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JP7617982B2 - Solid electrolyte and solid electrolyte joint - Google Patents
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Description

本発明は固体電解質及び固体電解質接合体に関する。本発明の固体電解質及び固体電解質接合体は、その酸化物イオン伝導性を利用した様々な分野に利用される。 The present invention relates to a solid electrolyte and a solid electrolyte joint. The solid electrolyte and the solid electrolyte joint of the present invention are used in various fields that utilize their oxide ion conductivity.

酸化物イオン伝導性の固体電解質が種々知られている。かかる固体電解質は、例えば酸素透過素子、燃料電池の電解質、及びガスセンサなどとして様々な分野で用いられている。例えば特許文献1には、アノード側電極とカソード側電極との間にアパタイト型複合酸化物からなる固体電解質が介装された電解質・電極接合体が記載されている。カソード側電極と固体電解質との間には、酸化物イオン伝導が等方性を示す中間層が介装されている。中間層は、サマリウム、イットリウム、ガドリニウム又はランタンがドープされた酸化セリウムからなる。固体電解質は、LaSi1.5X+12(8≦X≦10)からなる。この電解質・電極接合体によれば、固体酸化物形燃料電池の発電性能が向上すると、同文献には記載されている。 Various oxide ion conductive solid electrolytes are known. Such solid electrolytes are used in various fields, for example, as oxygen permeation elements, electrolytes for fuel cells, and gas sensors. For example, Patent Document 1 describes an electrolyte-electrode assembly in which a solid electrolyte made of an apatite-type composite oxide is interposed between an anode electrode and a cathode electrode. An intermediate layer exhibiting isotropic oxide ion conduction is interposed between the cathode electrode and the solid electrolyte. The intermediate layer is made of cerium oxide doped with samarium, yttrium, gadolinium, or lanthanum. The solid electrolyte is made of La x Si 6 O 1.5X+12 (8≦X≦10). The document describes that this electrolyte-electrode assembly improves the power generation performance of a solid oxide fuel cell.

特開2013-51101号公報JP 2013-51101 A

特許文献1に記載のとおり、酸化物イオン伝導性の固体電解質を利用したデバイスは種々提案されているものの、デバイス全体で評価した場合、固体電解質が本来的に有している酸化物イオン伝導性を十分に引き出しているとは言えなかった。特に、固体電解質自体の酸化物イオン伝導性が高い場合であっても、固体電解質と電極との界面における電気抵抗が高くなってしまい、デバイス全体としての電気抵抗が高くなる場合がある。 As described in Patent Document 1, various devices using oxide-ion conductive solid electrolytes have been proposed, but when evaluated as a whole device, it cannot be said that the oxide-ion conductivity inherent to the solid electrolyte is fully utilized. In particular, even if the solid electrolyte itself has high oxide-ion conductivity, the electrical resistance at the interface between the solid electrolyte and the electrode may become high, resulting in high electrical resistance for the entire device.

したがって本発明の課題は、固体電解質を備えたデバイスの電気抵抗を低減し得る固体電解質及び該固体電解質を備えた固体電解質接合体を提供することにある。 The object of the present invention is therefore to provide a solid electrolyte capable of reducing the electrical resistance of a device having a solid electrolyte and a solid electrolyte junction having the solid electrolyte.

前記の課題を解決すべく本発明者は鋭意検討した結果、特定の結晶構造を有するアパタイト型複合酸化物を固体電解質として用いることで、前記の課題が解決されることを知見した。本発明はこの知見に基づきなされたものであり、酸化物イオン伝導性を有するアパタイト型複合酸化物からなり、X線回折測定によって得られる004のピーク強度I004に対する002のピーク強度I002の比であるI002/I004の値が0.3以上0.8以下である固体電解質を提供することにより前記の課題を解決したものである。 As a result of intensive research by the present inventors to solve the above problems, it was found that the above problems can be solved by using an apatite-type composite oxide having a specific crystal structure as a solid electrolyte. The present invention was made based on this finding, and solves the above problems by providing a solid electrolyte made of an apatite-type composite oxide having oxide ion conductivity, in which the value I 002 /I 004 , which is the ratio of the 002 peak intensity I 002 to the 004 peak intensity I 004 obtained by X-ray diffraction measurement, is 0.3 to 0.8.

また本発明は、前記の固体電解質と、金属酸化物の中間層又は金属電極層とが接合されてなる固体電解質接合体を提供するものである。 The present invention also provides a solid electrolyte joint in which the above-mentioned solid electrolyte is joined to a metal oxide intermediate layer or a metal electrode layer.

図1は、本発明の固体電解質を備えたデバイスの一実施形態を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing one embodiment of a device including a solid electrolyte of the present invention. 図2は、本発明の固体電解質を備えたデバイスの別の実施形態を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing another embodiment of a device including a solid electrolyte of the present invention. 図3は、本発明の固体電解質を備えたデバイスの更に別の実施形態を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing still another embodiment of a device including a solid electrolyte of the present invention.

以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき説明する。本発明の固体電解質は酸化物イオン伝導性を有するアパタイト型複合酸化物からなる。固体電解質は、酸化物イオンがキャリアとなる導電体である。 The present invention will be described below based on its preferred embodiments. The solid electrolyte of the present invention is made of an apatite-type composite oxide having oxide ion conductivity. The solid electrolyte is a conductor in which oxide ions serve as carriers.

アパタイト型複合酸化物としては、例えばランタン及びケイ素を含む複合酸化物が挙げられる。このアパタイト型複合酸化物としては、三価元素であるランタン(La)と、四価元素であるケイ素(Si)と、酸素(O)とを含有し、その組成がLaSi1.5x+12(xは8以上10以下の数を表す。)で表されるものが、酸化物イオン伝導性が高い点から好ましい。このアパタイト型複合酸化物の最も好ましい組成は、La9.33Si26である。この複合酸化物は、例えば特開2013-51101号公報に記載の方法に従い製造することができる。 Examples of the apatite-type complex oxide include complex oxides containing lanthanum and silicon. As the apatite-type complex oxide, those containing lanthanum (La), a trivalent element, silicon (Si), a tetravalent element, and oxygen (O), and having a composition represented by La x Si 6 O 1.5x+12 (x represents a number of 8 or more and 10 or less), are preferred from the viewpoint of high oxide ion conductivity. The most preferred composition of this apatite-type complex oxide is La 9.33 Si 6 O 26. This complex oxide can be produced, for example, according to the method described in JP-A-2013-51101.

アパタイト型複合酸化物の別の例として、一般式(1):A9.33+x[T6.00-yy]O26.0+zで表される複合酸化物が挙げられる。この複合酸化物もアパタイト型構造を有するものである。式中のAは、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Yb、Lu、Be、Mg、Ca、Sr及びBaからなる群から選ばれた一種又は二種以上の元素である。式中のTは、Si若しくはGe又はその両方を含む元素である。式中のMは、Mg、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ga、Zr、Ta、Nb、B、Ge、Zn、Sn、W及びMoからなる群から選ばれた一種又は二種以上の元素である。c軸配向性を高める観点から、MはB、Ge及びZnからなる群から選ばれる一種又は二種以上の元素であることが好ましい。 Another example of the apatite-type complex oxide is a complex oxide represented by the general formula (1): A9.33+x [ T6.00-yMy ] O26.0+z . This complex oxide also has an apatite-type structure. In the formula, A is one or more elements selected from the group consisting of La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, Lu, Be, Mg, Ca, Sr, and Ba. In the formula, T is an element containing Si or Ge, or both. In the formula, M is one or more elements selected from the group consisting of Mg, Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Ga, Zr, Ta, Nb, B, Ge, Zn, Sn, W, and Mo. From the viewpoint of enhancing the c-axis orientation, M is preferably one or more elements selected from the group consisting of B, Ge and Zn.

