(57)【要約】【課題】結晶構造の安定性が高く，しかも，低い粒界抵抗値を有する，高イオン電導性の固体酸化物形燃料電池用スカンジア安定化ジルコニア粉末及び固体酸化物形燃料電池用スカンジア安定化ジルコニア焼結体，並びにこれらの製造方法を提供する。【解決手段】固体酸化物形燃料電池用スカンジア安定化ジルコニア粉末であって，一般式（１）（ＺｒＯ２）１−ｘ−ａ（Ｓｃ２Ｏ３）ｘ（Ａｌ２Ｏ３）ａで表される化合物を含有する。式（１）において，０．０９≦ｘ≦０．１１，かつ，０．００２≦ａ＜０．０１である。結晶構造は菱面体晶相である。スカンジア安定化ジルコニア粉末の焼結体の結晶構造が立方晶相である。スカンジア安定化ジルコニア粉末の焼結体の５５０℃における粒界抵抗値が１２Ω・ｃｍ以下である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形燃料電池用スカンジア安定化ジルコニア粉末であって，
下記一般式（１）
（ＺｒＯ２）１−ｘ−ａ（Ｓｃ２Ｏ３）ｘ（Ａｌ２Ｏ３）ａ      （１）
で表される化合物を含有し，
前記式（１）において，０．０９≦ｘ≦０．１１，かつ，０．００２≦ａ＜０．０１であり，
結晶構造が菱面体晶相であり，
前記スカンジア安定化ジルコニア粉末の焼結体の結晶構造が立方晶相であり，
前記スカンジア安定化ジルコニア粉末の焼結体の５５０℃における粒界抵抗値が１２Ω・ｃｍ以下である，スカンジア安定化ジルコニア粉末。
【請求項２】
前記スカンジア安定化ジルコニア粉末の焼結体の５００℃における粒界抵抗値が６０Ω・ｃｍ以下である，請求項１に記載のスカンジア安定化ジルコニア粉末。
【請求項３】
前記スカンジア安定化ジルコニア粉末の焼結体の４５０℃における粒界抵抗値が２００Ω・ｃｍ以下である，請求項１に記載のスカンジア安定化ジルコニア粉末。
【請求項４】
前記スカンジア安定化ジルコニア粉末の焼結体の４００℃における粒界抵抗値が１０００Ω・ｃｍ以下である，請求項１に記載のスカンジア安定化ジルコニア粉末。
【請求項５】
前記焼結体は，６００℃の温度雰囲気下，１０００時間の熱処理を経ても結晶構造が変化しない，請求項１〜４のいずれか１項に記載のスカンジア安定化ジルコニア粉末。
【請求項６】
固体酸化物形燃料電池用スカンジア安定化ジルコニア焼結体であって，
下記一般式（１）
（ＺｒＯ２）１−ｘ−ａ（Ｓｃ２Ｏ３）ｘ（Ａｌ２Ｏ３）ａ      （１）
で表される化合物を含有し，
前記式（１）において，０．０９≦ｘ≦０．１１，かつ，０．００２≦ａ＜０．０１であり，
結晶構造が立方晶相であり，
５５０℃における粒界抵抗値が１２Ω・ｃｍ以下である，スカンジア安定化ジルコニア焼結体。
【請求項７】
５００℃における粒界抵抗値が６０Ω・ｃｍ以下である，請求項６に記載のスカンジア安定化ジルコニア焼結体。
【請求項８】
４５０℃における粒界抵抗値が２００Ω・ｃｍ以下である，請求項６に記載のスカンジア安定化ジルコニア焼結体。
【請求項９】
４００℃における粒界抵抗値が１０００Ω・ｃｍ以下である，請求項６に記載のスカンジア安定化ジルコニア焼結体。
【請求項１０】
６００℃の温度雰囲気下，１０００時間の熱処理を経ても結晶構造が変化しない，請求項６〜９のいずれか１項に記載のスカンジア安定化ジルコニア焼結体。
【請求項１１】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のスカンジア安定化ジルコニア粉末の製造方法であって，
ジルコニウム塩を含む原料とスカンジウム塩を含む原料とを混合した後に中和することによって，スカンジウム−ジルコニウム複合水酸化物を得る第一工程，
得られた前記水酸化物を焼成することにより酸化物を得る第二工程，
得られた前記酸化物にアルミナを添加する第三工程，
を含むスカンジア安定化ジルコニア粉末の製造方法。
【請求項１２】
請求項６〜１０のいずれか１項に記載のスカンジア安定化ジルコニア焼結体の製造方法であって，
ジルコニウム塩を含む原料とスカンジウム塩を含む原料とを混合した後に中和することによって，スカンジウム−ジルコニウム複合水酸化物を得る第一工程，
得られた前記水酸化物を焼成することにより酸化物を得る第二工程，
得られた酸化物にアルミナを添加する第三工程，
前記第三工程で得られたアルミナが添加された酸化物を焼結させる第四工程，
を含むスカンジア安定化ジルコニア焼結体の製造方法。
【請求項１３】
