(57)【要約】【課題】表面層を所望する位置、大きさ、形に形成することができ、ＣＯ2雰囲気下でも高い電気伝導率を有するプロトン導電性セラミックス接合体を提供する。【解決手段】プロトン導電性セラミックス接合体は、２価又は３価の陽イオンを添加したＳｒＣｅＯ3系の母体１０と、この母体１０の表面側に位置し、２価又は３価の陽イオンを添加したＳｒＺｒＯ3の粉末と有機溶剤とを混練して作製したインクをスクリーン印刷することによって形成した表面層２０とを有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２価又は３価の陽イオンを添加したＳｒＣｅＯ3系の母体と、
この母体の表面側に位置し、２価又は３価の陽イオンを添加したＳｒＺｒＯ3の粉末と有機溶剤とを混練して作製したインクをスクリーン印刷して形成した表面層とを有していることを特徴とするプロトン導電性セラミックス接合体。
【請求項２】
前記陽イオンはインジウム（Ｉｎ）であり、前記ＳｒＺｒＯ3にインジウム（Ｉｎ）を１０ｍｏｌ％〜４５ｍｏｌ％添加することを特徴とする請求項１記載のプロトン導電性セラミックス接合体。
【請求項３】
前記母体と前記表面層との間にＳｒＣｅＯ3とＳｒＺｒＯ3とを混合した中間層を有していることを特徴とする請求項１又は２記載のプロトン導電性セラミックス接合体。
【請求項４】
２価又は３価の陽イオンを添加したＳｒＣｅＯ3の粉末を成形して母体を形成する母体形成工程と、
２価又は３価の陽イオンを添加したＳｒＺｒＯ3の粉末と有機溶剤とを混練して作製したインクをスクリーン印刷する表面層形成工程とを備えていることを特徴とするプロトン導電性セラミックス接合体の製造方法。
【請求項５】
前記母体形成工程後に前記母体の表面にＳｒＣｅＯ3とＳｒＺｒＯ3とを混合した粉末を成形して中間層を形成する中間層形成工程と、
この中間層形成工程後に前記中間層の表面に前記表面層形成工程によって表面層を形成することを特徴とする請求項４記載のプロトン導電性セラミックス接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、天然ガス改質に用いることが可能で、且つ、材料としての化学的安定性に優れるプロトン導電性セラミックス接合体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は従来のプロトン導電性セラミックス接合体を開示している。このプロトン導電性セラミックス接合体は、ＳｒＣｅＯ3系の母体と、母体に接合した金属（Ｐｄ)膜とから形成されている。このプロトン導電性セラミックス接合体は、金属（Ｐｄ）膜を通過したプロトンのみがＳｒＣｅＯ3系の母体に到達するため、ＳｒＣｅＯ3のＣＯ2に対する脆弱性が克服でき、ＣＯ2を含むガス環境下で使用することができる。特許文献１は、ＳｒＣｅＯ3系の母体に金属（Ｐｄ）膜を製膜する方法として、スラリーコート法、スピンコーティング法、ディップ法等、各種方法を挙げている。また、特許文献１は、Ｐｄ膜に代えて、ジルコニウム（Ｚｒ）の酸化物（例えば、ＳｒＺｒＯ3、ＢａＺｒＯ3）の膜を適用できることを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−５４１７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１の導電接合体は、スラリーコート法、スピンコーティング法、ディップ法で金属（Ｐｄ）膜を形成するため、ＳｒＣｅＯ3系の母体の少なくとも一面の全体に金属（Ｐｄ）膜を形成することになり、所望する部分、大きさ、形に金属（Ｐｄ）膜を形成することができない。
【０００５】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、表面層を所望する位置、大きさ、形に形成することができ、ＣＯ2雰囲気下でも高い電気伝導率を有するプロトン導電性セラミックス接合体及びその製造方法を提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のプロトン導電性セラミックス接合体は、２価又は３価の陽イオンを添加したＳｒＣｅＯ3系の母体と、