式中のxは、配向度及び酸化物イオン伝導性を高める観点から、-1.33以上1.50以下であることが好ましく、0.00以上0.70以下であることが更に好ましく、0.45以上0.65以下であることが一層好ましい。式中のyは、アパタイト型結晶格子におけるT元素位置を埋める観点から、0.00以上3.00以下であることが好ましく、0.40以上2.00以下であることが更に好ましく、0.40以上1.00以下であることが一層好ましい。式中のzは、アパタイト型結晶格子内での電気的中性を保つという観点から、-5.00以上5.20以下であることが好ましく、-2.00以上1.50以下であることが更に好ましく、-1.00以上1.00以下であることが一層好ましい。 In the formula, x is preferably -1.33 or more and 1.50 or less, more preferably 0.00 or more and 0.70 or less, and even more preferably 0.45 or more and 0.65 or less, from the viewpoint of increasing the degree of orientation and oxide ion conductivity. In the formula, y is preferably 0.00 or more and 3.00 or less, more preferably 0.40 or more and 2.00 or less, and even more preferably 0.40 or more and 1.00 or less, from the viewpoint of filling the T element position in the apatite type crystal lattice. In the formula, z is preferably -5.00 or more and 5.20 or less, more preferably -2.00 or more and 1.50 or less, and even more preferably -1.00 or more and 1.00 or less, from the viewpoint of maintaining electrical neutrality in the apatite type crystal lattice.

前記式中、Tのモル数に対するAのモル数の比率、言い換えれば前記式における(9.33+x)/(6.00-y)は、アパタイト型結晶格子における空間的な占有率を保つ観点から、1.33以上3.61以下であることが好ましく、1.40以上3.00以下であることが更に好ましく、1.50以上2.00以下であることが一層好ましい。 In the above formula, the ratio of the number of moles of A to the number of moles of T, in other words (9.33+x)/(6.00-y) in the above formula, is preferably 1.33 or more and 3.61 or less, more preferably 1.40 or more and 3.00 or less, and even more preferably 1.50 or more and 2.00 or less, from the viewpoint of maintaining the spatial occupancy rate in the apatite-type crystal lattice.

前記の一般式(1)で表される複合酸化物のうち、Aがランタンである複合酸化物、すなわちLa9.33+x[T6.00-yy]O26.0+zで表される複合酸化物を用いると、酸化物イオン伝導性が一層高くなる観点から好ましい。La9.33+x[T6.00-yy]O26.0+zで表される複合酸化物の具体例としては、La9.33+x(Si4.701.30)O26.0+z、La9.33+x(Si4.70Ge1.30)O26.0+z、La9.33+x(Si4.70Zn1.30)O26.0+z、La9.33+x(Si4.701.30)O26.0+z、La9.33+x(Si4.70Sn1.30)O26.0+x、La9.33+x(Ge4.701.30)O26.0+zなどを挙げることができる。前記の一般式(1)で表される複合酸化物は、例えばUS2018/183068A1に記載の方法に従い製造することができる。 Among the composite oxides represented by the general formula (1), it is preferable to use a composite oxide in which A is lanthanum, that is, a composite oxide represented by La9.33+x [ T6.00-yMy ] O26.0+z , from the viewpoint of further increasing the oxide ion conductivity. Specific examples of the composite oxide represented by La9.33 + x [ T6.00 - yMy ]O26.0 + z include La9.33+x( Si4.70B1.30 ) O26.0+ z, La9.33+x ( Si4.70Ge1.30) O26.0+z , La9.33+x(Si4.70Zn1.30)O26.0+z, La9.33+x(Si4.70W1.30)O26.0+z, La9.33+ x ( Si4.70Sn1.30 ) O26.0 + x , La9.33 + x ( Ge4.70B 1.30 )O 26.0+z , etc. The composite oxide represented by the general formula (1) can be produced, for example, according to the method described in US 2018/183068 A1.

アパタイト型複合酸化物として、上述したいずれのものを用いる場合であっても、該複合酸化物はランタンを含むものであることが、本発明の固体電解質を含むデバイスの電気抵抗を効果的に低減させ得る点から好ましい。また、いずれのアパタイト型複合酸化物を用いる場合であっても、該複合酸化物はc軸に配向していることが好ましい。c軸に配向しているとは、アパタイト型複合酸化物が多結晶体である場合、結晶軸がc軸に沿って揃っているという意味である。更にアパタイト型複合酸化物が単結晶で存在するときには、そのc軸方向がデバイスにおける酸化物イオンの伝導方向と一致させることが可能となる。 Whether any of the above-mentioned apatite-type complex oxides is used as the apatite-type complex oxide, it is preferable that the complex oxide contains lanthanum, since this can effectively reduce the electrical resistance of the device containing the solid electrolyte of the present invention. In addition, regardless of which apatite-type complex oxide is used, it is preferable that the complex oxide is oriented along the c-axis. Oriented along the c-axis means that when the apatite-type complex oxide is polycrystalline, the crystal axis is aligned along the c-axis. Furthermore, when the apatite-type complex oxide exists as a single crystal, it is possible to make the c-axis direction coincide with the conduction direction of oxide ions in the device.

アパタイト型複合酸化物は、これをX線回折測定したときに、該測定によって得られる004のピーク強度I004に対する002のピーク強度I002の比であるI002/I004の値が0.3以上0.8以下である点に特徴の1つを有する。これまで、c軸に強く配向したアパタイト型複合酸化物は、これをX線回折測定すると、00x(xは2以上の偶数を示す。)以外の回折ピーク強度が非常に小さく、定量的な解析が難しいという課題があった。しかし、本発明者は、002及び004の回折ピークの強度比が欠損部位の量を強く反映するという知見を得、更にその強度比が特定の範囲にあるアパタイト型複合酸化物は電極層との界面抵抗が低くなり、デバイス全体としての電気抵抗を低下させるものであることを見出した。特にアパタイト型複合酸化物がランタンを含むものである場合、該複合酸化物がアパタイト型の結晶構造を維持しつつランタンが欠損すると、電荷のバランスを保つようにするために構造中の酸素も欠損する。酸素欠損が生じると、酸化物イオンが移動しやすくなり酸化物イオンの伝導性が向上し、ひいては該複合酸化物と電極層との界面抵抗が一層低くなると本発明者は考えている。また、ランタン以外のAについても、アパタイト型複合酸化物中においてランタンと同じ結晶サイトに入り易いため、上述と同様の機構が発現すると考えられる。このように本発明は、固体電解質と接合される中間層や電極層に起因するのではなく、固体電解質そのものの結晶構造に起因して酸化物イオン伝導性を高めようとするものである。 One of the characteristics of the apatite-type complex oxide is that, when the apatite-type complex oxide is subjected to X-ray diffraction measurement, the ratio of the peak intensity I 002 of 002 to the peak intensity I 004 of 004, I 002 /I 004 , is 0.3 or more and 0.8 or less. Until now, when the apatite-type complex oxide strongly oriented to the c-axis is subjected to X-ray diffraction measurement, the diffraction peak intensity other than 00x (x is an even number of 2 or more) is very small, making quantitative analysis difficult, which is a problem. However, the present inventor has found that the intensity ratio of the diffraction peaks of 002 and 004 strongly reflects the amount of defective sites, and further found that an apatite-type complex oxide having an intensity ratio within a specific range has a low interface resistance with the electrode layer and reduces the electrical resistance of the device as a whole. In particular, when the apatite-type complex oxide contains lanthanum, when the complex oxide maintains the apatite-type crystal structure and lanthanum is defective, oxygen in the structure is also defective in order to maintain the balance of charge. The inventors believe that when oxygen deficiency occurs, oxide ions become more mobile, improving oxide ion conductivity, and thus further lowering the interface resistance between the composite oxide and the electrode layer. In addition, A other than lanthanum is likely to enter the same crystal site as lanthanum in the apatite-type composite oxide, and therefore a similar mechanism to that described above is thought to occur. In this way, the present invention aims to increase oxide ion conductivity not due to the intermediate layer or electrode layer joined to the solid electrolyte, but due to the crystal structure of the solid electrolyte itself.