請求項６〜１０のいずれか１項に記載のスカンジア安定化ジルコニア焼結体を構成要素として含む，固体酸化物形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，固体酸化物形燃料電池用スカンジア安定化ジルコニア粉末及びその製造方法，固体酸化物形燃料電池用スカンジア安定化ジルコニア焼結体及びその製造方法，並びに固体酸化物形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＯＦＣと称される固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は，他形式の燃料電池よりも発電効率が良いことが知られている。そのため，ＳＯＦＣは，エネルギーを有効に利用できる新しい発電システムを構築できる点で注目されており，近年，その開発が盛んに進められている。
【０００３】
ＳＯＦＣは，固体電解質の一方の面に燃料極を有し，固体電解質の反対側の面に空気極を有した単セル構造を備えて構成される。固体電解質を形成させるための電解質材料としては，イットリア安定化ジルコニア（（ＺｒＯ２）０．９２（Ｙ２Ｏ３）０．０８，以下，「８ＹＳＺ」と略記する）がよく知られている。また，ジルコニアの安定化剤であるスカンジアを用いたスカンジア安定化ジルコニア（（ＺｒＯ２）０．９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１，以下，「１０ＳｃＳＺ」と略記する）も，固体電解質用の電解質材料として知られている。１０ＳｃＳＺは，３点曲げ強度や破壊靱性等の機械的特性は８ＹＳＺと同等であるものの，１０ＳｃＳＺの導電率は，８ＹＳＺのそれよりも約３倍高いという特徴を有している。
【０００４】
１０ＳｃＳＺは，高温領域では結晶状態が立方晶相であるが，５５０℃付近になると立方晶相から菱面体晶相への相転移が起こることが知られている。この相転移が起こると，１０ＳｃＳＺの導電率が急激に低下するという欠点を有する。すなわち，１０ＳｃＳＺは，導電率の温度依存が大きい材料といえる。また，そのような相転移によって，体積変化が起こり，結果として，１０ＳｃＳＺの焼結体に微細な亀裂が発生しやすいという欠点も有する。
【０００５】
１０ＳｃＳＺの性能を向上させる方法としては，例えば，第３の成分を添加して１０ＳｃＳＺに固溶化させる技術が知られている（例えば，特許文献１，２等を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−６９７２０号公報
【特許文献２】特開２０００−３４０２４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし，従来のスカンジア安定化ジルコニア材料では，第３の成分とスカンジア安定化ジルコニアの結晶構造との相関が詳細に分析されていないため，結晶構造の変化に伴う導電率の低下を招いていた。そのため，スカンジア安定化ジルコニア材料に高イオン電導性を付与するという観点からは課題が残るものであった。
【０００８】
本発明は，上記に鑑みてなされたものであり，結晶構造の安定性が高く，しかも，低い粒界抵抗値を有する，高イオン電導性の固体酸化物形燃料電池用スカンジア安定化ジルコニア粉末及び固体酸化物形燃料電池用スカンジア安定化ジルコニア焼結体，並びにこれらの製造方法，さらには固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は，上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果，スカンジア安定化ジルコニアにおいて，第３の成分としてアルミナを選択し，このアルミナの含有量を特定の範囲にすることによって，上記目的を達成できることを見出し，本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち，本発明は，例えば，以下の項に記載の主題を包含する。
項１．固体酸化物形燃料電池用スカンジア安定化ジルコニア粉末であって，
下記一般式（１）
（ＺｒＯ２）１−ｘ−ａ（Ｓｃ２Ｏ３）ｘ（Ａｌ２Ｏ３）ａ      （１）
で表される化合物を含有し，
前記式（１）において，０．０９≦ｘ≦０．１１，かつ，０．００２≦ａ＜０．０１であり，
結晶構造が菱面体晶相であり，
前記スカンジア安定化ジルコニア粉末の焼結体の結晶構造が立方晶相であり，
前記スカンジア安定化ジルコニア粉末の焼結体の５５０℃における粒界抵抗値が１２Ω・ｃｍ以下である，スカンジア安定化ジルコニア粉末。
項２．前記スカンジア安定化ジルコニア粉末の焼結体の５００℃における粒界抵抗値が６０Ω・ｃｍ以下である，上記項１に記載のスカンジア安定化ジルコニア粉末。
項３．前記スカンジア安定化ジルコニア粉末の焼結体の４５０℃における粒界抵抗値が２００Ω・ｃｍ以下である，上記項１に記載のスカンジア安定化ジルコニア粉末。
項４．前記スカンジア安定化ジルコニア粉末の焼結体の４００℃における粒界抵抗値が１０００Ω・ｃｍ以下である，上記項１に記載のスカンジア安定化ジルコニア粉末。