この母体の表面側に位置し、２価又は３価の陽イオンを添加したＳｒＺｒＯ3の粉末と有機溶剤とを混練して作製したインクをスクリーン印刷して形成した表面層とを有していることを特徴とする。
【０００７】
このプロトン導電性セラミックス接合体は、２価又は３価の陽イオンを添加したＳｒＺｒＯ3によって表面層を形成しているため、電気伝導率は母体となるＳｒＣｅＯ3系と同程度であり、ＣＯ2雰囲気下での電気伝導率の低下を抑制することができる。また、２価又は３価の陽イオンを添加したＳｒＺｒＯ3の粉末と有機溶剤とを混練して作製したインクをスクリーン印刷することによって表面層を形成するため、所望する部分、大きさ、形に表面層を形成することができる。
【０００８】
本発明のプロトン導電性セラミックス接合体の製造方法は、２価又は３価の陽イオンを添加したＳｒＣｅＯ3の粉末を成形して母体を形成する母体形成工程と、
２価又は３価の陽イオンを添加したＳｒＺｒＯ3の粉末と有機溶剤とを混練して作製したインクをスクリーン印刷する表面層形成工程とを備えていることを特徴とする。
【０００９】
このプロトン導電性セラミックス接合体の製造方法は、表面層を所望する部分、大きさ、形に容易に形成することができ、電気伝導特性はＳｒＣｅＯ3系と同程度であり、ＣＯ2雰囲気下での電気伝導率の低下が少ないプロトン導電性セラミックス接合体を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例の試料１及び試料２であって、（Ａ）は外観を示す写真であり、（Ｂ）は断面図の模式図である。
【図２】試料１の製造方法を示すフローチャートである。
【図３】試料２の製造方法を示すフローチャートである。
【図４】試料１及び試料２の本焼成後の表面Ｘ線回析パターンである。
【図５】試料１及び試料２の本焼成後の破断面ＳＥＭ観察画像である。図中の破線は界面を示し、右列の写真は界面近傍を観察したものである。
【図６】試料１、試料２、比較例（ＳＣＯ、ＳＺＯのいずれも単体バルク試料）の湿潤１％水素雰囲気中における電気伝導率を示すグラフである。
【図７】試料１、試料２を１００％ＣＯ2ガス雰囲気中で２５時間アニール処理した後の表面Ｘ線回析パターンである。比較例は、ＳＣＯ単体バルク試料ＣＯ2アニール前と２５時間のアニール後を示す。
【図８】試料１、試料２、比較例（ＳＣＯ)をＣＯ2アニール処理した際の電気伝導率とアニール時間の関係を示すグラフである。△のＳＣＯ単体バルク試料は短時間のアニールにより急速に電気伝導率が低下するのに対し、試料１、試料２は２５時間の１００％ＣＯ2ガス雰囲気中でアニール処理した後でも、電気伝導率の低下が小さいことが確認できる。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明における好ましい実施の形態を説明する。
【００１２】
前記陽イオンはインジウム（Ｉｎ）であり、前記ＳｒＺｒＯ3にインジウム（Ｉｎ）を１０ｍｏｌ％〜４５ｍｏｌ％を添加し得る。この場合、インジウム（Ｉｎ)の添加率が１０ｍｏｌ％未満であると電気伝導率が低い。また、５０ｍｏｌ％以上であると不純物相が析出し、ＳｒＺｒＯ3にインジウム（Ｉｎ）が固溶せず、電気伝導率が低くなる。このようにインジウム（Ｉｎ）を１０ｍｏｌ％〜４５ｍｏｌ％を添加して形成した粉末と有機溶剤とを混練して作製したインクをスクリーン印刷して形成した表面層は高温においてもプロトン導電性を良好に維持することができる。
【００１３】
本発明のプロトン導電性セラミックス接合体は、前記母体と前記表面層との間にＳｒＣｅＯ3とＳｒＺｒＯ3とを混合した中間層を有し得る。この場合、表面層と中間層、及び中間層と母体との接合性を良好にすることができる。つまり、中間層を介して表面層と母体との接合性が良好になるため、電気伝導率を良好にすることができ、かつ、ＣＯ2との反応も抑制できる。
【００１４】
