の固体電解質燃料電池1は、
本実施の形態の固体電解質材料層2と、この固体電解質
材料層2を挟持する一対の電極3、4とを備えて構成さ
れている。このような構成の固体電解質型燃料電池(単
電池)を組み合わせることにより、高出力の燃料電池を
実現することができる。なお、固体電解質型燃料電池
(単電池)1には、500〜800℃に加熱した状態で
空気と燃料を供給するようになっている。ここで、固体
電解質材料層2は、一方の電極である空気極より酸素イ
オンを他方の電極である燃料極側に運ぶ働きをすること
により起電力が生じる。(Solid Electrolyte Fuel Cell) As shown in FIG. 1, a solid electrolyte fuel cell 1 of this embodiment
It comprises a solid electrolyte material layer 2 of the present embodiment and a pair of electrodes 3 and 4 sandwiching the solid electrolyte material layer 2. By combining a solid oxide fuel cell (single cell) having such a configuration, a high-output fuel cell can be realized. Air and fuel are supplied to the solid oxide fuel cell (unit cell) 1 while being heated to 500 to 800 ° C. Here, the solid electrolyte material layer 2 functions to carry oxygen ions from the air electrode serving as one electrode to the fuel electrode side serving as the other electrode, thereby generating an electromotive force.
【0027】このような構成の固体電解質材料層2は、
部位により温度が異なる固体電解質型燃料電池1に用い
た場合に安定した特性を出すことができるものである。
また、小型ながら自動車排気管の中で用いられる酸素セ
ンサ温度変化が激しく、性能が変わりやすい状況下でも
安定して特性を出すことができるデバイスとなり得る。The solid electrolyte material layer 2 having such a structure is
When used in the solid oxide fuel cell 1 having different temperatures depending on parts, stable characteristics can be obtained.
Further, the device can be a device that can stably exhibit characteristics even in a situation where the temperature of the oxygen sensor used in the exhaust pipe of the vehicle is drastic, despite its small size, and the performance tends to change easily.
【0028】(自動車酸素センサ)このような固体電解
質材料は、図4に示すような自動車酸素センサ10に適
用することもできる。この自動車酸素センサ10は、図
4に示すように、複数の通気孔11Aが形成された容器
状のケース11内に、導電性気密シール12を介して、
標準電極(Pt)13と検出電極(Pt)14で挟まれ
た上記した材料でなる固体電解質材料層15が収納され
ている。なお、検出電極14の外側面は、保護膜16で
覆われている。また、ケース11の上部には、排ガスダ
クト壁17が周回して設けられ、ケース11の外部から
の排ガスを通気孔11Aに導くようになっている。ま
た、標準電極13の内側空間には、標準ガスSGを導入
するようになっている。(Vehicle Oxygen Sensor) Such a solid electrolyte material can also be applied to a vehicle oxygen sensor 10 as shown in FIG. As shown in FIG. 4, the vehicle oxygen sensor 10 includes a conductive hermetic seal 12 in a container-like case 11 in which a plurality of ventilation holes 11A are formed.
A solid electrolyte material layer 15 made of the above-described material sandwiched between the standard electrode (Pt) 13 and the detection electrode (Pt) 14 is housed. Note that the outer surface of the detection electrode 14 is covered with a protective film 16. An exhaust gas duct wall 17 is provided around the upper part of the case 11 so as to guide exhaust gas from outside the case 11 to the ventilation hole 11A. The standard gas SG is introduced into the space inside the standard electrode 13.
【0029】このような、自動車酸素センサ10に本発
明の固体電解質材料を適用することにより、耐久性およ
び安定性に優れた自動車酸素センサを実現することがで
きる。By applying the solid electrolyte material of the present invention to such a vehicle oxygen sensor 10, a vehicle oxygen sensor having excellent durability and stability can be realized.
【0030】このため、本実施の形態に係る固体電解質
は、上記のように高熱伝導特性を有するものであり、早
い起動特性を要求される自動車や分散電源などの燃料電
池に十分活用できるものである。For this reason, the solid electrolyte according to the present embodiment has a high heat conduction characteristic as described above, and can be sufficiently used for a fuel cell such as an automobile or a distributed power source which requires a fast start-up characteristic. is there.
【0031】(固体電解質材料の製造方法)次に、本実
施の形態に係る固体電解質材料の製造方法の実施の形態
について説明する。(Method of Manufacturing Solid Electrolyte Material) Next, an embodiment of a method of manufacturing a solid electrolyte material according to the present embodiment will be described.
【0032】(イ)窒化ケイ素単結晶粉末または窒化ア
ルミニウム粉末に、安定化ジルコニア系酸化物粉末また
はランタンガレート系酸化物粉末を、10重量%以上5
0重量%以下の割合で添加して平均粒径が2μm以上4
0μm以下になるように調製してなる造粒体を作製す
る。なお、窒化ケイ素単結晶粉末は、アスペクト比が5
以上100以下であることが好ましい。(A) Stabilized zirconia-based oxide powder or lanthanum gallate-based oxide powder is added to silicon nitride single crystal powder or aluminum nitride powder in an amount of 10% by weight or more.
0% by weight or less so that the average particle size is 2 μm or more.
A granulated body prepared to be 0 μm or less is produced. The silicon nitride single crystal powder has an aspect ratio of 5
It is preferably at least 100 and at most 100.
【0033】(ロ)次に、安定化ジルコニア系酸化物粉
末またはランタンガレート系酸化物粉末とを造粒体が3
重量%以上50重量%以下となるように混合する。(B) Next, the stabilized zirconia-based oxide powder or lanthanum gallate-based oxide powder was mixed with
It is mixed so as to be at least 50% by weight.
【0034】(ハ)その後、1350℃〜1550℃の
温度範囲で焼成して上記造粒体が熱伝導経路なす連続構
造を形成するように焼結させる。(C) Thereafter, the granules are fired in a temperature range of 1350 ° C. to 1550 ° C. and sintered so that the above-mentioned granules form a continuous structure forming a heat conduction path.
【0035】本実施の形態の製造方法では、粒径の異な
る窒化ケイ素単結晶または窒化アルミニウム粉末を粒子
群(造粒体/顆粒)として所定の割合に添加して同時に
焼結させる方法としたことにより、窒化ケイ素単結晶も
しくは窒化アルミニウム粉末の添加割合を最小量としな
がらも固体電解質材料に熱伝導特性という機能を十分に
発現させことができる。In the manufacturing method of the present embodiment, a method is adopted in which silicon nitride single crystal or aluminum nitride powder having different particle diameters are added as particles (granules / granules) at a predetermined ratio and simultaneously sintered. Thereby, the function of heat conduction properties can be sufficiently exhibited in the solid electrolyte material while the addition ratio of the silicon nitride single crystal or aluminum nitride powder is minimized.
【0036】以下に、本発明を適用した実施例および比
較例について説明する。Hereinafter, examples and comparative examples to which the present invention is applied will be described.
【0037】(実施例) (実施例1〜6、比較例4〜7)固体電解質材料の母材
(マトリックス)であるランタンガレート系酸化物は、
各原料(La2O3、SrCO3、Ga2O3、Mg
O)を秤量し、ボールミルによりアルコール中で24時
間混合した。この混合により得られたスラリーを乾燥し
た後、1150℃の温度で、6時間大気中で仮焼した。
再度ボールミルで平均粒径が0.8μm以下となるよう
にアルコール中で粉砕した後、乾燥させて母材粉末とし
た。(Examples) (Examples 1 to 6, Comparative Examples 4 to 7) A lanthanum gallate-based oxide which is a base material (matrix) of a solid electrolyte material is as follows:
Each raw material (La 2 O 3 , SrCO 3 , Ga 2 O 3 , Mg
O) was weighed and mixed in a ball mill for 24 hours in alcohol. After drying the slurry obtained by this mixing, it was calcined in the atmosphere at a temperature of 1150 ° C. for 6 hours.
The powder was again pulverized in an alcohol so as to have an average particle diameter of 0.8 μm or less by a ball mill, and then dried to obtain a base material powder.