項５．前記焼結体は，６００℃の温度雰囲気下，１０００時間の熱処理を経ても結晶構造が変化しない，上記項１〜４のいずれか１項に記載のスカンジア安定化ジルコニア粉末。
項６．固体酸化物形燃料電池用スカンジア安定化ジルコニア焼結体であって，
下記一般式（１）
（ＺｒＯ２）１−ｘ−ａ（Ｓｃ２Ｏ３）ｘ（Ａｌ２Ｏ３）ａ      （１）
で表される化合物を含有し，
前記式（１）において，０．０９≦ｘ≦０．１１，かつ，０．００２≦ａ＜０．０１であり，
結晶構造が立方晶相であり，
５５０℃における粒界抵抗値が１２Ω・ｃｍ以下である，スカンジア安定化ジルコニア焼結体。
項７．５００℃における粒界抵抗値が６０Ω・ｃｍ以下である，上記項６に記載のスカンジア安定化ジルコニア焼結体。
項８．４５０℃における粒界抵抗値が２００Ω・ｃｍ以下である，上記項６に記載のスカンジア安定化ジルコニア焼結体。
項９．４００℃における粒界抵抗値が１０００Ω・ｃｍ以下である，上記項６に記載のスカンジア安定化ジルコニア焼結体。
項１０．６００℃の温度雰囲気下，１０００時間の熱処理を経ても結晶構造が変化しない，上記項６〜９のいずれか１項に記載のスカンジア安定化ジルコニア焼結体。
項１１．上記項１〜５のいずれか１項に記載のスカンジア安定化ジルコニア粉末の製造方法であって，
ジルコニウム塩を含む原料とスカンジウム塩を含む原料とを混合した後に中和することによって，スカンジウム−ジルコニウム複合水酸化物を得る第一工程，
得られた前記水酸化物を焼成することにより酸化物を得る第二工程，
得られた前記酸化物にアルミナを添加する第三工程，
を含むスカンジア安定化ジルコニア粉末の製造方法。
項１２．請求項６〜１０のいずれか１項に記載のスカンジア安定化ジルコニア焼結体の製造方法であって，
ジルコニウム塩を含む原料とスカンジウム塩を含む原料とを混合した後に中和することによって，スカンジウム−ジルコニウム複合水酸化物を得る第一工程，
得られた前記水酸化物を焼成することにより酸化物を得る第二工程，
得られた酸化物にアルミナを添加する第三工程，
前記第三工程で得られたアルミナが添加された酸化物を焼結させる第四工程，
を含むスカンジア安定化ジルコニア焼結体の製造方法。
項１３．上記項６〜１０のいずれか１項に記載のスカンジア安定化ジルコニア焼結体を構成要素として含む，固体酸化物形燃料電池。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池用スカンジア安定化ジルコニア粉末は，結晶構造の安定性が高く，しかも，当該粉末の焼結体は低い粒界抵抗値を有するため，高いイオン電導性を備える。そのため，上記スカンジア安定化ジルコニア粉末は，固体酸化物形燃料電池用の材料として使用すると，固体酸化物形燃料電池に高い発電効率を付与することができる。
【００１２】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池用スカンジア安定化ジルコニア焼結体は，結晶構造の安定性が高く，しかも，低い粒界抵抗値を有するため，高いイオン電導性を備える。そのため，上記スカンジア安定化ジルコニア焼結体を使用して固体酸化物形燃料電池を製作すると，該固体酸化物形燃料電池に高い発電効率を付与することができる。
【００１３】
本発明に係るスカンジア安定化ジルコニア粉末の製造方法は，上記スカンジア安定化ジルコニア粉末を製造する方法として適している。
【００１４】
本発明に係るスカンジア安定化ジルコニア焼結体の製造方法は，上記スカンジア安定化ジルコニア焼結体を製造する方法として適している。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下，本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１６】
本実施形態のスカンジア安定化ジルコニア粉末は，固体酸化物形燃料電池に用いられるものであり，下記一般式（１）
（ＺｒＯ２）１−ｘ−ａ（Ｓｃ２Ｏ３）ｘ（Ａｌ２Ｏ３）ａ      （１）
で表される化合物を含有する。
【００１７】
ここで，前記式（１）において，０．０９≦ｘ≦０．１１，かつ，０．００２≦ａ＜０．０１である。
【００１８】
以下，上記式（１）で表される化合物を「化合物Ａ」と略記することがある。
【００１９】
上記式（１）において，ｘの値は，０．０９≦ｘ≦０．１１の範囲である。ｘの値がこの範囲であれば，化合物Ａで形成される結晶構造が安定となる。より好ましいｘの値は，０．０９５≦ｘ≦０．１０５，特に好ましくは０．０９７≦ｘ≦０．１０３である。
【００２０】