アパタイト型複合酸化物における欠損部位の量が多いほど、I004に対するI002の比の値は小さくなり、アパタイト型複合酸化物と電極層との界面抵抗が低くなる。この観点から、I004に対するI002の比の値は0.5以上0.8以下であることが好ましく、0.5以上0.75以下であることが更に好ましい。 The greater the amount of vacancies in the apatite-type complex oxide, the smaller the ratio of I 002 to I 004 , and the lower the interfacial resistance between the apatite-type complex oxide and the electrode layer. From this viewpoint, the ratio of I 002 to I 004 is preferably 0.5 to 0.8, and more preferably 0.5 to 0.75.

002及びI004の値は、X線回折法を用いて測定される。詳細には、点収束型のX線集光ミラー(CMF光学系)、及び0次元検出器を用いて測定することができる。本発明でいうX線回折のピーク強度とは積分強度のことである。 The values of I 002 and I 004 are measured using an X-ray diffraction method. In particular, they can be measured using a point-converging X-ray focusing mirror (CMF optical system) and a zero-dimensional detector. The peak intensity of X-ray diffraction in the present invention refers to the integrated intensity.

このX線回折のピーク強度については、アパタイト型結晶構造中における欠損部位の量をより正確に測定するために、より高いX線回折強度が得られる002と004とのピーク強度比を指標として選定することとした。なお、アパタイト型結晶構造における002と004のX線回折のピーク位置は、公知の結晶データベース等から一意に決めることができる。 In order to more accurately measure the amount of defects in the apatite crystal structure, the peak intensity ratio of 002 and 004, which provides a higher X-ray diffraction intensity, was selected as an index for this X-ray diffraction peak intensity. Note that the positions of the 002 and 004 X-ray diffraction peaks in the apatite crystal structure can be uniquely determined from a known crystal database, etc.

004に対するI002の比の値が上述した範囲を満たすようにするためには、アパタイト型複合酸化物に欠損部位を形成することが好ましい。欠損部位を形成するためには、例えばアパタイト型複合酸化物に隣接する異なる組成の膜を形成し、該膜をアニールすることよって結晶構造から構成元素、特にランタンを除去することが有利であることが本発明者の検討の結果判明した。この場合、アパタイト型の結晶構造を保持した状態で、ランタン等の構成元素を除去する必要がある。この目的のために、ランタンが拡散できるか又はランタンを固溶できる膜(以下「La吸収膜」ともいう。)を、アパタイト型複合酸化物の表面に積層する。そして、700℃以上の高温でアニールすることによって、アパタイト型複合酸化物中のランタンをLa吸収膜に拡散又は固溶させて、ランタンを欠損させたアパタイト型複合酸化物を得ることが好ましい。La吸収膜は、その後、所定の手段によって除去してもよい。 In order to make the ratio of I 002 to I 004 satisfy the above-mentioned range, it is preferable to form a deficiency site in the apatite-type complex oxide. In order to form a deficiency site, for example, it has been found as a result of the study by the present inventor that it is advantageous to form a film of a different composition adjacent to the apatite-type complex oxide and anneal the film to remove constituent elements, particularly lanthanum, from the crystal structure. In this case, it is necessary to remove constituent elements such as lanthanum while maintaining the apatite-type crystal structure. For this purpose, a film in which lanthanum can be diffused or in which lanthanum can be solid-dissolved (hereinafter also referred to as "La-absorbing film") is laminated on the surface of the apatite-type complex oxide. Then, it is preferable to obtain an apatite-type complex oxide in which lanthanum is deficient by annealing at a high temperature of 700°C or more to diffuse or dissolve lanthanum in the apatite-type complex oxide into the La-absorbing film. The La-absorbing film may then be removed by a predetermined means.

本発明の固体電解質は、その具体的な用途に応じ、そのままの状態で用いることができ、あるいは他の部材と組み合わせたデバイスの状態で用いることができる。図1にはそのようなデバイスの一例が示されている。図1に示すデバイスは、本発明の固体電解質を備えた固体電解質接合体10である。以下、この固体電解質接合体10について説明する。 The solid electrolyte of the present invention can be used as is, or can be used in the form of a device in which it is combined with other components, depending on the specific application. An example of such a device is shown in FIG. 1. The device shown in FIG. 1 is a solid electrolyte assembly 10 that includes the solid electrolyte of the present invention. This solid electrolyte assembly 10 will be described below.

図1に示すとおり、固体電解質接合体10は、上述した固体電解質からなる層(以下「固体電解質層」という。)11を備えている。固体電解質層11の一面には、該固体電解質層11に接して積層された中間層12が接合されている。図1に示す実施形態においては、固体電解質層11と中間層12が直接接しており、両者間に他の層は介在していない。中間層12は、酸化物イオン伝導性及び電子伝導性を有する材料からなる。 As shown in FIG. 1, the solid electrolyte junction 10 includes a layer 11 made of the above-mentioned solid electrolyte (hereinafter referred to as the "solid electrolyte layer"). An intermediate layer 12 is laminated on and in contact with the solid electrolyte layer 11 and is joined to one surface of the solid electrolyte layer 11. In the embodiment shown in FIG. 1, the solid electrolyte layer 11 and the intermediate layer 12 are in direct contact with each other, with no other layer interposed between them. The intermediate layer 12 is made of a material having oxide ion conductivity and electron conductivity.

固体電解質層11の厚みは、固体電解質接合体10の電気抵抗を効果的に低下させる観点から、10nm以上1000μm以下であることが好ましく、50nm以上700μm以下であることが更に好ましく、100nm以上500μm以下であることが一層好ましい。この固体電解質層11の厚みは、例えば触針式段差計、ノギス又は電子顕微鏡を用いて測定することができる。 From the viewpoint of effectively reducing the electrical resistance of the solid electrolyte assembly 10, the thickness of the solid electrolyte layer 11 is preferably 10 nm to 1000 μm, more preferably 50 nm to 700 μm, and even more preferably 100 nm to 500 μm. The thickness of the solid electrolyte layer 11 can be measured, for example, using a stylus step gauge, a vernier caliper, or an electron microscope.

固体電解質接合体10は、図1に示すとおり、固体電解質層11の2つの面のうち、中間層12が配置されている面と反対側の面に接合された金属電極層13を有していてもよい。固体電解質層11、中間層12及び金属電極層13がこのような順序で配置されていることにより、固体電解質接合体10からなるデバイス20が構成される。図1に示す実施形態においては、固体電解質層11と金属電極層13とは直接に接しており、両者間に他の層は介在していない。 As shown in FIG. 1, the solid electrolyte junction 10 may have a metal electrode layer 13 bonded to one of the two surfaces of the solid electrolyte layer 11, the surface opposite to the surface on which the intermediate layer 12 is disposed. The solid electrolyte layer 11, the intermediate layer 12, and the metal electrode layer 13 are disposed in this order to form a device 20 made of the solid electrolyte junction 10. In the embodiment shown in FIG. 1, the solid electrolyte layer 11 and the metal electrode layer 13 are in direct contact with each other, with no other layer interposed between them.

中間層12は金属酸化物を含んで構成されている。中間層12は、金属酸化物のみからなるか、又は金属酸化物及びその他の物質を含むものである。中間層12は固体電解質層11との間での酸化物イオンの授受を円滑に行う目的で形成されている。本実施形態によれば、固体電解質層11として上述した特定の結晶構造を有する固体電解質を用いていることに起因して、中間層12の種類によらず固体電解質層11と中間層12との間での界面抵抗を低下させることができ、酸化物イオンの授受を一層円滑に行うことができる。 The intermediate layer 12 is composed of a metal oxide. The intermediate layer 12 is composed of only a metal oxide, or contains a metal oxide and other substances. The intermediate layer 12 is formed for the purpose of smoothly transferring oxide ions between the solid electrolyte layer 11. According to this embodiment, since the solid electrolyte having the above-mentioned specific crystal structure is used as the solid electrolyte layer 11, the interface resistance between the solid electrolyte layer 11 and the intermediate layer 12 can be reduced regardless of the type of the intermediate layer 12, and the transfer of oxide ions can be performed more smoothly.