【0038】他方、添加相としては、窒化ケイ素溶融窒
素ガス合成法で別途作製しておいた高純度窒化ケイ素単
結晶とランタンガレート系酸化物粉末を所定の割合でエ
タノール中でボールミルにて48時間混合粉砕した後、
顆粒平均粒径2±1μmから50±5μmまで震い分け
し、所定の体積比で配合しV型ブレンダーにより混合し
粒子群粉末とした。On the other hand, as an additional phase, a high-purity silicon nitride single crystal and a lanthanum gallate-based oxide powder separately prepared by a silicon nitride molten nitrogen gas synthesis method were used in a ball mill in ethanol at a predetermined ratio for 48 hours. After mixing and grinding,
The particles were shaken from an average particle size of 2 ± 1 μm to 50 ± 5 μm, mixed at a predetermined volume ratio, and mixed by a V-type blender to obtain a particle group powder.
【0039】このランタンガレート系酸化物粒子群粉末
を金型で圧粉し、静水圧プレスで2ton/cm2の圧
力で成形し、1450℃で6時間焼結して、固体電解質
を得た。This lanthanum gallate-based oxide particle group powder was compacted with a mold, molded at a pressure of 2 ton / cm 2 by a hydrostatic pressure press, and sintered at 1450 ° C. for 6 hours to obtain a solid electrolyte.
【0040】なお、焼結時には共生地のトチとアルミナ
製のサヤを用いるとよいが、トチはアルミナ製あっても
よい。因に、トチは圧粉体を焼成するときにのせる板で
あり、焼成物と熱膨張率が近似し、反応性が少ないもの
であるのが好ましい。また、サヤは焼成時に温度条件を
保持し、ほこりなどから試料を守るためのセラミックス
製の囲いである。通常、トチ、サヤ、トチ、サヤのよう
に多重に重ねて多数の試料の焼成に用いる。次いで、各
々の10×10×0.5mmの試験片を作製した。In the sintering, a co-fabric torch and an alumina sheath are preferably used, but the torch may be made of alumina. Incidentally, the tochi is a plate on which the green compact is fired, and preferably has a thermal expansion coefficient similar to that of the fired material and low reactivity. Saya is a ceramic enclosure for keeping the temperature conditions during firing and protecting the sample from dust and the like. Usually, it is used for sintering a large number of samples in a multi-layered manner such as Tochi, Saya, Tochi and Saya. Then, each 10 × 10 × 0.5 mm test piece was prepared.
【0041】比較例1(ランタンガレート単身) ランタンガレート系酸化物は、各原料(La2O3、S
rCO3、Ga2O3、MgO)を秤量し、ボールミル
を用いてアルコール中で24時間混合した。得られたス
ラリーを乾燥させた後、1150℃の温度で、6時間大
気中で仮焼した。再度ボールミルで平均粒径が0.8μ
m以下となるようにアルコール中で粉砕した後、乾燥さ
せた。Comparative Example 1 (lanthanum gallate alone) A lanthanum gallate-based oxide was prepared using various raw materials (La 2 O 3 , S
rCO 3 , Ga 2 O 3 , MgO) were weighed and mixed in an alcohol using a ball mill for 24 hours. After drying the obtained slurry, it was calcined in the air at a temperature of 1150 ° C. for 6 hours. The average particle size is 0.8μ again using a ball mill.
m and then dried in alcohol.
【0042】このランタンガレート系酸化物粉末を金型
で圧粉し、静水圧プレスで2ton/cm2の圧力で成
形し、所定の温度(1450℃)で6時間焼結して、固
体電解質を得た。The lanthanum gallate-based oxide powder was compacted with a mold, molded at a pressure of 2 ton / cm 2 by a hydrostatic press, and sintered at a predetermined temperature (1450 ° C.) for 6 hours to form a solid electrolyte. Obtained.
【0043】なお、焼結時には共生地のトチとアルミナ
製のサヤを用いるとよいが、トチはアルミナ製であって
もよい。次いで、10×10×0.5mmの試験片を作
製した。In the sintering, a co-textured torch and an alumina sheath are preferably used, but the torch may be made of alumina. Next, a test piece of 10 × 10 × 0.5 mm was prepared.
【0044】比較例2(窒化ケイ素粉末添加) ランタンガレートは、各原料(La2O3、SrC
O3、Ga2O3、MgO)を秤量し、ボールミルを用
いてアルコール中で24時間混合した。得られたスラリ
ーを乾燥させた後、1150℃の温度で、6時間大気中
で仮焼した。再度ボールミルで平均粒径が0.8μm以
下となるようにアルコール中で粉砕した後、乾燥させ
た。Comparative Example 2 (Addition of Silicon Nitride Powder) Lanthanum gallate was obtained from each raw material (La 2 O 3 , SrC
O 3 , Ga 2 O 3 , and MgO) were weighed and mixed in an alcohol using a ball mill for 24 hours. After drying the obtained slurry, it was calcined in the air at a temperature of 1150 ° C. for 6 hours. The powder was again pulverized in an alcohol so as to have an average particle diameter of 0.8 μm or less by a ball mill, and then dried.
【0045】他方、添加相としては、市販のβ-Si3
N4粉末(宇部興産社製)とランタンガレート系酸化物
粉末を所定の割合でエタノール中でボールミルにて48
時間混合粉砕した後、顆粒平均粒径2±1μmから50
±5μmまでに震い分けし、所定の体積比で配合しV型
ブレンダーにより混合して粒子群粉末とした。On the other hand, commercially available β-Si 3
N 4 48 in a ball mill powder (manufactured by Ube Industries, Ltd.) and lanthanum gallate-based oxide powder in ethanol at a predetermined ratio
After mixing and grinding for an hour, the average particle size of the granules is 2 ± 1 μm to 50
The mixture was shaken to ± 5 μm, mixed at a predetermined volume ratio, and mixed by a V-type blender to obtain a particle group powder.
【0046】このランタンガレート系酸化物粉末を金型
で圧粉し、静水圧プレスで2ton/cm2の圧力で成
形し、所定の温度(1450℃)で6時間焼結させ、固
体電解質を得た。次いで、10×10×0.5mmの試
験片を作製した。なお、焼結時には共生地のトチとアル
ミナ製のサヤを用いるとよいが、トチはアルミナ製であ
ってもよい。The lanthanum gallate-based oxide powder was compacted with a mold, molded at a pressure of 2 ton / cm 2 by a hydrostatic press, and sintered at a predetermined temperature (1450 ° C.) for 6 hours to obtain a solid electrolyte. Was. Next, a test piece of 10 × 10 × 0.5 mm was prepared. At the time of sintering, it is preferable to use a co-fabric torch and an alumina sheath, but the torch may be made of alumina.
【0047】比較例3(窒化ケイ素単結晶均一分散) 母材であるランタンガレート系酸化物は、各原料(La
2O3、SrCO3、Ga2O3、MgO)を秤量し、
ボールミルによりアルコール中で24時間混合した。得
られたスラリーを乾燥した後、1150℃、6時間大気
中で仮焼した。再度ボールミルで平均粒径が0.8μm
以下となるようにアルコール中で粉砕した後、乾燥させ
て母材粉末とした。この粉末に、所定の体積比で窒化ケ
イ素溶融窒素ガス合成方法で別途作製しておいた高純度
窒化ケイ素単結晶を配合しV型ブレンダーにより混合し
た。Comparative Example 3 (Silicon Nitride Single Crystal Uniform Dispersion) Lanthanum gallate-based oxide as a base material
2 O 3 , SrCO 3 , Ga 2 O 3 , MgO)
The mixture was mixed in an alcohol by a ball mill for 24 hours. After drying the obtained slurry, it was calcined at 1150 ° C. for 6 hours in the air. The average particle size is 0.8μm again using a ball mill
After pulverizing in alcohol as described below, it was dried to obtain a base material powder. This powder was mixed with a high-purity silicon nitride single crystal separately prepared by a silicon nitride molten nitrogen gas synthesis method at a predetermined volume ratio, and mixed with a V-type blender.