上記式（１）において，ａの値は，０．００２≦ａ＜０．０１である。ａの値がこの範囲であれば，化合物Ａで形成される結晶構造が安定となり，しかも，化合物Ａを含むスカンジア安定化ジルコニア粉末の焼結体の粒界抵抗値が低くなり，高いイオン電導性を備える焼結体を形成しやすい。ａの値が０．００２を下回ると，スカンジア安定化ジルコニア粉末の焼結体は，後述するような立方晶相を維持することが困難になり，粒界抵抗値の上昇を引き起こす。また，ａの値が０．０１以上であると，スカンジア安定化ジルコニア粉末の焼結体の粒界抵抗値の上昇を引き起こす。より好ましいａの値は，０．００３≦ａ＜０．００９であり，この場合，化合物Ａを含むスカンジア安定化ジルコニア粉末の焼結体の粒界抵抗値が特に低くなり，さらに高いイオン電導性を備えるようになる。特に好ましいａの値は，０．００４≦ａ≦０．００８である。
【００２１】
化合物Ａは，ジルコニア（ＺｒＯ２）中にスカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）が固溶されたスカンジア安定化ジルコニア（以下，「ＳｃＳＺ」と略記する）が主成分として形成されている。そして，Ａｌ２Ｏ３は，ＳｃＳＺ中に良好な分散状態で存在する。これにより，化合物Ａは，結晶構造が安定となりやすく，しかも，優れたイオン電導性を備えることが可能になる。
【００２２】
上記化合物Ａを含むスカンジア安定化ジルコニア粉末の結晶構造は菱面体晶相である。
【００２３】
さらに，本実施形態のスカンジア安定化ジルコニア粉末の焼結体は，結晶構造が立方晶相である。
【００２４】
特に，本実施形態のスカンジア安定化ジルコニア粉末の焼結体は，結晶構造が立方晶相のみから形成されることが好ましい。スカンジア安定化ジルコニア粉末の焼結体の結晶構造が立方晶相のみから形成されることによって，焼結体の抵抗値が低くなり，高いイオン電導性を備える。
【００２５】
スカンジア安定化ジルコニア粉末及びこの焼結体の結晶構造は，Ｘ線回折法（ＸＲＤ）によって解析されるＸ線回折ピークから判別可能である。具体的には，スカンジア安定化ジルコニア粉末のＸ線回折測定を行い，得られたＸ線回折ピークにおいて，２θ＝２８°〜３２°，４９°〜５２°付近に観測されるＸ線回折ピークが２本に，５９°〜６２°付近に観測されるＸ線回折ピークが４本に分裂した場合は菱面体晶相であり，分裂しない場合は立方晶相と判定できる。尚，菱面体晶相は三方晶相ということもできる。
【００２６】
本実施形態のスカンジア安定化ジルコニア粉末の焼結体は，６００℃の温度雰囲気下，１０００時間の熱処理を経ても結晶構造が変化しないことが好ましい。これによって，スカンジア安定化ジルコニア粉末の焼結体では，その粒界抵抗値が低くなり，より高いイオン電導性を備えやすくなり，しかも，結晶構造が温度に依存しにくくなることで，固体酸化物形燃料電池の耐久性も向上する。
【００２７】
本実施形態のスカンジア安定化ジルコニア粉末では，その焼結体の５５０℃における粒界抵抗値が１２Ω・ｃｍ以下である。粒界抵抗値がこの範囲であることによって，スカンジア安定化ジルコニア粉末の焼結体は，高いイオン電導性を備える。
【００２８】
スカンジア安定化ジルコニア粉末の焼結体がより高いイオン電導性を備えるという観点から，スカンジア安定化ジルコニア粉末の焼結体の５００℃における粒界抵抗値は６０Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。
【００２９】
また，スカンジア安定化ジルコニア粉末の焼結体がより高いイオン電導性を備えるという観点から，スカンジア安定化ジルコニア粉末の焼結体の４５０℃における粒界抵抗値が２００Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。
【００３０】
また，スカンジア安定化ジルコニア粉末の焼結体がより高いイオン電導性を備えるという観点から，スカンジア安定化ジルコニア粉末の焼結体の４００℃における粒界抵抗値が１０００Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。
【００３１】
本実施形態のスカンジア安定化ジルコニア粉末は，焼結されるとスカンジア安定化ジルコニア焼結体を形成する。当該焼結体は，上述したとおり，結晶構造が立方晶相であり，５５０℃における粒界抵抗値が１２Ω・ｃｍ以下となる。例えば，スカンジア安定化ジルコニア焼結体は，スカンジア安定化ジルコニア粉末を１２００〜１６００℃の範囲内で焼結することで得ることができる。好ましくはスカンジア安定化ジルコニア粉末を１３００〜１５００℃の範囲内で焼結することである。
【００３２】
本実施形態のスカンジア安定化ジルコニア粉末及びこの焼結体（本実施形態のスカンジア安定化ジルコニア焼結体）はいずれも，結晶構造が維持されやすいので結晶構造の安定性が高く，しかも，前記焼結体は低い粒界抵抗値を有することから優れたイオン電導性を備える。そのため，上記スカンジア安定化ジルコニア粉末又は上記スカンジア安定化ジルコニア焼結体は，固体酸化物形燃料電池用の材料として使用すると，固体酸化物形燃料電池に高い発電効率を付与することができる。