プロトン導電性セラミックス接合体の製造方法において、前記母体形成工程後に前記母体の表面にＳｒＣｅＯ3とＳｒＺｒＯ3とを混合した粉末を成形して中間層を形成する中間層形成工程と、この中間層形成工程後に前記中間層の表面に前記表面層形成工程によって表面層を形成し得る。この場合、表面層と母体との接合性を良好にするための中間層を容易に形成することができる。
【００１５】
次に、本発明のプロトン導電性セラミックス接合体を具体化した実施例について、図面を参照しつつ説明する。
【００１６】
＜実施例＞
実施例のプロトン導電性セラミックス接合体は、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、インジウム（Ｉｎ）を添加したＳｒＣｅＯ3（以下、「ＳＣＯ」という。）で形成した母体１０と、母体１０の表面側に位置し、インジウム（Ｉｎ）を添加したＳｒＺｒＯ3（以下、「ＳＺＯ」という。）の粉末と有機溶剤とを混練して作製したインクをスクリーン印刷して形成した表面層２０とを有している。
【００１７】
試料１はＳＣＯで形成した円盤状の母体１０の両表面に、ＳＺＯ粉末と有機溶剤とを混練して作製したインクをスクリーン印刷して形成した表面層２０を有するプロトン導電性セラミックス接合体である。試料２は、ＳＣＯで形成した母体１０の両表面に、ＳＣＯとＳＺＯとの組成比が１：１である中間層３０を形成し、各中間層３０の表面側にＳＺＯ粉末と有機溶剤とを混練して作製したインクをスクリーン印刷して形成した表面層２０を有するプロトン導電性セラミックス接合体である。
【００１８】
ＳｒＣｅＯ3は、高温において高い電気伝導率を示し、ＣＯ2により劣化する特徴を有する。一方、ＳｒＺｒＯ3は、セレート系に比べて電気伝導率が低く、化学的安定性及び機械的強度に優れている。ＳｒＣｅＯ3、及びＳｒＺｒＯ3の結晶構造はいずれもペロブスカイト型構造を有する。
【００１９】
ＳＺＯは、表１に示すように、インジウム（Ｉｎ）の添加量が多いと、温度の上昇に伴い、酸素イオン輸率も増大し、８００℃では４０％の酸素イオンが電気伝導に寄与するようになる。このため、試料１及び試料２におけるＳＺＯはインジウム（Ｉｎ）を２０ｍｏｌ％含有するように調合している。このようにすれば、ＳＺＯの主たる導電種をプロトンにすることができ、表面層２０が高温においてもプロトン導電性を良好に維持することができる。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
次に、プロトン導電性セラミックス接合体である試料１の製造方法を図２に基づいて説明する。
【００２２】
＜ＳＣＯ粉末の製造工程＞
ＳｒＣＯ3、ＣｅＯ2、Ｉｎ2Ｏ3の各原料をＳｒＣｅ0.95Ｉｎ0.05Ｏ3-αとなるように秤量する。そして、遊星型ボールミルを利用して、２００ｒｐｍで１時間、これら各原料を粉砕・混合する（Ｓ１）。これによって、得られた粉末を大気中１，２００℃で５時間、仮焼成する（Ｓ２）。その後、遊星型ボールミルを利用して、２５０ｒｐｍで３時間、仮焼成したものを粉砕・混合する（Ｓ３）。このようにして、インジウム（Ｉｎ)を５ｍｏｌ％含有したＳＣＯ粉末を得ることができる。
【００２３】
＜ＳＺＯ粉末の製造工程＞
ＳｒＣＯ3、ＺｒＯ2、Ｉｎ2Ｏ3の各原料をＳｒＺｒ0.8Ｉｎ0.2Ｏ3-αとなるように秤量する。そして、遊星型ボールミルを利用して、２００ｒｐｍで１時間、これら各原料を粉砕・混合する（Ｓ１）。これによって、得られた粉末を大気中１，２００℃で５時間、仮焼成する（Ｓ２）。その後、遊星型ボールミルを利用して、２５０ｒｐｍで３時間、仮焼成したものを粉砕・混合する（Ｓ３）。このようにして、インジウム（Ｉｎ)を２０ｍｏｌ％含有したＳＺＯ粉末を得ることができる。
【００２４】
＜母体形成工程＞
ＳＣＯ粉末をプレス成型し（φ２０ｍｍ、静水圧プレス２０ＭＰａ）、母体１０を形成する（Ｓ４）。
【００２５】
＜表面層形成工程＞