【0048】このランタンガレート粒子群粉末を金型で
圧粉し、静水圧プレスで2ton/cm2の圧力で成形
し、1450℃で6時間焼結させて固体電解質を得た。This lanthanum gallate particle group powder was compacted with a mold, molded at a pressure of 2 ton / cm 2 by a hydrostatic press, and sintered at 1450 ° C. for 6 hours to obtain a solid electrolyte.
【0049】なお、焼成時には共生地のトチとアルミナ
製のサヤを用いるとよいが、トチはアルミナ製であって
もよい。At the time of firing, it is preferable to use a co-fabric torch and an alumina sheath, but the torch may be made of alumina.
【0050】次いで、各々の10×10×0.5mmの
試験片を作製した。Next, test specimens of 10 × 10 × 0.5 mm were prepared.
【0051】特性評価 (1)粒子群微構造評価:試料をダイヤモンド粒子
(0.26μm)で研磨した後、光学顕微鏡にて行っ
た。粒子径は顕微鏡写真の4×4mmの面積に含まれる
粒子の径を平均して求めた。また、粒子群の直径は研磨
面上の窒化ケイ素粒子群を写真にとり、写真上でランダ
ムに直線を引いてこの直線が横切る全ての窒化ケイ素粒
子群の粒径を求め、この平均を窒化ケイ素粒子群の数平
均として画像解析装置により粒子群の直径を求める線イ
ンターセプト法によった。Evaluation of characteristics (1) Evaluation of microstructure of particle group: The sample was polished with diamond particles (0.26 μm) and then subjected to an optical microscope. The particle diameter was determined by averaging the diameters of the particles contained in a 4 × 4 mm area of the micrograph. The diameter of the particle group was determined by taking a photograph of the silicon nitride particle group on the polished surface, randomly drawing a straight line on the photograph, obtaining the particle diameters of all the silicon nitride particle groups intersecting the straight line, and averaging the average. The line intercept method was used to determine the diameter of the particle group by an image analyzer as the number average of the group.
【0052】(2)耐熱衝撃試験:試料をアルミナ製の
坩堝に入れ、電気炉にて500℃まで10分で昇温させ
た後、500℃で10分保持し、以後10℃/分の速度
で冷却した。取り出した試料を目視観察を行い、試料に
割れが観察されるかどうかをもって、耐熱衝撃試験とし
た。(2) Thermal shock test: A sample was placed in a crucible made of alumina, heated in an electric furnace to 500 ° C. for 10 minutes, held at 500 ° C. for 10 minutes, and thereafter at a rate of 10 ° C./min. And cooled. The removed sample was visually observed, and whether or not a crack was observed in the sample was determined as a thermal shock test.
【0053】下表1に実施例1〜実施例6、比較例1〜
比較例7の組成、添加粒子の構造、分散構造および上記
評価法に基づいて得られた耐熱衝撃試験結果を示す。The following Table 1 shows Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to
9 shows the composition of Comparative Example 7, the structure of added particles, the dispersed structure, and the results of a thermal shock test obtained based on the above evaluation method.
【0054】[0054]
【表1】 添加粒子群の効果:(実施例1と比較例1、比較例2) 窒化ケイ素単結晶粒子群の添加により、無添加の場合に
比べて耐熱衝撃性が向上している。これは、窒化ケイ素
がランタンガレート系酸化物の母材と極度の反応を起こ
さずに、窒化ケイ素単結晶粒子群が効率的に熱伝導経路
を形成していることがわかる。また、同じ窒化ケイ素材
料でも、窒化ケイ素単結晶粒子群を添加することによ
り、耐熱衝撃特性が向上している。これは、単結晶以外
の窒化ケイ素粉末では熱伝導率(40〜70W/mK程
度)が低いため、効率的に熱伝導経路とならないためで
ある。この結果から窒化ケイ素単結晶粒子群が耐熱衝撃
特性向上に非常に有効であることがわかる 粒子群構造添加効果:実施例2と比較例3 同じ窒化ケイ素単結晶粒子群添加面積比でも、粒子群と
せず均一に添加した系(比較例3)に比べて粒子群とし
て添加した系(実施例2)は、耐熱衝撃性が向上してお
り、粒子群として添加することの効果が大きいことを示
している。これは、窒化ケイ素単結晶粉末を粒子群(顆
粒)として所定の割合に添加して同時に焼結させる方法
で多相系セラミックス材料を製造することにより、窒化
ケイ素の添加割合を最小量として熱伝導特性を向上し、
耐熱衝撃特性の付与という機能を十分に発現させること
が可能となる粒子群分散微構造とすることによる効果で
ある。[Table 1] Effect of added particle group: (Example 1 and Comparative Example 1, Comparative Example 2) By adding the silicon nitride single crystal particle group, the thermal shock resistance is improved as compared with the case of no addition. This indicates that the silicon nitride single crystal particles efficiently form a heat conduction path without excessive reaction of the silicon nitride with the base material of the lanthanum gallate-based oxide. Even with the same silicon nitride material, the thermal shock resistance is improved by adding the silicon nitride single crystal particles. This is because silicon nitride powder other than a single crystal has a low thermal conductivity (about 40 to 70 W / mK) and does not efficiently serve as a heat conduction path. The results show that the silicon nitride single crystal particle group is very effective in improving the thermal shock resistance. Particle Group Structure Addition Effect: Example 2 and Comparative Example 3 Even with the same silicon nitride single crystal particle group addition area ratio, the particle group The system added as a group of particles (Example 2) has improved thermal shock resistance as compared with the system uniformly added (Comparative Example 3), indicating that the effect of adding as a group of particles is large. ing. This is because a multiphase ceramic material is produced by adding silicon nitride single crystal powder as a group of particles (granules) at a predetermined ratio and simultaneously sintering, thereby minimizing the thermal conductivity by adding silicon nitride. Improve the characteristics,
This is an effect obtained by forming a particle group dispersed microstructure capable of sufficiently exhibiting a function of imparting thermal shock resistance.
【0055】粒子群直径の効果:実施例2、5、6と比
較例6、7 添加相を25μm±15μmの窒化ケイ素粒子群とする
ことにより、耐熱衝撃性を向上することができる。粒子
群の直径が40μm以上になると、単結晶粒子による熱
拡散経路が連続せずに分散してしまうため、耐熱衝撃特
性の低下を招く。Effect of Particle Group Diameter: Examples 2, 5, 6 and Comparative Examples 6, 7 The thermal shock resistance can be improved by using the silicon nitride particle group of 25 μm ± 15 μm as the added phase. When the diameter of the particle group is 40 μm or more, the thermal diffusion path of the single crystal particles is not continuous, but is dispersed.
【0056】面積分率:実施例1〜4と比較例4、5 焼結体の切断面を観察したとき、短軸径が5μm以上で
ある窒化ケイ素粒子群の面積の合計が、線インターセプ
ト法で測定した面積分率で、1.5〜30面積%である
ものとすることがより望ましく、窒化ケイ素粒子群の面
積が小さいと十分な耐熱衝撃性を付与することができな
い傾向となるので、1.5面積%以上とすることが望ま
しく、窒化ケイ素粒子群の面積が大きいと結晶がぶつか
りあってしまうため、焼結密度が低くなる傾向となるの
で、30面積%以下とすることがより望ましい。Area fraction: Examples 1 to 4 and Comparative examples 4 and 5 When the cut surfaces of the sintered bodies were observed, the total area of the silicon nitride particles having a minor axis diameter of 5 μm or more was determined by the line intercept method. In terms of the area fraction measured in the above, it is more preferable to be 1.5 to 30 area%, and if the area of the silicon nitride particle group is small, sufficient thermal shock resistance tends to be unable to be given. When the area of the silicon nitride particles is large, the crystals collide with each other, and the sintered density tends to be low. Therefore, it is more preferable that the area be 30 area% or less. .
【0057】(実施例7〜12、比較例8〜11)母材
であるランタンガレート系酸化物は、各原料(La2O
3、SrCO3、Ga2O3 、MgO )を秤量し、ボ
ールミルによりアルコール中で24時間混合した。得ら
れたスラリーを乾燥した後、1150℃、6時間大気中
で仮焼した。再度ボールミルで平均粒径が0.8μm以
下となるようにアルコール中で粉砕した後、乾燥して母
材粉末とした。(Examples 7 to 12 and Comparative Examples 8 to 11) A lanthanum gallate-based oxide as a base material was prepared by using each raw material (La 2 O).