【００３３】
本実施形態のスカンジア安定化ジルコニア粉末は，本発明の効果が阻害されない程度であれば，その他の添加剤が含まれていてもよい。例えば，スカンジア安定化ジルコニア粉末には，化合物Ａ以外の化合物が含まれていてもよいし，あるいは，焼結助剤等の添加剤が含まれていてもよい。
【００３４】
上記化合物Ａは，共沈法，ゾルゲル法等の各種の方法で製造することができる。特に，上記化合物Ａは，共沈法で製造することが好ましい。この場合，化合物ＡにおいてＡｌ２Ｏ３成分（アルミナ成分）の分散状態が向上しやすくなる。その結果として，化合物Ａを含むスカンジア安定化ジルコニア粉末及びスカンジア安定化ジルコニア焼結体の結晶構造が安定する。また，スカンジア安定化ジルコニア焼結体の粒界抵抗値が低くなり，高いイオン電導性を備えるようになるので，固体酸化物形燃料電池に高い発電効率を付与することができる。
【００３５】
共沈法で化合物Ａを製造する場合，一例として，下記の第一工程，第二工程及び第三工程を含む工程によって製造することができる。
・ジルコニウム塩を含む原料とスカンジウム塩を含む原料とを混合した後に中和することによって，スカンジウム−ジルコニウム複合水酸化物を得る第一工程，
・得られた前記水酸化物を焼成することにより酸化物を得る第二工程，
・得られた前記酸化物にアルミナを添加する第三工程。
【００３６】
第一工程では，ジルコニウム塩を含む原料とスカンジウム塩を含む原料を混合して混合物を調製し，この混合物をアルカリによって中和することで，スカンジウム−ジルコニウム複合水酸化物を得る。ここで使用するアルカリとしては特に限定されず，例えば，水酸化ナトリウム，水酸化カリウム，水酸化アンモニウム等を使用することができる。アルカリは１種又は２種以上を組み合わせて使用することができる。
【００３７】
ジルコニウム塩としては，ジルコニウムイオンを供給できる化合物であれば特に限定されず，例えば，オキシ硝酸ジルコニウム，オキシ塩化ジルコニウム等のジルコニウム無機酸塩；ジルコニウムテトラブトキシド等のジルコニウム有機酸塩；などが挙げられる。ジルコニウム塩を含む原料は，上記ジルコニウム塩を１種又は２種以上含むことができる。
【００３８】
ジルコニウム塩は溶媒に溶解させてジルコニウム塩溶液として使用することができる。当該溶媒としては，ジルコニウム塩を溶解できるものであれば特に限定されず，例えば，水等の水系溶媒；メタノール，エタノール等の有機溶媒；などが挙げられる。溶媒は１種又は２種以上を組み合わせて使用することができる。
【００３９】
ジルコニウム塩と溶媒との組み合わせに関して，以下に具体例を挙げる。溶媒として水等の水系溶媒を用いる場合は，ジルコニウム塩は，オキシ硝酸ジルコニウム，オキシ塩化ジルコニウム等のジルコニウム無機酸塩を用いることができる。また，溶媒としてメタノール，エタノール等の有機溶媒を用いる場合は，ジルコニウム塩は，ジルコニウムテトラブトキシド等のジルコニウム有機酸塩を用いることができる。本実施形態では，工業的規模での生産性等の見地より，溶媒として水系溶媒（特に水），ジルコニウム塩としてオキシ塩化ジルコニウムの組み合わせが好ましい。
【００４０】
スカンジウム塩としては，スカンジウムイオンを供給できる化合物であれば特に限定されず，例えば，硝酸スカンジウム，塩化スカンジウム，蓚酸スカンジウム等のスカンジウム無機酸塩；スカンジウムブトキシド等のスカンジウム有機酸塩；などが挙げられる。スカンジウム塩を含む原料は，上記ジルコニウム塩を１種又は２種以上含むことができる。
【００４１】
スカンジウム塩は溶媒に溶解させてスカンジウム塩溶液として使用することができる。当該溶媒としては，スカンジウムを溶解できるものであれば特に限定されず，例えば，水等の水系溶媒；メタノール，エタノール等の有機溶媒；などが挙げられる。溶媒は１種又は２種以上を組み合わせて使用することができる。
【００４２】
スカンジウム塩と溶媒との組み合わせに関して，以下に具体例を挙げる。溶媒として水等の水系溶媒を用いる場合は，スカンジウム塩は，硝酸スカンジウム，塩化スカンジウム，蓚酸スカンジウム等のスカンジウム無機酸塩を用いることができる。また，溶媒としてメタノール，エタノール等の有機溶媒を用いる場合は，スカンジウム塩は，スカンジウムブトキシド等のスカンジウム有機酸塩を用いることができる。本実施形態では，工業的規模での生産性等の見地より，溶媒として水系溶媒（特に水），ジルコニウム塩として塩化スカンジウムの組み合わせが好ましい。
【００４３】