中間層12としては、金属酸化物からなり、且つ酸化物イオン伝導性を有するものが好適に用いられる。中間層12として、例えばサマリウム、イットリウム、ガドリニウム及びランタンからなる群から選ばれる一種又は二種以上の元素(以下、これらの元素のことを便宜的に「ドープ元素」ともいう。)を含む酸化セリウムを用いることができる。この場合、ドープ元素の含有量は、M/(M+Ce)×100で表して(Mはドープ元素のモル数を表す。)0.1モル%以上0.5モル%以下であることが好ましく、0.15モル%以上0.4モル%以下であることが更に好ましく、0.2モル%以上0.3モル%以下であることが一層好ましい。 As the intermediate layer 12, a material made of a metal oxide and having oxide ion conductivity is preferably used. As the intermediate layer 12, for example, cerium oxide containing one or more elements selected from the group consisting of samarium, yttrium, gadolinium, and lanthanum (hereinafter, these elements are also referred to as "doping elements" for convenience) can be used. In this case, the content of the doping element is preferably 0.1 mol% or more and 0.5 mol% or less, more preferably 0.15 mol% or more and 0.4 mol% or less, and even more preferably 0.2 mol% or more and 0.3 mol% or less, expressed as M/(M+Ce)×100 (M represents the number of moles of the doping element).

中間層12としてビスマスの酸化物を用いることもできる。ビスマスの酸化物としては例えば酸化ビスマス(III)やビスマスと他の金属元素との複合酸化物が挙げられる。他の金属元素としては、例えば一種以上の希土類元素が挙げられる。希土類元素としては、例えばランタン、ガドリニウム、イットリウム、エルビウム、イッテルビウム、ジスプロシウムなどが挙げられる。特に中間層12は、ビスマスと、ランタン、ガドリニウム又はイットリウムとの複合酸化物を含んで構成されることが、固体電解質層11と中間層12との間での電気抵抗を効果的に低下させ得る観点から好ましい。更にこの複合酸化物は、(LnBiで表されることが好ましい。式中、Lnは希土類元素を表す。mとnの和は1であり、n>0である。また、mは0.1以上0.4以下であることが好ましい。 The intermediate layer 12 may be made of an oxide of bismuth. Examples of the oxide of bismuth include bismuth (III) oxide and a composite oxide of bismuth and another metal element. Examples of the other metal element include one or more rare earth elements. Examples of the rare earth element include lanthanum, gadolinium, yttrium, erbium, ytterbium, and dysprosium. In particular, the intermediate layer 12 is preferably made of a composite oxide of bismuth and lanthanum, gadolinium, or yttrium, from the viewpoint of effectively reducing the electrical resistance between the solid electrolyte layer 11 and the intermediate layer 12. Furthermore, this composite oxide is preferably represented by (Ln m Bi n ) 2 O 3. In the formula, Ln represents a rare earth element. The sum of m and n is 1, and n>0. In addition, m is preferably 0.1 to 0.4.

中間層12として、酸化物イオン伝導性及び電子伝導性を有する混合伝導体を用いることもできる。混合伝導体とは、酸化物イオン伝導性及び電子伝導性の2つの伝導性、すなわち混合伝導性を有する物質のことである。特に、固体電解質層11と中間層12との界面において、配向方向に対して直交する面の格子整合を図る観点から、中間層12を構成する材料はペロブスカイト型酸化物であることが好ましい。特に、固体電解質層11を構成する材料が上述した一般式(1)で表されるものである場合に、中間層12を構成する材料がペロブスカイト型酸化物であると、前記の格子整合を首尾よく図ることができる。 A mixed conductor having oxide ion conductivity and electronic conductivity can also be used as the intermediate layer 12. A mixed conductor is a material having two conductivities, oxide ion conductivity and electronic conductivity, i.e., mixed conductivity. In particular, from the viewpoint of achieving lattice matching of a plane perpendicular to the orientation direction at the interface between the solid electrolyte layer 11 and the intermediate layer 12, it is preferable that the material constituting the intermediate layer 12 is a perovskite-type oxide. In particular, when the material constituting the solid electrolyte layer 11 is represented by the above-mentioned general formula (1), the lattice matching can be successfully achieved if the material constituting the intermediate layer 12 is a perovskite-type oxide.

特に、中間層12を構成する材料として、一般式(2):ABOで表されるものを用いることが、酸化物イオン伝導性の更に一層の向上の観点から好ましい。式中、Aは、例えばLa、Sr、Ba及びCaから選択される一種又は二種以上の金属元素を用いることが好ましく、特に好ましい金属元素はLa及びSrのうちの少なくとも一種である。Bは遷移金属元素であり、Co、Ni、Mn、Cr、Ti、Fe、Cuから選択される一種又は二種以上の金属元素を用いることが好ましく、特に好ましい金属元素はCo及びNiのうちの少なくとも一種である。とりわけ一般式(2)で表される材料は、La、Sr、Co及びNiを含む複合酸化物であることが好ましい。 In particular, it is preferable to use a material represented by general formula (2): ABO3 as the material constituting the intermediate layer 12 from the viewpoint of further improving oxide ion conductivity. In the formula, A is preferably one or more metal elements selected from, for example, La, Sr, Ba, and Ca, and a particularly preferred metal element is at least one of La and Sr. B is a transition metal element, and is preferably one or more metal elements selected from Co, Ni, Mn, Cr, Ti, Fe, and Cu, and a particularly preferred metal element is at least one of Co and Ni. In particular, the material represented by general formula (2) is preferably a composite oxide containing La, Sr, Co, and Ni.

一般式(2)で表される複合酸化物のうち、特に好ましいものは、La0.6Sr0.4Co0.9Ni0.13-δで表されるものである。 Among the composite oxides represented by the general formula (2), the one represented by La 0.6 Sr 0.4 Co 0.9 Ni 0.1 O 3-δ is particularly preferred.

一般式(2)で表される複合酸化物からなる中間層12は、例えば種々の薄膜形成法を用いて固体電解質層11の一面に形成することができる。薄膜形成法としては、物理気相蒸着法や化学気相蒸着法などが挙げられ、これらのうち物理気相蒸着法を用いると中間層12を一層首尾よく形成することができる。物理気相蒸着法のうち、特にPLD(Pulsed Laser Deposition)法を用いることが好ましい。 The intermediate layer 12 made of the composite oxide represented by general formula (2) can be formed on one side of the solid electrolyte layer 11 by using, for example, various thin film formation methods. Examples of thin film formation methods include physical vapor deposition and chemical vapor deposition, and among these, the intermediate layer 12 can be formed more successfully by using the physical vapor deposition method. Among the physical vapor deposition methods, it is particularly preferable to use the PLD (Pulsed Laser Deposition) method.

中間層12を構成する材料が上述したもののいずれであっても、固体電解質層11を構成する材料と、中間層12を構成する材料とが、いずれも、固体電解質層11と中間層12との積層方向に沿って一軸配向していることが、界面抵抗を低下させる観点から有効である。固体電解質層11を構成する材料と、中間層12を構成する材料を、前記積層方向に沿っていずれも一軸配向させるためには、例えば、基板となる固体電解質層11を所定温度に加熱しながら、酸素分圧をコントロールした雰囲気で、物理気相蒸着法や化学気相蒸着法など利用し、固体電解質層11上に中間層12の薄膜を形成し、局所的にエピタキシャル成長させればよい。また、原子層堆積法(ALD)を用い、固体電解質層11上に、中間層12の一軸配向薄膜を形成することもできる。ただし、これらの手法に限定されるものではない。 Regardless of which of the above-mentioned materials constitute the intermediate layer 12, it is effective from the viewpoint of reducing the interface resistance that the material constituting the solid electrolyte layer 11 and the material constituting the intermediate layer 12 are both uniaxially oriented along the stacking direction of the solid electrolyte layer 11 and the intermediate layer 12. In order to uniaxially orient the material constituting the solid electrolyte layer 11 and the material constituting the intermediate layer 12 along the stacking direction, for example, while heating the solid electrolyte layer 11 as the substrate to a predetermined temperature, in an atmosphere with a controlled oxygen partial pressure, a physical vapor deposition method or a chemical vapor deposition method may be used to form a thin film of the intermediate layer 12 on the solid electrolyte layer 11, and locally epitaxially grow the thin film. In addition, a uniaxially oriented thin film of the intermediate layer 12 can also be formed on the solid electrolyte layer 11 using atomic layer deposition (ALD). However, the method is not limited to these methods.