3 , SrCO 3 , Ga 2 O 3 , MgO ) Was weighed and mixed in a ball mill for 24 hours in alcohol. After drying the obtained slurry, it was calcined at 1150 ° C. for 6 hours in the air. The powder was again pulverized in an alcohol so as to have an average particle diameter of 0.8 μm or less by a ball mill, and then dried to obtain a base material powder.
【0058】他方、添加相としては、高純度化学社製の
窒化アルミニウム粉末とランタンガレート系酸化物粉末
を所定の割合でエタノール中でボールミルにて48時間
混合粉砕した後、顆粒平均粒径2±1μmから50±5
μmまでに震い分けし、所定の体積比で配合しV型ブレ
ンダーにより混合して粒子群粉末とした。On the other hand, as an additional phase, aluminum nitride powder and high-purity lanthanum gallate oxide powder manufactured by Kojundo Chemical Co., Ltd. were mixed and pulverized at a predetermined ratio in ethanol in a ball mill for 48 hours, and then the average particle size of the granules was 2 ± 2. From 1 μm to 50 ± 5
The mixture was shaken down to μm, mixed at a predetermined volume ratio, and mixed by a V-type blender to obtain a particle group powder.
【0059】このランタンガレート粒子群粉末を金型で
圧粉し、静水圧プレスで2ton/cm2の圧力で成形
し、1450℃で6時間焼結して、固体電解質を得た。This lanthanum gallate particle group powder was compacted with a mold, molded at a pressure of 2 ton / cm 2 by a hydrostatic press, and sintered at 1450 ° C. for 6 hours to obtain a solid electrolyte.
【0060】なお、焼結時には、共生地のトチとアルミ
ナ製のサヤを用いるとよいが、トチはアルミナ製であっ
てもよい。At the time of sintering, it is preferable to use a co-fabric torch and an alumina sheath, but the torch may be made of alumina.
【0061】次いで、各々の10×10×0.5mmの
試験片を作製した。Next, test pieces of 10 × 10 × 0.5 mm were prepared.
【0062】比較例12(窒化アルミニウム均一分散) 母材であるランタンガレート系酸化物は、各原料(La
2O3、SrCO3、Ga2O3、MgO)を秤量し、
ボールミルによりアルコール中で24時間混合した。得
られたスラリーを乾燥した後、1150℃、6時間大気
中で仮焼した。再度ボールミルで平均粒径が0.8μm
以下となるようにアルコール中で粉砕した後、乾燥し
て、母材粉末とした。この粉末に、所定の体積比で高純
度化学社製の窒化アルミニウム粉末を配合しVブレンダ
ーにより混合した。Comparative Example 12 (Aluminum Nitride Uniform Dispersion) A lanthanum gallate-based oxide as a base material
2 O 3 , SrCO 3 , Ga 2 O 3 , MgO)
The mixture was mixed in an alcohol by a ball mill for 24 hours. After drying the obtained slurry, it was calcined at 1150 ° C. for 6 hours in the air. The average particle size is 0.8μm again using a ball mill
After pulverizing in alcohol as described below, it was dried to obtain a base material powder. This powder was mixed with aluminum nitride powder manufactured by Kojundo Chemical Co., Ltd. at a predetermined volume ratio, and mixed with a V blender.
【0063】このランタンガレート粒子群粉末を金型で
圧粉し、静水圧プレスで2ton/cm2の圧力で成形
し、1450℃で6時間焼成して、固体電解質を得た。The lanthanum gallate particle group powder was compacted with a mold, molded at a pressure of 2 ton / cm 2 by a hydrostatic press, and calcined at 1450 ° C. for 6 hours to obtain a solid electrolyte.
【0064】なお、10×10×0.5mmの試験片を
作製した。A 10 × 10 × 0.5 mm test piece was prepared.
【0065】(特性評価) (1)粒子群微構造評価:試料をダイヤモンド粒子
(O.26μm)で研磨した後、光学顕微鏡にて行っ
た。粒子径は顕微鏡写真の4×4mmの面積に含まれる
粒子の径を平均して求めた。また、粒子群の直径は研磨
面上の窒化ケイ素粒子群を写真にとり、写真上でランダ
ムに直線を引いてこの直線が横切る全ての窒化ケイ素粒
子群の粒径を求め、この平均を窒化ケイ素粒子群の数平
均として画像解析装置により粒子群の粒径を求める線イ
ンターセプト法によった。(Evaluation of Characteristics) (1) Evaluation of microstructure of particle group: The sample was polished with diamond particles (0.26 μm), and then subjected to an optical microscope. The particle diameter was determined by averaging the diameters of the particles contained in a 4 × 4 mm area of the micrograph. The diameter of the particle group was determined by taking a photograph of the silicon nitride particle group on the polished surface, randomly drawing a straight line on the photograph, obtaining the particle diameters of all the silicon nitride particle groups intersecting the straight line, and averaging the average. The line intercept method was used to determine the particle size of the particle group by an image analyzer as the number average of the group.
【0066】(2)耐熱衝撃試験:試料をアルミナ製の
坩堝に入れ、電気炉にて500℃まで10分で昇温した
後、500℃で10分間保持し、その後10℃/分の速
度で冷却した。取り出した試料を目視観察を行い、試料
に割れが観察されるかどうかをもって、耐熱衝撃試験と
した。下表2に、実施例7〜12および比較例8〜12
について、上記評価法に基づいて得られたランタンガレ
ート系材料の耐熱衝撃試験の結果を示している。(2) Thermal shock test: A sample was placed in a crucible made of alumina, heated in an electric furnace to 500 ° C. for 10 minutes, held at 500 ° C. for 10 minutes, and then at a rate of 10 ° C./min. Cool. The removed sample was visually observed, and whether or not a crack was observed in the sample was determined as a thermal shock test. Table 2 below shows Examples 7 to 12 and Comparative Examples 8 to 12.
2 shows the results of a thermal shock test of a lanthanum gallate-based material obtained based on the above evaluation method.
【0067】[0067]
【表2】 添加粒子群の効果:(実施例8と比較例1) 窒化アルミ粒子群の添加により、無添加の場合に比べて
耐熱衝撃性が向上している。これは、窒化アルミニウム
がランタンガレート系酸化物材料と極度の反応を起こさ
ずに、窒化ケイ素単結晶粒子群が効率的に熱伝導経路と
なっていることによることがわかる。この結果から窒化
アルミニウム粒子群が耐熱衝撃特性の向上に非常に有効
であることがわかる。[Table 2] Effect of added particle group: (Example 8 and Comparative Example 1) By adding the aluminum nitride particle group, the thermal shock resistance is improved as compared with the case of no addition. This is because aluminum nitride does not cause an extreme reaction with the lanthanum gallate-based oxide material, and the silicon nitride single crystal particles efficiently form a heat conduction path. From this result, it can be seen that the aluminum nitride particles are very effective in improving the thermal shock resistance.
【0068】粒子群構造添加効果:実施例8と比較例1
2 同じ窒化アルミニウム単結晶粒子群面積比でも、粒子群
とせず均一に添加した系(比較例12)に比べて粒子群
として添加した系(実施例8)は、耐熱衝撃性が向上し
ており、粒子群として添加することの効果が大きいこと
を示している。これは、窒化アルミニウムを粒子群(顆
粒)として所定の割合に添加して同時に焼結させる方法
で多相系セラミックス材料を製造することにより、窒化
アルミの添加割合を最小量として熱伝導特性を向上し、
耐熱衝撃特性の付与という機能を十分に発現させること
が可能となる粒子群分散微構造とすることによる効果で
ある。Effect of adding particle group structure: Example 8 and Comparative Example 1
2. Even with the same aluminum nitride single crystal particle group area ratio, the system added as the particle group (Example 8) is improved in thermal shock resistance as compared with the system added uniformly as the particle group (Comparative Example 12). Shows that the effect of adding as a particle group is great. This is because aluminum nitride is added as a group of particles (granules) in a predetermined ratio and sintered at the same time to produce a multi-phase ceramic material, thereby improving the heat transfer characteristics by minimizing the addition ratio of aluminum nitride. And
This is an effect obtained by forming a particle group dispersed microstructure capable of sufficiently exhibiting a function of imparting thermal shock resistance.