ＳＺＯ粉末と有機溶剤とを混練してインクを作製する（Ｓ５）。そして、母体１０上にスクリーン印刷する（Ｓ６）。スクリーン印刷後、自然乾燥１０分間、及びオーブン１２０℃で１０分間、乾燥させる（Ｓ７）。さらに、このスクリーン印刷及び乾燥を繰り返し、２度塗りを行って表面層を形成する。
【００２６】
このように、表面層２０をスクリーン印刷によって形成することができるため、母体１０上に表面層２０を所望する位置、大きさ、形に形成することができる。
【００２７】
＜プロトン導電性セラミックス接合体の完成工程＞
表面層形成工程を終了した後、再度、静水圧プレスを行う（２０ＭＰａ）（Ｓ８）。その後、大気中１，５００℃で５時間、本焼成を行う（Ｓ９）。このようにして、プロトン導電性セラミックス接合体である試料１を製造することができる。
【００２８】
次に、プロトン導電性セラミックス接合体である試料２の製造方法を図３に基づいて説明する。
【００２９】
ＳＣＯ粉末の製造工程、及びＳＺＯ粉末の製造工程は、試料１で説明した工程と同じであるため説明を省略する。
【００３０】
＜母体及び中間層形成工程＞
先ず、組成比がＳＣＯ：ＳＺＯ＝１：１となるように混合したＳＣＯとＳＺＯとの混合粉末をプレス成型し（φ２０ｍｍ、静水圧プレス２０ＭＰａ）、中間層３０の一方を形成する。そして、成形型内の中間層３０上にＳＣＯ粉末を充填してプレス成型し（静水圧プレス２０ＭＰａ）、母体１０を形成する。さらに、成形型内の母体１０上に上述したＳＣＯとＳＺＯとの混合粉末を充填してプレス成型し（静水圧プレス２０ＭＰａ）、中間層３０の他方を形成する（Ｓ１０）。
【００３１】
＜表面層形成工程＞
ＳＺＯ粉末と有機溶剤とを混練してインクを作製する（Ｓ５）。そして、中間層３０上にスクリーン印刷する（Ｓ１１）。スクリーン印刷後、自然乾燥１０分間、及びオーブン１２０℃で１０分間、乾燥させる（Ｓ７）。さらに、このスクリーン印刷及び乾燥を繰り返し、２度塗りを行って表面層を形成する。
【００３２】
このように、表面層２０をスクリーン印刷によって形成することができるため、中間層３０上に表面層２０を所望する位置、大きさ、形に形成することができる。
【００３３】
＜プロトン導電性セラミックス接合体の完成工程＞
表面層形成工程を終了した後、再度、静水圧プレスを行う（２０ＭＰａ）（Ｓ８）。その後、大気中１，５００℃で５時間、本焼成を行う（Ｓ９）。このようにして、プロトン導電性セラミックス接合体である試料２を完成することができる。
【００３４】
次に試料１及び試料２の焼結性、電気伝導率、及び化学的安定性について説明する。
【００３５】
＜焼結性の評価１＞
試料１及び試料２の表面Ｘ線回析を行った。その表面Ｘ線回析パターンを図４に示す。この結果から、試料１及び試料２は何れも表面層２０がＳＺＯ単相であることが解る。
【００３６】
＜焼結性の評価２＞
試料１及び試料２の破断面のＳＥＭ観察を行った。ＳＥＭ観察をした画像を図５に示す。この結果から、試料１は表面層２０と母体１０との接合面に空隙Ｃが存在する。試料２は表面層２０と母体１０との接合面に空隙が少なく、接合性が良いことが解る。つまり、表面層２０と中間層３０、及び中間層３０と母体１０との接合性を良好にすることができ、中間層３０を介して表面層２０と母体１０との接合性が良好になるため、電気伝導率を良好にすることができる。
【００３７】
＜電気伝導率の評価＞
試料１、試料２、及び比較例としてＳＣＯ単体、ＳＺＯ単体、について、湿潤１％水素雰囲気中における電気伝導率を測定した。その結果を図６に示す。また、表２に、湿潤１％水素雰囲気中、９００℃における電気伝導率を示す。この結果から、試料１及び試料２の電気伝導率はＳＺＯ単体より高く、ＳＣＯ単体と同程度であることが解る。
【００３８】
【表２】
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【００３９】
＜化学的安定性の評価１＞
ＣＯ2アニール処理（８００℃で１００％ＣＯ2雰囲気中に放置）を２５時間した後の試料１、試料２、及び比較例としてＳＣＯ単体の表面Ｘ線回析を行った。その表面Ｘ線回析パターンを図７に示す。この結果から、試料１及び試料２はいずれも表面層２０がＣＯ2の影響を受けずＳＺＯ単相のままであることが解る。