固体電解質層11を構成する材料と、中間層12を構成する材料とが、いずれも一軸配向しているか否かは、接合界面のTEM(透過型電子顕微鏡)による断面観察から判断することができる。固体電解質層11及び中間層12の格子定数や面間隔は、搖動させながらX線回折測定を行うことで得られる回折パターンから算出することができる。 Whether or not the material constituting the solid electrolyte layer 11 and the material constituting the intermediate layer 12 are both uniaxially oriented can be determined by observing the cross section of the joint interface with a transmission electron microscope (TEM). The lattice constants and interplanar spacings of the solid electrolyte layer 11 and the intermediate layer 12 can be calculated from the diffraction pattern obtained by performing X-ray diffraction measurement while rocking.

中間層12を構成する材料が上述したもののいずれであっても、中間層12は、所定の厚みを有すれば固体電解質層11との間での電気抵抗を効果的に低下させることができる。詳細には、固体電解質層11に接合している中間層12の積層方向に沿う厚みは80nm以上であることが好ましく、100nm以上であることが更に好ましく、100nm以上1000nm以下であることが一層好ましい。中間層12の厚みは触針式段差計や電子顕微鏡によって測定することができる。 Regardless of which of the above-mentioned materials is used to compose the intermediate layer 12, the intermediate layer 12 can effectively reduce the electrical resistance between the intermediate layer 12 and the solid electrolyte layer 11 as long as it has a predetermined thickness. In particular, the thickness of the intermediate layer 12 bonded to the solid electrolyte layer 11 in the stacking direction is preferably 80 nm or more, more preferably 100 nm or more, and even more preferably 100 nm or more and 1000 nm or less. The thickness of the intermediate layer 12 can be measured using a stylus step gauge or an electron microscope.

固体電解質層11を挟んで中間層12と反対側に形成される金属電極層13は、形成が容易であり、且つ触媒活性が高い等の利点があることから、白金族の元素を含んで構成されることが好ましい。白金族の元素としては、例えば白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム及びイリジウム等が挙げられる。これらの元素は一種を単独で、又は二種以上を組み合わせて用いることができる。また、金属電極層13として、白金族の元素を含むサーメットを用いることもできる。 The metal electrode layer 13 formed on the opposite side of the solid electrolyte layer 11 to the intermediate layer 12 is preferably composed of an element of the platinum group, since it has advantages such as ease of formation and high catalytic activity. Examples of elements of the platinum group include platinum, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, and iridium. These elements can be used alone or in combination of two or more. In addition, a cermet containing an element of the platinum group can be used as the metal electrode layer 13.

図1に示す実施形態の固体電解質接合体10及びデバイス20は、例えば以下に述べる方法で好適に製造することができる。まず、公知の方法で固体電解質層11を製造する。製造には、例えば特開2013-51101号公報やUS2018/183068A1に記載の方法を採用することができる。 The solid electrolyte junction 10 and device 20 of the embodiment shown in FIG. 1 can be suitably manufactured, for example, by the method described below. First, the solid electrolyte layer 11 is manufactured by a known method. For the manufacturing, for example, the methods described in JP 2013-51101 A and US 2018/183068 A1 can be adopted.

次いで固体電解質層11における2つの面のうちの一方に、中間層12を形成する。中間層12の形成には、種々の薄膜形成法を用いることができる。薄膜形成法の1つとして、例えば先に述べたPLD法を用いることができる。具体的には、固体電解質層11を構成する材料と、中間層12を構成する材料とを、いずれも、該固体電解質層11と中間層12との積層方向に沿って一軸配向させるために、先に述べたPLD法を用い、固体電解質層11の一面に中間層12を形成するときに、該固体電解質層11を所定温度に加熱すればよい。加熱温度は、例えば600℃以上700℃以下に設定することが、一層首尾よく一軸配向させられる点から好ましい。 Next, the intermediate layer 12 is formed on one of the two faces of the solid electrolyte layer 11. Various thin film formation methods can be used to form the intermediate layer 12. As one of the thin film formation methods, for example, the PLD method described above can be used. Specifically, in order to uniaxially orient both the material constituting the solid electrolyte layer 11 and the material constituting the intermediate layer 12 along the stacking direction of the solid electrolyte layer 11 and the intermediate layer 12, the PLD method described above is used, and when the intermediate layer 12 is formed on one face of the solid electrolyte layer 11, the solid electrolyte layer 11 may be heated to a predetermined temperature. The heating temperature is preferably set to, for example, 600°C or higher and 700°C or lower in order to more successfully achieve uniaxial orientation.

このようにして中間層12を形成したら、固体電解質層11における中間層12の形成面と反対側の面に金属電極層13を形成する。金属電極層13の形成には、例えば白金族の金属の粒子を含むペーストを用いる。該ペーストを固体電解質層11の表面に塗布して塗膜を形成し、該塗膜を焼成することで多孔質体からなる電極が形成される。焼成条件は、温度600℃以上、時間30分以上120分以下とすることができる。雰囲気は、大気等の酸素含有雰囲気とすることができる。 After the intermediate layer 12 is formed in this manner, the metal electrode layer 13 is formed on the surface of the solid electrolyte layer 11 opposite to the surface on which the intermediate layer 12 is formed. To form the metal electrode layer 13, for example, a paste containing particles of a platinum group metal is used. The paste is applied to the surface of the solid electrolyte layer 11 to form a coating film, and the coating film is fired to form an electrode made of a porous body. The firing conditions can be a temperature of 600°C or higher and a time of 30 minutes to 120 minutes. The atmosphere can be an oxygen-containing atmosphere such as air.

以上の方法で目的とする固体電解質接合体10及びデバイス20が得られる。このようにして得られたデバイス20は、その高い酸化物イオン伝導性を利用して例えば酸素透過素子、酸素センサを始めとする各種のガスセンサ、水蒸気電解又は固体電解質形燃料電池などとして好適に用いられる。デバイス20をどのような用途に用いる場合にも、中間層12をカソードとして、すなわち酸素ガスの還元反応が起こる極として用いることが有利である。例えばデバイス20を酸素透過素子として使用する場合には、金属電極層13を直流電源のアノードに接続するとともに、中間層12を直流電源のカソードに接続して、中間層12と金属電極層13との間に所定の直流電圧を印加する。それによって、中間層12側において酸素が電子を受け取り酸化物イオンが生成する。生成した酸化物イオンは固体電解質層11中を移動して金属電極層13に達する。金属電極層13に達した酸化物イオンは電子を放出して酸素ガスとなる。このような反応によって、固体電解質層11は、中間層12側の雰囲気中に含まれる酸素ガスを、固体電解質層11を通じて金属電極層13側に透過させることが可能になっている。なお、必要に応じ、中間層12の表面及び金属電極層13の表面の少なくとも一方に、白金等の導電性材料からなる集電層を形成してもよい。 The above method provides the desired solid electrolyte junction 10 and device 20. The device 20 thus obtained is suitable for use as, for example, an oxygen permeable element, various gas sensors including an oxygen sensor, steam electrolysis, or a solid electrolyte fuel cell, taking advantage of its high oxide ion conductivity. Whatever the application of the device 20, it is advantageous to use the intermediate layer 12 as a cathode, that is, as an electrode where a reduction reaction of oxygen gas occurs. For example, when the device 20 is used as an oxygen permeable element, the metal electrode layer 13 is connected to the anode of a DC power source, and the intermediate layer 12 is connected to the cathode of the DC power source, and a predetermined DC voltage is applied between the intermediate layer 12 and the metal electrode layer 13. As a result, oxygen receives electrons on the intermediate layer 12 side, and oxide ions are generated. The generated oxide ions move through the solid electrolyte layer 11 to reach the metal electrode layer 13. The oxide ions that reach the metal electrode layer 13 release electrons and become oxygen gas. This reaction allows the solid electrolyte layer 11 to transmit oxygen gas contained in the atmosphere on the intermediate layer 12 side to the metal electrode layer 13 side through the solid electrolyte layer 11. If necessary, a current collecting layer made of a conductive material such as platinum may be formed on at least one of the surfaces of the intermediate layer 12 and the metal electrode layer 13.