【0069】粒子群直径の効果:実施例8、11、12
と比較例8、11 添加相を25μm±15μmの窒化ケイ素粒子群とする
ことにより、耐熱衝撃特性を向上させることができる。
粒子群の直径が40μm以上になると、単結晶粒子によ
る熱拡散経路が連続せずに分散してしまうため、耐熱衝
撃特性の低下を招く。Effects of Particle Group Diameter: Examples 8, 11, and 12
And Comparative Examples 8 and 11 By setting the added phase to a silicon nitride particle group of 25 μm ± 15 μm, the thermal shock resistance can be improved.
When the diameter of the particle group is 40 μm or more, the thermal diffusion path of the single crystal particles is not continuous, but is dispersed.
【0070】面積分率:実施例7〜10と比較例9、1
0 焼結体の切断面を観察したとき、短軸径が5μm以上で
ある窒化ケイ素粒子群の面積の合計が、線インターセプ
ト法で測定した面積分率で、1.5〜30面積%である
ものとすることがより望ましく、窒化アルミ粒子群の面
積が小さいと十分な耐熱衝撃特性を付与することができ
ない傾向となるので、1.5面積%以上とすることが望
ましく、窒化アルミ粒子群の面積が大きいと結晶がぶつ
かりあってしまうため、焼結密度が低下するという傾向
となり、30面積%以下とすることがより望ましい。Area fraction: Examples 7 to 10 and Comparative Examples 9 and 1
0 When observing the cut surface of the sintered body, the total area of the silicon nitride particles having a minor axis diameter of 5 μm or more is 1.5 to 30 area% as an area fraction measured by a line intercept method. If the area of the aluminum nitride particles is small, sufficient thermal shock resistance tends not to be imparted. Therefore, the area is preferably 1.5% by area or more. If the area is large, crystals will collide with each other, and the sintering density tends to decrease.
【0071】(実施例13〜18、比較例15〜18)
安定化ジルコニアは、市販の8モル%イットリウム安定
化ジルコニア(東ソー社製)をボールミルで平均粒径が
0.8μm以下となるようにアルコール中で粉砕した
後、乾燥して、マトリックス粉末とした。(Examples 13 to 18, Comparative Examples 15 to 18)
The stabilized zirconia was obtained by pulverizing commercially available 8 mol% yttrium-stabilized zirconia (manufactured by Tosoh Corporation) in an alcohol so as to have an average particle diameter of 0.8 μm or less by a ball mill, and then drying to obtain a matrix powder.
【0072】他方、添加相としては、窒化ケイ素溶融窒
素ガス合成方法で別途作製しておいた高純度窒化ケイ素
単結晶と安定化ジルコニア粉末を所定の割合でエタノー
ル中でボールミルにて48時間混合粉砕した後、顆粒平
均粒径2±1μmから50±5μmまでに震い分けし、
所定の体積比で配合しV型ブレンダーにより混合して粒
子群粉末とした。On the other hand, as an additional phase, a high-purity silicon nitride single crystal and a stabilized zirconia powder separately prepared by a silicon nitride molten nitrogen gas synthesizing method were mixed and pulverized in ethanol at a predetermined ratio in a ball mill for 48 hours. After that, shake the granule from 2 ± 1μm to 50 ± 5μm,
The particles were mixed at a predetermined volume ratio and mixed by a V-type blender to obtain a particle group powder.
【0073】この安定化ジルコニア粒子群粉末を金型で
圧粉し、静水圧プレスで2ton/cm2の圧力で成形
し、所定の温度(1600℃〜1800℃で6時間)で
焼結して、固体電解質を得た。This stabilized zirconia particle group powder is compacted with a mold, molded by a hydrostatic press at a pressure of 2 ton / cm 2 , and sintered at a predetermined temperature (1600 ° C. to 1800 ° C. for 6 hours). Thus, a solid electrolyte was obtained.
【0074】なお、焼結時には共生地のトチとアルミナ
製のサヤを用いるとよいが、トチはアルミナ製であって
もよい。In the sintering, it is preferable to use a co-fabric torch and an alumina sheath, but the torch may be made of alumina.
【0075】次いで、各々の10×10×0.5mmの
試験片を作製した。Next, test specimens of 10 × 10 × 0.5 mm were prepared.
【0076】比較例13(YSZ単身) 安定化ジルコニアは、市販の8モル%イットリウム安定
化ジルコニア(東ソー社製)をボールミルで平均粒径が
O.8μm以下となるようにアルコール中で粉砕した
後、乾燥させる。この安定化ジルコニア粉末を金型で圧
粉し、静水圧プレスで2ton/cm2の圧力で成形、
所定の温度で焼結して、固体電解質を得た。なお、焼結
時には共生地のトチとアルミナ製のサヤを用いるとよい
が、トチはアルミナ製であってもよい。Comparative Example 13 (YSZ alone) Stabilized zirconia was obtained by using a commercially available 8 mol% yttrium-stabilized zirconia (manufactured by Tosoh Corporation) with a ball mill having an average particle size of O.D. After pulverizing in alcohol to 8 μm or less, it is dried. This stabilized zirconia powder is compacted with a mold, and molded with a hydrostatic press at a pressure of 2 ton / cm 2 .
Sintering was performed at a predetermined temperature to obtain a solid electrolyte. At the time of sintering, it is preferable to use a co-fabric torch and an alumina sheath, but the torch may be made of alumina.
【0077】比較例14(窒化ケイ素粉末添加) 安定化ジルコニアは、市販の8モル%イットリウム安定
化ジルコニア(東ソー社製)をボールミルで平均粒径が
0.8μm以下となるようにアルコール中で粉砕した
後、この粉末に、所定の体積比で市販のβ-Si3N4
粉末(宇部興産社製)を配合しVブレンダーにより混合
した。Comparative Example 14 (Addition of Silicon Nitride Powder) Stabilized zirconia was obtained by pulverizing a commercially available 8 mol% yttrium stabilized zirconia (manufactured by Tosoh Corporation) in an alcohol so that the average particle size would be 0.8 μm or less. After that, commercially available β-Si 3 N 4 is added to the powder at a predetermined volume ratio.
Powder (made by Ube Industries) was blended and mixed by a V blender.
【0078】このランタンガレート系酸化物粉末を金型
で圧粉し、静水圧プレスで2ton/cm2の圧力で成
形し、所定の温度で焼結して、固体電解質を得た。な
お、焼結時には、共生地のトチとアルミナ製のサヤを用
いるとよいが、トチはアルミナ製であってもよい。次い
で、10×10×0.5mmの試験片を作製した。The lanthanum gallate-based oxide powder was compacted with a mold, molded at a pressure of 2 ton / cm 2 by a hydrostatic press, and sintered at a predetermined temperature to obtain a solid electrolyte. At the time of sintering, it is preferable to use co-fabric tochi and alumina sheath, but the tochi may be made of alumina. Next, a test piece of 10 × 10 × 0.5 mm was prepared.
【0079】比較例19(窒化ケイ素単結晶均一分散) 安定化ジルコニアは、市販の8モル%イットリウム安定
化ジルコニア(東ソー社製)をボールミルで平均粒径が
O.8μm以下となるようにアルコール中で粉砕した
後、乾燥させて、母材粉末とした。この粉末に、所定の
体積比で窒化ケイ素溶融窒素ガス合成方法で別途作製し
ておいた高純度窒化ケイ素単結晶を配合しV型ブレンダ
ーにより混合した。Comparative Example 19 (Silicon Nitride Single Crystal Uniform Dispersion) As the stabilized zirconia, commercially available 8 mol% yttrium stabilized zirconia (manufactured by Tosoh Corporation) was subjected to ball milling to obtain an average particle diameter of O.I. After pulverizing in alcohol to 8 μm or less, it was dried to obtain a base material powder. This powder was mixed with a high-purity silicon nitride single crystal separately prepared by a silicon nitride molten nitrogen gas synthesis method at a predetermined volume ratio, and mixed with a V-type blender.