【００４０】
＜化学的安定性の評価２＞
試料１、試料２、及び比較例としてＳＣＯ単体について、ＣＯ2アニール処理（８００℃で１００％ＣＯ2雰囲気中に放置）する前後の電気伝導率を測定した。電気伝導率の変化割合を示すグラフを図８に示す。また、アニール処理する前とアニール処理を２５時間した後との電気伝導率及びその変化の割合を表３に示す。この結果から、ＳＣＯ単体の電気伝導率は著しく低下するが、試料１及び試料２は電気伝導率の大きな低下は見られないことが解る。
【００４１】
【表３】
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【００４２】
以上説明したように、実施例のプロトン導電性セラミックス接合体（試料１及び試料２）は、表面層２０を所望する位置、大きさ、形に形成することができ、ＣＯ2雰囲気下でも高い電気伝導率を有する。
【００４３】
また、このプロトン伝導性セラミックス接合体は、メタンガス水蒸気改質に利用することができる。数１に示す式（１）及び式（２）のメタンガス水蒸気改質を行うためには、８００℃〜８５０℃の温度が必要である。この熱は工場から出る排熱を利用することができ、１ｍｏｌのメタン（ＣＨ4）から４ｍｏｌの水素（Ｈ2）を生成することができる。ただし、有害な一酸化炭素（ＣＯ）や二酸化炭素（ＣＯ2）も同時に生成するため、水素だけを分離し、高純度化することが必要である。ＣＯ2雰囲気下でＳＣＯ単体は直ぐ劣化してしまうが、このプロトン伝導性セラミックス接合体はＣＯ2に対する化学的安定性が大きく向上しており、劣化の少ないセルとしてメタンガス水蒸気改質に利用が可能である。また、熱力学的なエネルギー収支も排熱を利用することでエネルギー的に有利である。
【００４４】
【数１】
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【００４５】
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）実施例では、試料２の中間層をＳＣＯとＳＺＯとの組成比が１：１になるように形成したが、比率を変更してもよい。
（２）実施例では、インジウム（Ｉｎ）を５ｍｏｌ％添加したＳｒＣｅＯ3（以下、「ＳＣＯ」という。）で母体を形成したが、インジウム（Ｉｎ)の添加量を２ｍｏｌ％〜１０ｍｏｌ％の範囲で加減してもよい。また、添加する元素はインジウム（Ｉｎ）に限定するものではなく、Ｃｅ４価イオンサイトに置換するＹ、Ｓｃ、Ｙｂ、Ｃａなど、価数が２価もしくは３価の陽イオンを添加し、電気的中性を形成するための酸素欠損を有するものであれば良い。
（３）実施例では、表面層を形成するＳＺＯにインジウム（Ｉｎ）を２０ｍｏｌ％含有させたが、ＳＺＯはインジウム（Ｉｎ）を１０ｍｏｌ％〜４５ｍｏｌ％の間で含有するようにすればよい。また、添加する元素はインジウム（Ｉｎ）に限定するものではなく、Ｃｅ４価イオンサイトに置換するＹ、Ｓｃ、Ｙｂ、Ｃａなど、価数が２価もしくは３価の陽イオンを添加し、電気的中性を形成するための酸素欠損を有するものであれば良い。
（４）実施例では、表面層形成工程において、ＳＺＯ粉末と有機溶剤とを混練して作製したインクを２度塗りしたが、１度塗りでも、３度塗り以上であってもよい。この場合、母体に対して表面層が厚くなりすぎないようにする必要がある。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は燃料電池の電解質、水素の製造及び精製に利用可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１０…母体
２０…表面層
３０…中間層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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