ジルコニウム塩を含む原料とスカンジウム塩を含む原料の混合割合は，ジルコニウム塩とスカンジウム塩とが酸化物換算（ＺｒＯ２：Ｓｃ２Ｏ３）で１−ｘ−ａ：ｘ（ただし，０．０９≦ｘ≦０．１１，かつ，０．００２≦ａ＜０．０１）のモル比になる範囲で，適宜，調整することができる。
【００４４】
第二工程では，上記のように得られたスカンジウム−ジルコニウム複合水酸化物を焼成することで，酸化物を得る。焼成条件は，例えば，焼成温度を６００〜１２００℃とすることができ，７００〜１１００℃とすることがより好ましい。また，焼成時間は２〜１０時間とすることができ，３〜９時間とすることがより好ましい。この焼成は，例えば，大気圧下で行うことができる。
【００４５】
第三工程では，得られた前記酸化物にアルミナを添加する。アルミナを添加する前にあらかじめ前記酸化物の粉砕を行ってもよい。アルミナの添加割合は，式（１）を満たすようにアルミナを添加する限りは特に限定されない。
【００４６】
アルミナを添加した後は，例えば，ボールミル等の工程の粉砕機で粉砕処理をしてもよい。この粉砕を行うことで，得られる化合物Aの焼結体中においてアルミナが分散して存在しやすくなる。粉砕後は，得られた粉末を乾燥処理する。これにより，化合物Ａを得ることができる。乾燥処理は，例えば，乾燥温度を１００〜２５０℃とすることができ，１１０〜２４０℃とすることがより好ましい。乾燥時間は１２〜１２０時間とすることができ，２４〜９６時間とすることがより好ましい。この乾燥処理は，例えば，大気圧下で行うことができる。
【００４７】
上記のように，第一工程，第二工程及び第三工程を含む共沈法で製造される化合物Ａは，ジルコニア（ＺｒＯ２）中にスカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）が固溶されたスカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）が主成分である。そして，Ａｌ２Ｏ３は，ＳｃＳＺ中に良好な分散状態で存在しやすくなる。
【００４８】
本実施形態のスカンジア安定化ジルコニア粉末の製造方法は特に限定されないが，上述したように，Ａｌ２Ｏ３がＳｃＳＺ中に良好な分散状態で存在しやすくなるという観点から，上記共沈法によって化合物Ａを製造する工程を含むことが好ましい。すなわち，スカンジア安定化ジルコニア粉末の製造方法は，上述した第一工程，第二工程，第三工程を含むことが好ましい。これにより，化合物Ａを含むスカンジア安定化ジルコニア粉末を製造することができる。
【００４９】
なお，スカンジア安定化ジルコニア粉末を製造するにあたっては，化合物Ａ以外の他の添加剤等の材料を添加する工程を有してもよい。他の添加剤としては，例えば，焼結状剤等が例示される。
【００５０】
本実施形態のスカンジア安定化ジルコニア焼結体の製造方法は特に限定されないが，上述したように，Ａｌ２Ｏ３がＳｃＳＺ中に良好な分散状態で存在しやすくなるとい観点から，上記共沈法によって化合物Ａを製造する工程を含むことが好ましい。
【００５１】
より具体的には，スカンジア安定化ジルコニア焼結体の製造方法は，上述した第一工程，第二工程，第三工程を含み，さらに，第三工程で得られたアルミナが添加された酸化物を焼結させる第四工程を含むことが好ましい。
【００５２】
第四工程における焼結は，例えば，冷間等方圧加圧法（ＣＩＰ），熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）等の焼結方法を採用することができる。例えば，ＣＩＰであれば，圧力を０．３〜２．５ｔ／ｃｍ２とすることができ，０．５〜２．０ｔ／ｃｍ２とすることがより好ましい。また，焼結温度は１２００〜１６００℃とすることができ，１３００〜１５００℃とすることがより好ましい。焼結時間は１〜２４時間とすることができ，２〜２０時間とすることがより好ましい。上記焼結は，例えば，大気雰囲気下で行うことができる。
【００５３】
本実施形態のスカンジア安定化ジルコニア粉末は，固体酸化物型燃料電池用の材料として適している。具体的には，スカンジア安定化ジルコニア粉末を焼結して焼結体（スカンジア安定化ジルコニア焼結体）を形成し，この焼結体を所定形状に成形することで固体電解質を製造できる。該固体電解質は，ＳＯＦＣの固体電解質板として用いられる。固体電解質を成形する方法は，例えば，静水圧プレス機により加圧成形する方法，あるいは，ドクターブレード法やカレンダーロール法を採用できる。成形条件等は特に限定されず，従来と同様の条件で行うことができる。
【００５４】
上記固体電解質板の片面に燃料極を形成し，反対側の面に空気極を形成することで，固体電解質の片面に燃料極を有し，反対側面に空気極を有する単セル構造を備えて成る固体酸化物形燃料電池が得られる。
【００５５】