【0080】このランタンガレート系酸化物粒子群粉末
を金型で圧粉し、静水圧プレスで2ton/cm2の圧
力で成形し、所定の温度で焼結して、固体電解質を得
た。なお、焼結時には、共生地のトチとアルミナ製のサ
ヤを用いるとよいが、トチはアルミナ製であってもよ
い。次いで、10×10×0.5mmの試験片を作製し
た。The lanthanum gallate-based oxide particle group powder was compacted with a mold, molded at a pressure of 2 ton / cm 2 by a hydrostatic press, and sintered at a predetermined temperature to obtain a solid electrolyte. At the time of sintering, it is preferable to use co-fabric tochi and alumina sheath, but the tochi may be made of alumina. Next, a test piece of 10 × 10 × 0.5 mm was prepared.
【0081】(特性評価) (1)粒子群微構造評価:試料をダイヤモンド粒子
(0.26μm)で研磨した後、光学顕微鏡にて観察を
行った。粒子径は、顕微鏡写真の4×4mmの面積に含
まれる粒子の径を平均して求めた。また、粒子群の直径
は研磨面上の窒化ケイ素粒子群を写真にとり、写真上で
ランダムに直線を引いてこの直線が横切る全ての窒化ケ
イ素粒子群の粒径を求め、この平均を窒化ケイ素粒子群
の数平均として画像解析装置により粒子群の直径を求め
る線インターセプト法によった。(Evaluation of Characteristics) (1) Evaluation of microstructure of particle group: After polishing a sample with diamond particles (0.26 μm), observation was performed with an optical microscope. The particle diameter was determined by averaging the diameters of the particles contained in a 4 × 4 mm area of the micrograph. The diameter of the particle group was determined by taking a photograph of the silicon nitride particle group on the polished surface, randomly drawing a straight line on the photograph, obtaining the particle diameters of all the silicon nitride particle groups intersecting the straight line, and averaging the average. The line intercept method was used to determine the diameter of the particle group by an image analyzer as the number average of the group.
【0082】(2)耐熱衝撃試験:試料をアルミナ製の
坩堝に入れ、電気炉にて500℃まで10分間で昇温さ
せた後、500℃で10分保持し、その後10℃/分の
速度で冷却した。取り出した試料を目視観察を行い、試
料に割れが観察されるかどうかをもって、耐熱衝撃試験
とした。下表3に、実施例13〜18および比較例13
〜19について、上記評価法にもとづいて得られたラン
タンガレート系酸化物材料の耐熱衝撃試験の結果を示
す。(2) Thermal shock test: The sample was placed in a crucible made of alumina, heated in an electric furnace to 500 ° C. for 10 minutes, held at 500 ° C. for 10 minutes, and then at a rate of 10 ° C./min. And cooled. The removed sample was visually observed, and whether or not a crack was observed in the sample was determined as a thermal shock test. Table 3 below shows Examples 13 to 18 and Comparative Example 13.
19 to 19 show the results of a thermal shock test of a lanthanum gallate-based oxide material obtained based on the above evaluation method.
【0083】[0083]
【表3】 添加粒子群の効果:(実施例13と比較例13、14) 窒化ケイ素単結晶粒子群の添加により、無添加の場合に
比べて耐熱衝撃性が向上している。これは、窒化ケイ素
が安定化ジルコニア材料と極度の反応を起こさずに、窒
化ケイ素単結晶粒子群が効率的に熱伝導経路を形成して
いることがわかる。また、同じ窒化ケイ素材料でも、窒
化ケイ素粒子群を添加することにより、耐熱衝撃性が向
上している。これは、窒化ケイ素粉末では熱伝導率(4
0〜70W/mK程度)が低いため、効率的に熱伝導経
路とならないためである。この結果から、窒化ケイ素単
結晶粒子群が耐熱衝撃特性の向上に非常に有効であるこ
とがわかる。[Table 3] Effect of additive particle group: (Example 13 and Comparative Examples 13 and 14) By adding the silicon nitride single crystal particle group, the thermal shock resistance is improved as compared with the case where no silicon nitride single crystal particle is added. This indicates that the silicon nitride single crystal particles efficiently form a heat conduction path without the silicon nitride causing an extreme reaction with the stabilized zirconia material. Even with the same silicon nitride material, the thermal shock resistance is improved by adding the silicon nitride particles. This is because the thermal conductivity of silicon nitride powder (4
(Approximately 0-70 W / mK), which does not efficiently serve as a heat conduction path. From this result, it can be seen that the silicon nitride single crystal particles are very effective in improving the thermal shock resistance.
【0084】粒子群構造添加効果:(実施例14と比較
例19) 同じ窒化ケイ素単結晶粒子群添加面積比でも、粒子群と
せず均一に添加した系(比較例19)に比べて粒子群と
して添加した系(実施例14)は、耐熱衝撃性が向上し
ており、粒子群として添加することの効果が大きいこと
を示している。これは、窒化ケイ素単結晶粉末を粒子群
(顆粒)として所定の割合の添加して同時に焼結させる
方法で多相系セラミックス材料を製造することにより、
窒化ケイ素の添加割合を最小量としながら熱伝導特性を
向上し、耐熱衝撃特性の付与という機能を十分に発現さ
せることが可能となる粒子群分散微構造とすることによ
る効果である。Effect of adding particle group structure: (Example 14 and Comparative Example 19) Even with the same silicon nitride single crystal particle group addition area ratio, a particle group was added as compared with a system (Comparative Example 19) which was not uniformly added but a particle group. The system added (Example 14) has improved thermal shock resistance, indicating that the effect of adding as a particle group is large. This is achieved by producing a multi-phase ceramic material by a method in which silicon nitride single crystal powder is added as a group of particles (granules) at a predetermined ratio and simultaneously sintered.
This is an effect obtained by providing a particle group dispersed microstructure that can improve the thermal conductivity while minimizing the addition ratio of silicon nitride and sufficiently exhibit the function of imparting thermal shock resistance.
【0085】粒子群直径の効果:(実施例14、17、
18と比較例17、18) 直径が25μm±15μmの窒化ケイ素粒子群とするこ
とにより、耐熱衝撃特性を向上することができる。粒子
群の直径が40μmを越えると、単結晶粒子による熱拡
散経路が連続せずに分散してしまうため、耐熱衝撃特性
の低下を招く。Effect of Particle Group Diameter: (Examples 14, 17,
18 and Comparative Examples 17 and 18) By using the silicon nitride particles having a diameter of 25 μm ± 15 μm, the thermal shock resistance can be improved. If the diameter of the particle group exceeds 40 μm, the thermal diffusion paths of the single crystal particles are not continuous, but are dispersed.
【0086】面積分率:実施例13〜16と比較例1
5、16 焼結体の切断面を観察したとき、短軸径が5μm以上で
ある窒化ケイ素粒子群の面積の合計が、線インターセプ
ト法で測定した面積分率で、1.5〜30面積%である
ものとすることがより望ましい。また、窒化ケイ素粒子
群の面積が小さいと十分な耐熱衝撃特性を付与すること
ができない傾向となるので、1.5面積%以上とするこ
とが望ましい。さらに、窒化ケイ素粒子群の面積が大き
いと結晶がぶつかりあってしまうため、焼結密度が低下
するという傾向となるので、30面積%以下とすること
がより望ましい。Area fraction: Examples 13 to 16 and Comparative Example 1
5, 16 When the cut surface of the sintered body was observed, the total area of the silicon nitride particles having a minor axis diameter of 5 μm or more was 1.5 to 30% by area in terms of the area fraction measured by the line intercept method. Is more preferable. If the area of the silicon nitride particles is small, sufficient thermal shock resistance tends not to be imparted. Therefore, the area is preferably 1.5% by area or more. Furthermore, if the area of the silicon nitride particles is large, the crystals will collide with each other, and the sintering density tends to decrease. Therefore, it is more preferable to set the area to 30% by area or less.