印加する電圧は、酸素ガスの透過量を高める観点から、0.1V以上4.0V以下に設定することが好ましい。両極間に電圧を印加するときには、固体電解質層11の酸化物イオン伝導性が十分に高くなっていることが好ましい。例えば酸化物イオン伝導性が、伝導率で表して1.0×10-3S/cm以上になっていることが好ましい。この目的のために、固体電解質層11を、又はデバイス20の全体を所定温度に保持することが好ましい。この保持温度は、固体電解質層11の材質にもよるが、一般に300℃以上600℃以下の範囲に設定することが好ましい。この条件下でデバイス20を使用することで、中間層12側の雰囲気中に含まれる酸素ガスを、固体電解質層11を通じて金属電極層13側に透過させることができる。 The applied voltage is preferably set to 0.1 V or more and 4.0 V or less from the viewpoint of increasing the amount of oxygen gas permeation. When a voltage is applied between the two electrodes, it is preferable that the oxide ion conductivity of the solid electrolyte layer 11 is sufficiently high. For example, it is preferable that the oxide ion conductivity is 1.0×10 −3 S/cm or more in terms of conductivity. For this purpose, it is preferable to hold the solid electrolyte layer 11 or the entire device 20 at a predetermined temperature. This holding temperature depends on the material of the solid electrolyte layer 11, but is generally preferably set in the range of 300° C. or more and 600° C. or less. By using the device 20 under this condition, oxygen gas contained in the atmosphere on the intermediate layer 12 side can be permeated through the solid electrolyte layer 11 to the metal electrode layer 13 side.

デバイス20を限界電流式酸素センサとしても使用する場合には、中間層12側で生成した酸化物イオンが、固体電解質層11を経由して金属電極層13側に移動することに起因して電流が生じる。電流値は中間層12側の酸素ガス濃度に依存するので、電流値を測定することで、中間層12側の酸素ガス濃度を測定することができる。 When the device 20 is also used as a limiting current type oxygen sensor, a current is generated due to the oxide ions generated on the intermediate layer 12 side migrating to the metal electrode layer 13 side via the solid electrolyte layer 11. Since the current value depends on the oxygen gas concentration on the intermediate layer 12 side, the oxygen gas concentration on the intermediate layer 12 side can be measured by measuring the current value.

以上、本発明をその好ましい実施形態に基づき説明したが、本発明は前記実施形態に制限されない。例えば前記実施形態においては、固体電解質層11の一面にのみ中間層12を配したが、これに代えて、図2に示すとおり、固体電解質層11について中間層12と対向する面に、別途の中間層12’を配してもよい。固体電解質層11について中間層12と対向する面に別途の中間層12’を配する場合には、各中間層12,12’は同一のものであってもよく、あるいは異なるものであってもよい。この場合、固体電解質層11を構成する材料と、一方の中間層12を構成する材料と、他方の中間層12’を構成する材料とが、いずれも、それらの積層方向に沿って一軸配向していることが好ましい。 Although the present invention has been described above based on its preferred embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above embodiment, the intermediate layer 12 is disposed only on one side of the solid electrolyte layer 11. Alternatively, as shown in FIG. 2, a separate intermediate layer 12' may be disposed on the surface of the solid electrolyte layer 11 facing the intermediate layer 12. When a separate intermediate layer 12' is disposed on the surface of the solid electrolyte layer 11 facing the intermediate layer 12, the intermediate layers 12, 12' may be the same or different. In this case, it is preferable that the material constituting the solid electrolyte layer 11, the material constituting one intermediate layer 12, and the material constituting the other intermediate layer 12' are all uniaxially oriented along the lamination direction.

また、固体電解質層11の各面に中間層12,12’を形成することに代えて、図3に示すとおり、金属電極層13,13’を形成してもよい。この場合であっても、デバイス20全体の電気抵抗を低下させることができる。各金属電極層13,13’は同一のものであってもよく、あるいは異なるものであってもよい。 In addition, instead of forming intermediate layers 12, 12' on each surface of the solid electrolyte layer 11, metal electrode layers 13, 13' may be formed as shown in FIG. 3. Even in this case, the electrical resistance of the entire device 20 can be reduced. Each metal electrode layer 13, 13' may be the same or different.

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。しかしながら本発明の範囲は、かかる実施例に制限されない。特に断らない限り、「%」は「質量%」を意味する。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples. However, the scope of the present invention is not limited to such examples. Unless otherwise specified, "%" means "% by mass."

〔実施例1〕
La23の粉体とSiO2の粉体とをモル比で1:1となるように配合し、エタノールを加えてボールミルで混合した。この混合物を乾燥させ、乳鉢で粉砕し、白金るつぼを使用して大気雰囲気下に1650℃で3時間にわたり焼成した。この焼成物にエタノールを加え、ボールミルで粉砕して焼成粉を得た。この焼成粉を、20mmφの成形器に入れて一方向から加圧して一軸成形した。更に700MPaで1分間冷間等方圧加圧(CIP)を行ってペレットを成形した。このペレット状成形体を、大気中、1600℃で3時間にわたり加熱してペレット状焼結体を得た。この焼結体を粉末X線回折測定及び化学分析に付したところ、アパタイト型の結晶構造を有するLa2SiO5の構造であることが確認された。
Example 1
La2O3 powder and SiO2 powder were blended in a molar ratio of 1: 1 , and ethanol was added and mixed in a ball mill. The mixture was dried, pulverized in a mortar, and fired in an air atmosphere at 1650°C for 3 hours using a platinum crucible. Ethanol was added to the fired product and pulverized in a ball mill to obtain a fired powder. The fired powder was placed in a 20 mmφ molding machine and pressed from one direction to perform uniaxial molding. Further, cold isostatic pressing (CIP) was performed at 700 MPa for 1 minute to form a pellet. The pellet-shaped molded body was heated in air at 1600°C for 3 hours to obtain a pellet-shaped sintered body. When the sintered body was subjected to powder X-ray diffraction measurement and chemical analysis, it was confirmed that it had a structure of La2SiO5 having an apatite-type crystal structure.

得られたペレット800mgと、B粉末140mgとを、蓋付き匣鉢内に入れた。電気炉を用い、このペレット及びB粉末を大気中にて1550℃(炉内雰囲気温度)で50時間にわたり加熱した。この加熱によって、匣鉢内にB蒸気を発生させるとともにB蒸気とペレットとを反応させ、目的とする固体電解質層11を得た。この固体電解質層11は、La9.33+x[Si6.00-y]O26.0+zにおいて、x=0.50、y=1.17、z=0.16であり、LaとSiのモル比は2.04であった。また、ノギスによって測定した厚みは350μmであった。以下、この化合物を「LSBO」と略称する。 800 mg of the pellets obtained and 140 mg of B 2 O 3 powder were placed in a sagger with a lid. Using an electric furnace, the pellets and B 2 O 3 powder were heated in the air at 1550° C. (furnace atmosphere temperature) for 50 hours. This heating generated B 2 O 3 vapor in the sagger and reacted the B 2 O 3 vapor with the pellets to obtain the desired solid electrolyte layer 11. This solid electrolyte layer 11 had a structure of La 9.33+x [Si 6.00-y B y ]O 26.0+z , where x=0.50, y=1.17, and z=0.16, and the molar ratio of La to Si was 2.04. The thickness measured by a vernier caliper was 350 μm. Hereinafter, this compound is abbreviated as "LSBO".