固体電解質板の片面に燃料極を形成するにあたっては，燃料極を形成させるためのセラミックス粉末を含むスラリーを準備し，このスラリーをいわゆるスラリーコーティング法により固体電解質板の片面に塗布し，その後，所定温度で焼成を行う。これにより，固体電解質板の片面に薄膜状の燃料極が形成される。燃料極を形成させるためのセラミックス粉末としては，例えば，ニッケル６０重量％−ジルコニア４０重量％で構成されるＮｉ−ジルコニアサーメット材料等が例示されるが，その他，従来から燃料極として使用されているセラミックス粉末も使用できる。燃料極の厚みは，例えば，５０μｍとすることができるが，この厚みに限定されるものではない。
【００５６】
一方，固体電解質板に空気極を形成するにあたっても燃料極の形成と同様，空気極を形成させるためのセラミックス粉末を含むスラリーを用いたスラリーコーティング法により固体電解質板の片面に塗布し，その後，所定温度で焼成を行う。これにより，固体電解質板の燃料極の形成面とは反対側の面に薄膜状の空気極が形成される。空気極を形成させるためのセラミックス粉末としては，例えば，ランタンストロンチウムマンガネイト（Ｌａ（Ｓｒ）ＭｎＯ３）を等が例示されるが，その他，従来から空気極として使用されているセラミックス粉末も使用できる。空気極の厚みは，例えば，５０μｍとすることができるが，この厚みに限定されるものではない。
【００５７】
上記のように構成される固体酸化物形燃料電池は，本実施形態のスカンジア安定化ジルコニア粉末で形成された固体電解質板を備えるので，優れた発電効率を有する。そのため，このような固体酸化物形燃料電池を使用すれば，エネルギー効率に優れる発電システムを構築することが可能である。
【実施例】
【００５８】
以下，実施例により本発明をより具体的に説明するが，本発明はこれら実施例の態様に限定されるものではない。
【００５９】
なお，実施例及び比較例において得られた材料中には，不可避不純物として酸化ハフニウムが酸化ジルコニウムに対して１．３〜２．５重量％含まれている。
【００６０】
（実施例１）
オキシ塩化ジルコニウム水溶液と塩化スカンジウム水溶液とを，ジルコニア成分の重量とスカンジア成分の重量との比率が８８．９：１１．１となるよう混合し，ジルコニア及びスカンジアの総重量が１ｗｔ％となるよう水量を調整して分散液を得た。この分散液に，アルカリとしてＮａＯＨ（水酸化ナトリウム）を，ジルコニア成分及びスカンジア成分の総重量の６倍量添加することで中和処理を行った。これにより，スカンジウム−ジルコニウム複合水酸化物を得た。得られた水酸化物を固液分離によって回収し，得られた固形分を電気炉で大気中８００℃にて５時間焼成した。次いで，得られた酸化物にアルミナを（ＺｒＯ２）０．８９５（Ｓｃ２Ｏ３）０．１（Ａｌ２Ｏ３）０．００５となるよう添加し，ボールミルで粉砕，分散させた後，１２０℃で乾燥処理を行うことで，粉末を得た。
【００６１】
得られた粉末のＸＲＤパターンをＸ線回折装置で測定した結果，サンプルのＸＲＤパターンは菱面体晶相であった。
【００６２】
次いで，上記粉末を，ＣＩＰを用いて１．０ｔ／ｃｍ２の圧力で２分間加圧した後，電気炉で大気中１４５０℃，２時間にわたって熱処理を行うことで焼結体を得た。
【００６３】
得られた焼結体のＸＲＤパターンをＸ線回折装置で測定した結果，サンプルのＸＲＤパターンは立方晶相であった。
【００６４】
さらに，交流インピーダンス法を用い焼結体の粒界抵抗値を測定した結果，４００℃で６１９．０Ω・ｃｍ，４５０℃で１０９．１Ω・ｃｍ，５００℃で３５．７Ω・ｃｍ，５５０℃で５．６Ω・ｃｍであった。
【００６５】
（実施例２）
粉末に含まれる化合物の組成が（ＺｒＯ２）０．８９６（Ｓｃ２Ｏ３）０．１（Ａｌ２Ｏ３）０．００４となるように，各原料の配合量を変更したこと以外は，実施例１と同様の方法により粉末及び焼結体を調製した。
【００６６】
得られた粉末のＸＲＤパターンをＸ線回折装置で測定した結果，サンプルのＸＲＤパターンは菱面体晶相であった。
【００６７】
得られた焼結体のＸＲＤパターンをＸ線回折装置で測定した結果，サンプルのＸＲＤパターンは立方晶相であった。
【００６８】
さらに，交流インピーダンス法を用い焼結体の粒界抵抗値を測定した結果，４００℃で５４８．７Ω・ｃｍ，４５０℃で１２７．９Ω・ｃｍ，５００℃で３６．２Ω・ｃｍ，５５０℃で８．３Ω・ｃｍであった。
【００６９】
（実施例３）
粉末に含まれる化合物の組成が（ＺｒＯ２）０．８９７（Ｓｃ２Ｏ３）０．１（Ａｌ２Ｏ３）０．００３となるように，各原料の配合量を変更したこと以外は，実施例１と同様の方法により粉末及び焼結体を調製した。
【００７０】
得られた粉末のＸＲＤパターンをＸ線回折装置で測定した結果，サンプルのＸＲＤパターンは菱面体晶相であった。
【００７１】
得られた焼結体のＸＲＤパターンをＸ線回折装置で測定した結果，サンプルのＸＲＤパターンは立方晶相であった。