【0087】実施例18〜23、比較例17〜20 安定化ジルコニアは、市販の8モル%イットリウム安定
化ジルコニア(東ソー社製)をボールミルで平均粒径が
0.8μm以下となるようにアルコール中で粉砕した
後、乾燥させて、母材粉末とした。Examples 18 to 23 and Comparative Examples 17 to 20 Stabilized zirconia was prepared by using a commercially available 8 mol% yttrium-stabilized zirconia (manufactured by Tosoh Corporation) in an alcohol so that the average particle size would be 0.8 μm or less in a ball mill. And then dried to obtain a base material powder.
【0088】他方、添加相としては、窒化アルミニウム
粉末(高純度化学社製)と安定化ジルコニア粉末を所定
の割合でエタノール等に溶解させてボールミルにて48
時間混合粉砕した後、顆粒平均粒径2±1μmから50
±5μmまでに震い分けし、所定の体積比で配合しV型
ブレンダーにより混合して粒子群粉末とした。On the other hand, as an additive phase, aluminum nitride powder (manufactured by Kojundo Chemical Co., Ltd.) and stabilized zirconia powder are dissolved in ethanol or the like at a predetermined ratio, and the mixture is subjected to 48 ball milling.
After mixing and grinding for an hour, the average particle size of the granules is 2 ± 1 μm to 50
The mixture was shaken to ± 5 μm, mixed at a predetermined volume ratio, and mixed by a V-type blender to obtain a particle group powder.
【0089】この安定化ジルコニア粒子群粉末を金型で
圧粉し、静水圧プレスで2ton/cm2の圧力で成形
し、所定の温度(1600℃〜1800℃)で6時間焼
結して、固体電解質を得た。なお、焼結時には共生地の
トチとアルミナ製のサヤを用いるとよいが、トチはアル
ミナ製であってもよい。次いで、各々の10×10×
0.5mmの試験片を作製した。The stabilized zirconia particle group powder was compacted with a mold, molded at a pressure of 2 ton / cm 2 by a hydrostatic press, and sintered at a predetermined temperature (1600 ° C. to 1800 ° C.) for 6 hours. A solid electrolyte was obtained. At the time of sintering, it is preferable to use a co-fabric torch and an alumina sheath, but the torch may be made of alumina. Then each 10 × 10 ×
A test piece of 0.5 mm was prepared.
【0090】比較例24(窒化アルミニウム均一分散) 安定化ジルコニアは、市販の8モル%イットリウム安定
化ジルコニア(東ソー社製)をボールミルで平均粒径が
0.8μm以下となるようにアルコール中で粉砕した
後、乾燥して、母材粉末とした。この粉末に、所定の体
積比で高純度化学社製の窒化アルミニウム粉末を配合し
V型ブレンダーで混合した。この安定化ジルコニア粉末
を金型で圧粉し、静水圧プレスで2ton/cm2の圧
力で成形し、1450℃で6時間焼結して、固体電解質
を得た。なお、焼結時には共生地のトチとアルミナ製の
サヤを用いるとよいが、トチはアルミナ製であってもよ
い。次いで、10×10×0.5mmの試験片を作製し
た。Comparative Example 24 (Aluminum Nitride Uniform Dispersion) Stabilized zirconia was obtained by pulverizing commercially available 8 mol% yttrium stabilized zirconia (manufactured by Tosoh Corporation) in an alcohol so that the average particle size would be 0.8 μm or less. After that, it was dried to obtain a base material powder. An aluminum nitride powder manufactured by Kojundo Chemical Co., Ltd. was blended with this powder in a predetermined volume ratio and mixed with a V-type blender. This stabilized zirconia powder was compacted with a mold, molded by a hydrostatic press at a pressure of 2 ton / cm 2 , and sintered at 1450 ° C. for 6 hours to obtain a solid electrolyte. At the time of sintering, it is preferable to use a co-fabric torch and an alumina sheath, but the torch may be made of alumina. Next, a test piece of 10 × 10 × 0.5 mm was prepared.
【0091】下表4は、実施例19〜24および比較例
13、20〜24について、上記評価法に基づいて得ら
れた安定化ジルコニア材料の耐熱衝撃特性の結果を示し
ている。Table 4 below shows the results of the thermal shock resistance of the stabilized zirconia material obtained based on the above evaluation method for Examples 19 to 24 and Comparative Examples 13 and 20 to 24.
【0092】[0092]
【表4】 添加粒子群の効果:実施例20と比較例13 窒化アルミニウム粒子群の添加により、無添加の場合に
比べて耐熱衝撃性が向上している。これは、窒化アルミ
ニウムが安定化ジルコニア母材と極度の反応を起こさず
に、窒化ケイ素単結晶粒子群が効率的に熱伝導経路とな
っていることによることがわかる。この結果から窒化ア
ルミニウム粒子群が耐熱衝撃特性向上に非常に有効であ
ることがわかる。[Table 4] Effect of added particle group: Example 20 and Comparative Example 13 By adding the aluminum nitride particle group, the thermal shock resistance is improved as compared with the case without the addition. This is because aluminum nitride does not cause an extreme reaction with the stabilized zirconia base material, and the silicon nitride single crystal particles efficiently form a heat conduction path. From these results, it can be seen that the aluminum nitride particles are very effective in improving the thermal shock resistance.
【0093】粒子群構造添加効果:実施例20と比較例
24 同じ窒化アルミニウム単結晶粒子群面積比でも、粒子群
とせず均一に添加した系(比較例24)に比べて粒子群
として添加した系(実施例20)は、耐熱衝撃性が向上
しており、粒子群として添加することの効果が大きいこ
とを示している。これは、窒化アルミニウムを粒子群
(顆粒)として所定の割合に添加して同時に焼結させる
方法で多相系セラミックス材料を製造することにより、
窒化アルミニウムの添加割合を最小量として熱伝導特性
を向上し、耐熱衝撃特性の付与という機能を十分に発現
させることが可能となる粒子群分散微構造とすることに
よる効果である。Effect of adding particle group structure: Example 20 and Comparative Example 24 Even with the same aluminum nitride single crystal particle group area ratio, a system in which particles were added as a particle group compared to a system in which particles were not uniformly added but a uniform group (Comparative Example 24) (Example 20) shows that the thermal shock resistance is improved and the effect of adding as a particle group is large. This is by producing a multi-phase ceramic material by a method in which aluminum nitride is added as a group of particles (granules) at a predetermined ratio and simultaneously sintered.
This is an effect obtained by using a particle group-dispersed microstructure capable of improving the heat conduction characteristics by minimizing the addition ratio of aluminum nitride and sufficiently exhibiting the function of imparting thermal shock resistance.
【0094】粒子群直径の効果:実施例20、23、2
4と比較例20、23 直径が25μm±15μmの窒化ケイ素粒子群とするこ
とにより、耐熱衝撃特性を向上することができる。粒子
群の直径が40μm以上になると、単結晶粒子による熱
拡散経路が連続せずに分散してしまうため、耐熱衝撃特
性の低下を招く。Effect of particle group diameter: Examples 20, 23, 2
4 and Comparative Examples 20 and 23 By using silicon nitride particles having a diameter of 25 μm ± 15 μm, the thermal shock resistance can be improved. When the diameter of the particle group is 40 μm or more, the thermal diffusion path of the single crystal particles is not continuous, but is dispersed.
【0095】面積分率:実施例19〜22と比較例2
1、22 焼結体の切断面を観察したと、短軸径が5μm以上であ
る窒化ケイ素粒子群の面積の合計が、線インターセプト
法で測定した面積分率で、1.5〜30面積%であるも
のとすることがより望ましく、窒化アルミニウム粒子群
の面積が小さいと十分な耐熱衝撃特性を付与することが
できない傾向となるので、1.5面積%以上とすること
が望ましく、さらに、窒化アルミニウム粒子群の面積が
大きいと結晶がぶつかりあってしまうため、焼結密度が
低下するという傾向となるので、30面積%以下とする
ことがより望ましい。Area fraction: Examples 19 to 22 and Comparative Example 2
1,22 Observation of the cut surface of the sintered body revealed that the total area of the silicon nitride particles having a minor axis diameter of 5 μm or more was 1.5 to 30 area% as the area fraction measured by the line intercept method. If the area of the aluminum nitride particles is small, sufficient thermal shock resistance tends not to be imparted. Therefore, the area is preferably 1.5% by area or more. If the area of the aluminum particle group is large, the crystals collide with each other, and the sintering density tends to decrease. Therefore, it is more preferable to set the area to 30% by area or less.