〔La吸収膜の製造〕
Bi23の粉体を、50mmφの成形器に入れて一方向から加圧して一軸成形し、引き続きホットプレス焼結を行った。焼結の条件は、窒素ガス雰囲気、圧力30MPa、温度600℃、3時間とし、スパッタリング用のターゲットを得た。このターゲットを用いて高周波スパッタリング法によって、LSBOからなる固体電解質層11の両面に300nmの厚みでスパッタリングを行った。スパッタリングの条件は、RF出力が30W、アルゴンガスの圧力が0.8Paであった。スパッタリングの完了後、大気中、750℃で1時間にわたりアニーリングを行った。このアニーリングによって、固体電解質中のLaがBi層(La吸収層)側へ拡散し、La欠損LSBOが形成された。次に、この固体電解質からLaを吸収させた層を除去する操作を行った。詳細には、精密研磨装置を用いて、Laを吸収させたBi層を完全に除去した。その後ノギスによって測定したLa欠損LSBOの厚みは340μmであった。
[Production of La-absorbing film]
The powder of Bi2O3 was placed in a 50 mmφ molding machine, pressed from one direction to perform uniaxial molding, and then hot press sintering was performed. The sintering conditions were a nitrogen gas atmosphere, a pressure of 30 MPa, a temperature of 600°C, and 3 hours, to obtain a target for sputtering. Using this target, sputtering was performed on both sides of the solid electrolyte layer 11 made of LSBO by high-frequency sputtering to a thickness of 300 nm . The sputtering conditions were an RF output of 30 W and an argon gas pressure of 0.8 Pa. After the sputtering was completed, annealing was performed in the atmosphere at 750°C for 1 hour. By this annealing, La in the solid electrolyte was diffused to the Bi2O3 layer (La absorption layer) side, and La-deficient LSBO was formed. Next, an operation was performed to remove the layer in which La was absorbed from this solid electrolyte. In detail, the Bi2O3 layer in which La was absorbed was completely removed using a precision polishing device. The thickness of the La-deficient LSBO was then measured with a vernier caliper and found to be 340 μm.

〔実施例2〕
実施例1において、La吸収層を800℃で1時間にわたりアニーリングした以外は、実施例1と同様にしてLa欠損LSBOを製造した。
Example 2
La-deficient LSBO was produced in the same manner as in Example 1, except that the La absorption layer was annealed at 800° C. for 1 hour.

〔実施例3〕
実施例1において、La吸収層を850℃で1時間にわたりアニーリングした以外は、実施例1と同様にしてLa欠損LSBOを製造した。
Example 3
La-deficient LSBO was produced in the same manner as in Example 1, except that the La absorption layer was annealed at 850° C. for 1 hour.

〔比較例1〕
実施例1において、La吸収層を形成せず、したがってアニーリングを行なかった以外は、実施例1と同様にして固体電解質を製造した。
Comparative Example 1
A solid electrolyte was produced in the same manner as in Example 1, except that the La absorption layer was not formed and therefore annealing was not performed.

〔評価1〕
実施例及び比較例で得られた固体電解質について、以下に述べる方法でXRD測定を行いI002/I004の値を求めた。また、以下に述べる方法で酸化物イオンの伝導率を測定した。それらの結果を以下の表1に示す。
[Evaluation 1]
The solid electrolytes obtained in the examples and comparative examples were subjected to XRD measurement by the method described below to determine the I 002 /I 004 value. In addition, the oxide ion conductivity was measured by the method described below. The results are shown in Table 1 below.

〔XRD測定〕
株式会社リガクの全自動多目的X線回折装置SmartLabを用いて以下の条件にて測定した。
管電圧:40kV
管電流:30mA
X線源:CuKα
入射光学素子:コンフォーカルミラー(CMF)
入射側スリット構成:コリメータサイズ1.4mm×1.4mm
受光側スリット構成:平行スリットアナライザ0.114deg、受光スリット20mm
検出器:シンチレーションカウンター
測定範囲:2θ=20~60deg
ステップ幅:0.01deg
スキャンスピード:1deg/分
解析は、株式会社リガクのPDXL2を用いた。バックグラウンドに端点を結ぶ直線、ピーク形状に分割型擬Voigt関数を選択し、プロファイルフィッティングすることで、002及び004のピーク強度(積分強度)を得た。002のピーク及び004のピークは、前述のとおり、c軸配向しているので、他の面のピークと重ならない独立したピークである。デバイスとして多層構成にした場合に想定される、別相由来のピークとの重なりがあった場合には、一般的なXRDデータ解析と同様にピーク分解できるので、002及び004のみのピーク強度を得ることができる。
[XRD Measurement]
Measurement was carried out using a fully automated multipurpose X-ray diffractometer SmartLab manufactured by Rigaku Corporation under the following conditions.
Tube voltage: 40 kV
Tube current: 30mA
X-ray source: CuKα
Incident optical element: confocal mirror (CMF)
Incident side slit configuration: Collimator size 1.4mm x 1.4mm
Receiving side slit configuration: parallel slit analyzer 0.114 deg, receiving slit 20 mm
Detector: scintillation counter Measurement range: 2θ = 20 to 60 deg
Step width: 0.01 deg
Scan speed: 1 deg/min. Analysis was performed using PDXL2 from Rigaku Corporation. A straight line connecting the end points was selected for the background, and a split pseudo-Voigt function was selected for the peak shape, and profile fitting was performed to obtain the peak intensities (integral intensities) of 002 and 004. As described above, the 002 peak and the 004 peak are c-axis oriented, and are independent peaks that do not overlap with peaks from other planes. If there is an overlap with a peak from another phase, which is expected when the device is configured as a multilayer structure, the peaks can be resolved in the same way as in general XRD data analysis, so that only the peak intensities of 002 and 004 can be obtained.

〔酸化物イオンの伝導率の測定〕
固体電解質の両面にスパッタリング法を用いて150nm厚の白金膜を製膜して電極を形成した。この固体電解質を加熱炉中に載置し、加熱炉の温度を変化させて固体電解質の複素インピーダンス解析を行った。解析にはインピーダンス測定装置を用い、周波数は0.1Hz~32MHzとした。全抵抗成分(粒内抵抗+粒界抵抗)から酸化物イオン伝導率(S/cm)を求めた。600℃での酸化物イオン伝導率を表1に示した。
[Measurement of oxide ion conductivity]
Platinum films of 150 nm thickness were formed on both sides of the solid electrolyte by sputtering to form electrodes. The solid electrolyte was placed in a heating furnace, and complex impedance analysis of the solid electrolyte was performed by changing the temperature of the heating furnace. An impedance measuring device was used for the analysis, and the frequency was set to 0.1 Hz to 32 MHz. The oxide ion conductivity (S/cm) was calculated from the total resistance component (intragranular resistance + grain boundary resistance). The oxide ion conductivity at 600°C is shown in Table 1.

Figure 0007617982000001
Figure 0007617982000001

表1に示す結果から明らかなとおり、I002/I004の値が特定の範囲である各実施例で得られた固体電解質は、比較例の固体電解質に比べて伝導率が約5倍以上も高く、酸化物イオン伝導性の向上効果が高いことが判る。 As is clear from the results shown in Table 1, the solid electrolytes obtained in the examples in which the value of I 002 /I 004 was within a specific range had a conductivity that was about 5 times or more higher than that of the solid electrolytes of the comparative examples, and thus had a high effect of improving oxide ion conductivity.

〔実施例4〕
実施例1で得られた固体電解質の両面に、イットリウムを含むBiからなる中間層12を形成した。中間層12の形成には、以下の方法で製造されたターゲットを用いた。このターゲットを用いて固体電解質の両面にスパッタリングを行い、中間層を形成した。中間層の形成後、700℃1時間にわたり加熱を行い、固体電解質接合体10を製造した。
Example 4
An intermediate layer 12 made of Bi2O3 containing yttrium was formed on both sides of the solid electrolyte obtained in Example 1. A target manufactured by the following method was used to form the intermediate layer 12. The target was used to perform sputtering on both sides of the solid electrolyte to form an intermediate layer. After the intermediate layer was formed, heating was performed at 700°C for 1 hour to manufacture a solid electrolyte joint 10.