【００７２】
さらに，交流インピーダンス法を用い焼結体の粒界抵抗値を測定した結果，４００℃で５９２．０Ω・ｃｍ，４５０℃で１４２．２Ω・ｃｍ，５００℃で４２．１Ω・ｃｍ，５５０℃で９．５Ω・ｃｍであった。
【００７３】
さらに，上記実施例３で得られた焼結体を，大気圧下，６００℃で１０００時間熱処理した後，ＸＲＤパターンをＸ線回折装置で測定した結果，焼結体のＸＲＤパターンは立方晶単相であった。
【００７４】
（比較例１）
粉末に含まれる化合物の組成が（ＺｒＯ２）０．８９９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１（Ａｌ２Ｏ３）０．００１となるように，各原料の配合量を変更したこと以外は，実施例１と同様の方法により粉末及び焼結体を調製した。
【００７５】
得られた粉末のＸＲＤパターンをＸ線回折装置で測定した結果，サンプルのＸＲＤパターンは菱面体晶相であった。
【００７６】
得られた焼結体のＸＲＤパターンをＸ線回折装置で測定した結果，サンプルのＸＲＤパターンは菱面体晶相であった。
【００７７】
（比較例２）
粉末に含まれる化合物の組成が（ＺｒＯ２）０．８９（Ｓｃ２Ｏ３）０．１（Ａｌ２Ｏ３）０．０１となるように，各原料の配合量を変更したこと以外は，実施例１と同様の方法により粉末及び焼結体を調製した。
【００７８】
得られた粉末のＸＲＤパターンをＸ線回折装置で測定した結果，サンプルのＸＲＤパターンは菱面体晶相であった。
【００７９】
得られた焼結体のＸＲＤパターンをＸ線回折装置で測定した結果，サンプルのＸＲＤパターンは立方晶相であった。
【００８０】
さらに，交流インピーダンス法を用い焼結体の粒界抵抗値を測定した結果，４００℃で１０３６．４Ω・ｃｍ，４５０℃で２１７．７Ω・ｃｍ，５００℃で６０．８Ω・ｃｍ，５５０℃で１３．７Ω・ｃｍであった。
【００８１】
（比較例３）
粉末に含まれる化合物の組成が（ＺｒＯ２）０．８４（Ｓｃ２Ｏ３）０．１（Ａｌ２Ｏ３）０．０６となるように，各原料の配合量を変更したこと以外は，実施例１と同様の方法により粉末及び焼結体を調製した。
【００８２】
交流インピーダンス法を用い焼結体の粒界抵抗値を測定した結果，４００℃で１３４５．７Ω・ｃｍ，４５０℃で２９５．９Ω・ｃｍ，５００℃で８１．９Ω・ｃｍ，５５０℃で１９．６Ω・ｃｍであった。
【００８３】
（比較例４）
粉末に含まれる化合物の組成が（ＺｒＯ２）０．８２（Ｓｃ２Ｏ３）０．１（Ａｌ２Ｏ３）０．０８となるように，各原料の配合量を変更したこと以外は，実施例１と同様の方法により粉末及び焼結体を調製した。
【００８４】
交流インピーダンス法を用い焼結体の粒界抵抗値を測定した結果，４００℃で２０６９．０Ω・ｃｍ，４５０℃で４６７．５Ω・ｃｍ，５００℃で１３２．２Ω・ｃｍ，５５０℃で３１．９Ω・ｃｍであった。
【００８５】
（Ｘ線回折法）
結晶構造は，Ｘ線回折（ＸＲＤ）測定のスペクトルから判定した。Ｘ線回折測定は，リガク社製「ＭｉｎｉＦｌｅｘII」を用い，ＣｕＫα１線により２θ＝２０°〜８０°の範囲で室温にて測定を行なった。具体的には，各実施例で得られた粉末又は焼結体のＸ線回折測定で観測されたＸ線回折ピークのうち，２θ＝２８°〜３２°，４９°〜５２°付近に観測されるＸ線回折ピークが２本に，５９°〜６２°付近に観測されるＸ線回折ピークが４本に分裂した場合は菱面体晶相，分裂しない場合は立方晶相であるとの判断をした。
【００８６】
（交流インピーダンス法による導電率測定）
導電率の測定には，インピーダンスメーター（ＨＰ４１９４Ａ）を用いた。インピーダンスメーターの周波数範囲を１００Ｈｚ〜１０ＭＨｚとして測定を行い，３００℃〜８００℃の温度範囲にて複素インピーダンス解析により，導電率と温度との関係をプロット（アレニウスプロット）することで導電率を測定し，粒界抵抗値を算出した。
【００８７】
実施例と比較例の対比から（ＺｒＯ２）１−ｘ−ａ（Ｓｃ２Ｏ３）ｘ（Ａｌ２Ｏ３）ａ（０．０９≦ｘ≦０．１１，かつ，０．００２≦ａ＜０．０１）で表される化合物を含有するスカンジア安定化ジルコニア粉末の焼結体は，低い粒界抵抗値を有することがわかる。従って，スカンジア安定化ジルコニア粉末の焼結体は，高イオン電導性の固体酸化物形燃料電池に適した材料である。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明の固体酸化物形燃料電池用スカンジア安定化ジルコニア粉末は，従来よりも低い粒界抵抗値を有し，高いイオン電導性を備える焼結体となることができるため，固体酸化物形燃料電池に優れた発電効率を付与できる。そのため，固体酸化物形燃料電池用スカンジア安定化ジルコニア粉末は，固体酸化物形燃料電池を構成する固体電解質用の電解質材料として有用である。