【0096】以上、本発明の実施の形態および実施例に
ついて説明したが、上記の実施の形態の開示の一部をな
す論述および図面はこの発明を限定するものであると理
解するべきではない。この開示から当業者には様々な代
替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろ
う。Although the embodiments and examples of the present invention have been described above, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of the disclosure of the above embodiments limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples, and operation techniques will be apparent to those skilled in the art.
【0097】例えば、上記した実施の形態では、安定化
ジルコニア系酸化物として、YSZ(イットリウム安定
化ジルコニア)、ScSZ(スカンジウム安定化ジルコ
ニア)、CSZ(カルシウム安定化ジルコニア)を挙げ
たが、他の安定化ジルコニアを適用することも勿論可能
である。For example, in the above-described embodiment, YSZ (yttrium-stabilized zirconia), ScSZ (scandium-stabilized zirconia), and CSZ (calcium-stabilized zirconia) have been described as stabilized zirconia-based oxides. It is of course possible to apply stabilized zirconia.
【0098】また、上記した実施の形態では、ランタン
ガレート系酸化物としてLa0.9Sr0.1Ga
0.8Mg0.2O3-δあるいは(La0.9Sr
0.1)0.9Ga0.8Mg0.2O3−δのような組成
を有するものを挙げたが、ペロブスカイト構造を有して
いるGa系酸化物であれば特に限定されるものではな
い。In the above-described embodiment, La 0.9 Sr 0.1 Ga is used as the lanthanum gallate-based oxide.
0.8 Mg 0.2 O 3-δ or (La 0.9 Sr
0.1 ) An oxide having a composition such as 0.9 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3-δ was mentioned, but it is not particularly limited as long as it is a Ga-based oxide having a perovskite structure. is not.
【0099】さらに、上記した実施の形態では、窒化ケ
イ素単結晶粒子群または窒化アルミニウム粒子群をそれ
ぞれ添加する構成であるが、窒化ケイ素単結晶粒子群と
窒化アルミニウム粒子群とを母材中に混ぜて添加する構
成としてもよい。Further, in the above embodiment, the silicon nitride single crystal particles or the aluminum nitride particles are added, respectively. However, the silicon nitride single crystal particles and the aluminum nitride particles are mixed in the base material. It may be configured to be added by adding.
【図1】本発明に係る固体電解質型燃料電池の実施の形
態を示す説明図である。FIG. 1 is an explanatory view showing an embodiment of a solid oxide fuel cell according to the present invention.
【図2】本発明に係る固体電解質材料の構造を模式的に
示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory view schematically showing a structure of a solid electrolyte material according to the present invention.
【図3】本発明に係る固体電解質材料を自動車酸素セン
サに適用した例を示す断面図である。FIG. 3 is a sectional view showing an example in which the solid electrolyte material according to the present invention is applied to an automobile oxygen sensor.
1 固体電解質型燃料電池 2 ランタンガレート系固体電解質層 3、4 電極 REFERENCE SIGNS LIST 1 solid oxide fuel cell 2 lanthanum gallate solid electrolyte layer 3, 4 electrodes
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宗像 文男 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 秦野 正治 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 Fターム(参考) 4G031 AA04 AA07 AA08 AA12 AA38 BA03 BA07 BA23 CA01 CA04 GA01 GA03 GA14 5H026 AA06 BB01 BB08 CC01 CV02 CX05 EE11 EE12 HH00 HH01 HH02 HH05 HH08 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Fumio Munakata 2 Takaracho, Kanagawa-ku, Yokohama, Kanagawa Prefecture, Nissan Motor Co., Ltd. (72) Inventor Shoji Hatano 2 Takaracho, Kanagawa-ku, Yokohama City, Kanagawa Nissan Motor Co. Terms (reference) 4G031 AA04 AA07 AA08 AA12 AA38 BA03 BA07 BA23 CA01 CA04 GA01 GA03 GA14 5H026 AA06 BB01 BB08 CC01 CV02 CX05 EE11 EE12 HH00 HH01 HH02 HH05 HH08
Claims (8)
路を形成する粒子群が含まれていることを特徴とする固
体電解質材料。1. A solid electrolyte material characterized in that a matrix of particles forming a heat conduction path is contained in a base material of the oxide solid electrolyte.
またはランタンガレート系酸化物からなることを特徴と
する請求項1記載の固体電解質材料。2. The solid electrolyte material according to claim 1, wherein the base material is made of a stabilized zirconia-based oxide or a lanthanum gallate-based oxide.
および/または窒化アルミニウム粒子群からなることを
特徴とする請求項1または請求項2に記載された固体電
解質材料。3. The solid electrolyte material according to claim 1, wherein the particle group comprises a silicon nitride single crystal particle group and / or an aluminum nitride particle group.
の前記粒子群とを主体とする多相系セラミックスからな
ること特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記
載された固体電解質材料。4. The base material having a diameter of 25 μm ± 15 μm.
The solid electrolyte material according to any one of claims 1 to 3, wherein the solid electrolyte material is made of a multiphase ceramic mainly composed of the particles.
前記粒子群の面積の合計が、線インターセプト法で測定
した面積分率で、1.5〜30面積%であることを特徴
とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載された固
体電解質材料。5. A method according to claim 1, wherein the total area of the particle groups having a minor axis diameter of 5 μm or more with respect to the cut surface is 1.5 to 30 area% as an area fraction measured by a line intercept method. The solid electrolyte material according to any one of claims 1 to 4, wherein
ニウム粉末に、安定化ジルコニア系酸化物粉末またはラ
ンタンガレート系酸化物粉末を、10重量%以上50重
量%以下の割合で添加して平均粒径が2μm以上40μ
m以下になるように調製してなる造粒体と、安定化ジル
コニア系酸化物粉末またはランタンガレート系酸化物粉
末とを前記造粒体が3重量%以上50重量%以下となる
ように混合した後、1350℃〜1550℃の温度範囲
で焼成して前記造粒体が熱伝導経路を形成するように焼
結させることを特徴とする固体電解質材料の製造方法。6. A stabilized zirconia-based oxide powder or a lanthanum gallate-based oxide powder is added to a silicon nitride single crystal powder or an aluminum nitride powder at a ratio of 10% by weight or more and 50% by weight or less to obtain an average particle size. 2μm or more and 40μ
m and a stabilized zirconia-based oxide powder or a lanthanum gallate-based oxide powder were mixed with each other so that the granulated body was 3% by weight or more and 50% by weight or less. And baking at a temperature in the range of 1350 ° C. to 1550 ° C. to sinter the granules so as to form a heat conduction path.
ト比が5以上100以下であることを特徴とする請求項
6記載の固体電解質材料の製造方法。7. The method for producing a solid electrolyte material according to claim 6, wherein the silicon nitride single crystal powder has an aspect ratio of 5 or more and 100 or less.
された固体電解質材料と、該固体電解質材料を挟持する
一対の電極とを備えてなることを特徴とする固体電解質
型燃料電池。8. A solid electrolyte fuel cell, comprising: the solid electrolyte material according to claim 1; and a pair of electrodes sandwiching the solid electrolyte material.
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JP2001166998A JP2002358977A (en) | 2001-06-01 | 2001-06-01 | Solid electrolyte material, its manufacturing method and solid electrolyte cell using the same |
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JP2011507174A (en) * | 2007-12-10 | 2011-03-03 | ホガナス アクチボラグ (パブル) | Fuel cell electrolyte powder |
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2001
- 2001-06-01 JP JP2001166998A patent/JP2002358977A/en active Pending
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