〔ターゲットの製造〕
粉体とBi23の粉体とを所定量配合し、エタノールを加えてボールミルで混合した。この混合物を乾燥させ、乳鉢で粉砕し、アルミナるつぼを使用して大気雰囲気下700℃で3時間にわたり焼成した。この焼成物にエタノールを加えて遊星ボールミルで粉砕し、焼成粉末を得た。この焼成粉末を、50mmφの成形器に入れて一方向から加圧して一軸成形し、引き続きホットプレス焼結を行った。焼結の条件は、窒素ガス雰囲気、圧力30MPa、温度600℃、3時間とした。このようにしてスパッタリング用のターゲットを得た。
[Target manufacturing]
A predetermined amount of Y2O3 powder and Bi2O3 powder were mixed, ethanol was added, and the mixture was mixed in a ball mill. The mixture was dried, crushed in a mortar, and fired in an alumina crucible at 700°C in air for 3 hours. Ethanol was added to the fired product and crushed in a planetary ball mill to obtain a fired powder. The fired powder was placed in a 50 mmφ molding machine and pressed from one direction to perform uniaxial molding, followed by hot press sintering. The sintering conditions were a nitrogen gas atmosphere, a pressure of 30 MPa, a temperature of 600°C, and 3 hours. In this way, a target for sputtering was obtained.

〔実施例5〕
実施例4において用いたターゲットに代えて、サマリウムを含む酸化セリウムからなるターゲットを用いた。このターゲットは、実施例4において用いたターゲットと同様の方法で製造した。このターゲットを用い、実施例4と同様の方法によって、サマリウムを含む酸化セリウムからなる中間層12を製造した。このようにして固体電解質接合体10を製造した。
Example 5
A target made of cerium oxide containing samarium was used instead of the target used in Example 4. This target was manufactured in the same manner as the target used in Example 4. Using this target, an intermediate layer 12 made of cerium oxide containing samarium was manufactured in the same manner as in Example 4. In this manner, a solid electrolyte joint 10 was manufactured.

〔比較例2〕
比較例1で得られた固体電解質の両面に、サマリウムを含む酸化セリウムからなる中間層を形成した。中間層の形成は実施例5と同様にした。
Comparative Example 2
An intermediate layer made of cerium oxide containing samarium was formed on both sides of the solid electrolyte obtained in Comparative Example 1. The intermediate layer was formed in the same manner as in Example 5.

〔電流密度の測定〕
実施例4及び5並びに比較例2で得られた固体電解質接合体について、電気抵抗を測定した。測定は600℃で行った。大気中で中間層間に直流電圧1Vを印加し、得られた電流値から電流密度を算出した。この結果を表2に示す。
[Measurement of current density]
The electrical resistance of the solid electrolyte junctions obtained in Examples 4 and 5 and Comparative Example 2 was measured. The measurement was performed at 600° C. A direct current voltage of 1 V was applied between the intermediate layers in the atmosphere, and the current density was calculated from the obtained current value. The results are shown in Table 2.

Figure 0007617982000002
Figure 0007617982000002

表2に示す結果から明らかなとおり、I002/I004の値が特定の範囲である固体電解質に中間層を設けた固体電解質接合体は、比較例の固体電解質接合体に比べて約7倍以上もの高い電流密度値が得られることが判る。 As is clear from the results shown in Table 2, the solid electrolyte junction in which an intermediate layer is provided on a solid electrolyte having a specific range of I 002 /I 004 value can obtain a current density value that is about 7 times or more higher than that of the solid electrolyte junction of the comparative example.

本発明によれば、固体電解質を備えたデバイスの電気抵抗を低減し得る固体電解質が提供される。また本発明によれば、電気抵抗の低い固体電解質接合体が提供される。 The present invention provides a solid electrolyte that can reduce the electrical resistance of a device that includes the solid electrolyte. The present invention also provides a solid electrolyte assembly that has low electrical resistance.

Claims (7)

酸化物イオン伝導性を有するアパタイト型複合酸化物からなり、X線回折測定によって得られる004のピーク強度I004に対する002のピーク強度I002の比であるI002/I004の値が0.3以上0.8以下である固体電解質と、金属酸化物の中間層とが接合されてなる固体電解質接合体であって、
前記複合酸化物が、一般式:A9.33+x[T6.00-y]O26.0+z(式中のAは、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Yb、Lu、Be、Mg、Ca、Sr及びBaからなる群から選ばれた一種又は二種以上の元素である。式中のTは、Si若しくはGe又はその両方を含む元素である。式中のMは、Mg、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ga、Zr、Ta、Nb、B、Ge、Zn、Sn、W及びMoからなる群から選ばれた一種又は二種以上の元素である。)で表され、式中のxは-1.33以上1.50以下の数であり、式中のyは0.40以上2.00以下の数であり、式中のzは-5.00以上5.20以下の数であり、Tのモル数に対するAのモル数の比率が1.33以上3.61以下である複合酸化物を含む、固体電解質接合体。
A solid electrolyte joint is formed by joining a solid electrolyte made of an apatite-type composite oxide having oxide ion conductivity, the solid electrolyte having a ratio of a 002 peak intensity I 002 to a 004 peak intensity I 004 (I 002 /I 004) of 0.3 to 0.8 as determined by X-ray diffraction measurement, and an intermediate layer made of a metal oxide,
The composite oxide has a general formula: A9.33+x [ T6.00-yMy ] O26.0+z (wherein A is one or more elements selected from the group consisting of La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, Lu, Be, Mg, Ca, Sr, and Ba. T is an element containing Si or Ge, or both. M is Mg, Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Ga, Zr, Ta, Nb, B, and T is one or more elements selected from the group consisting of Ge, Zn, Sn, W and Mo. In the formula, x is a number from -1.33 to 1.50, y is a number from 0.40 to 2.00, and z is a number from -5.00 to 5.20, and a ratio of the number of moles of A to the number of moles of T is 1.33 to 3.61.
前記固体電解質がc軸に配向している請求項1に記載の固体電解質接合体。 The solid electrolyte junction according to claim 1, in which the solid electrolyte is oriented along the c-axis. 前記金属酸化物が、サマリウム、イットリウム、ガドリニウム及びランタンからなる群から選ばれる一種又は二種以上の元素を含む酸化セリウムからなる請求項1又は2に記載の固体電解質接合体。 The solid electrolyte junction according to claim 1 or 2, wherein the metal oxide is cerium oxide containing one or more elements selected from the group consisting of samarium, yttrium, gadolinium, and lanthanum. 前記金属酸化物が、ビスマスの酸化物からなる請求項1又は2に記載の固体電解質接合体。 The solid electrolyte joint according to claim 1 or 2, wherein the metal oxide is an oxide of bismuth. 前記金属酸化物が、酸化物イオン伝導性及び電子伝導性を有する混合伝導体からなる請求項1又は2に記載の固体電解質接合体。 The solid electrolyte junction according to claim 1 or 2, wherein the metal oxide is a mixed conductor having oxide ion conductivity and electronic conductivity. 前記固体電解質接合体において前記中間層が配置されている面と反対側の面に、該中間層と同一の又は異なる中間層が配置されている請求項1又は2に記載の固体電解質接合体。 The solid electrolyte junction according to claim 1 or 2, wherein an intermediate layer that is the same as or different from the intermediate layer is disposed on the surface opposite to the surface on which the intermediate layer is disposed in the solid electrolyte junction. 酸素透過素子、ガスセンサ又は固体電解質形燃料電池として用いられる請求項1又は2に記載の固体電解質接合体。 The solid electrolyte junction according to claim 1 or 2, which is used as an oxygen permeation element, a gas sensor, or a solid electrolyte fuel cell.
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