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JP2012076988A - Ionically conductive thin film material and method for producing the same - Google Patents

Ionically conductive thin film material and method for producing the same Download PDF

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JP2012076988A
JP2012076988A JP2011189904A JP2011189904A JP2012076988A JP 2012076988 A JP2012076988 A JP 2012076988A JP 2011189904 A JP2011189904 A JP 2011189904A JP 2011189904 A JP2011189904 A JP 2011189904A JP 2012076988 A JP2012076988 A JP 2012076988A
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JP
Japan
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thin film
film material
conductive thin
ion conductive
ion
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Withdrawn
Application number
JP2011189904A
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Japanese (ja)
Inventor
Tetsuo Yazawa
哲夫 矢澤
Yusuke Taiko
裕介 大幸
Takeshi Yamada
剛 山田
Hironori Takase
寛典 高瀬
Hiroki Yamazaki
博樹 山崎
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Hyogo Prefectural Government
Nippon Electric Glass Co Ltd
Original Assignee
Hyogo Prefectural Government
Nippon Electric Glass Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ionically conductive thin film material, in particular, a proton-conducting material, having satisfactory ion conductivity in 200-500°C of medium temperature zone, without requiring moistening, and excellent in moldability and long term stability.SOLUTION: This ionically conductive thin film material contains, as its composition, 15-80% of PO, 0-70% of SiO, and 5-35% of RO (total of LiO, NaO, KO, RbO, CsO and AgO), in terms of mol%, and has a thin plate shape, and a thickness thereof is 1-500 μm.

Description

本発明は、イオン伝導性薄膜材料(イオン伝導体)及びその製造方法に関し、特にプロトン伝導性が良好なイオン伝導性薄膜材料及びその製造方法に関する。   The present invention relates to an ion conductive thin film material (ion conductor) and a method for producing the same, and more particularly to an ion conductive thin film material having good proton conductivity and a method for producing the same.

燃料電池は、発電効率の理論値が高く、また廃熱も利用可能であるため、最新鋭の火力発電等と比較して、二酸化炭素を大幅に削減できると共に、十分な電気、熱の供給が可能である。また、家庭用、車載用等の小規模発電用途としては、パーフルオロアルキルスルホン酸系ポリマー(登録商標Nafion)等に代表される固体高分子燃料電池が注目されている。しかし、現在のところ、上記の固体高分子燃料電池は、動作温度が80℃前後と低いため、発電効率(〜33%程度)が低いという問題がある。   Fuel cells have a high theoretical value for power generation efficiency and can also use waste heat, so they can significantly reduce carbon dioxide and provide sufficient electricity and heat compared to state-of-the-art thermal power generation. Is possible. Further, solid polymer fuel cells represented by perfluoroalkyl sulfonic acid polymers (registered trademark Nafion) and the like have attracted attention as small-scale power generation applications such as home use and in-vehicle use. However, at present, the solid polymer fuel cell has a problem of low power generation efficiency (about 33%) because its operating temperature is as low as around 80 ° C.

また、リン酸形燃料電池は、実用化に至っているが、動作温度が200℃程度であり、また製造コストが高いという問題がある。さらに、固体酸化物形燃料電池は、動作温度が1000℃前後と非常に高いため、燃料電池の構成部材に安価なステンレス等を使用できないという問題がある。このような事情から、図1に示すGAP部分に対応する温度域、つまり200〜500℃の中温域で良好に動作可能な燃料電池が求められている。なお、500℃程度まで燃料電池の動作温度を上昇できれば、50%を超える総合効率の達成も可能であると言われている。   Moreover, although the phosphoric acid fuel cell has been put into practical use, there are problems that the operating temperature is about 200 ° C. and the manufacturing cost is high. Furthermore, since the solid oxide fuel cell has an extremely high operating temperature of about 1000 ° C., there is a problem that inexpensive stainless steel or the like cannot be used as a constituent member of the fuel cell. Under such circumstances, there is a demand for a fuel cell that can operate satisfactorily in the temperature range corresponding to the GAP portion shown in FIG. If the operating temperature of the fuel cell can be increased to about 500 ° C., it is said that overall efficiency exceeding 50% can be achieved.

特開2002−097272号公報JP 2002-097272 A

T.Norby、Solid State Ionics、125、1、1990T.A. Norby, Solid State Ionics, 125, 1, 1990 阿部良弘、NEW GLASS、Vol.12、No.3、1997、p28Yoshihiro Abe, NEW GLASS, Vol. 12, no. 3, 1997, p28

500℃程度まで動作温度を上昇させるには、当該温度域で高いプロトン伝導性又は酸素イオン伝導性を示す電解質の開発が不可欠になる。しかし、200〜500℃の中温域において、実用的な電気伝導度を有するイオン伝導性薄膜材料は未だに報告されていないのが実情である(非特許文献1参照)。   In order to raise the operating temperature to about 500 ° C., it is indispensable to develop an electrolyte exhibiting high proton conductivity or oxygen ion conductivity in the temperature range. However, the actual situation is that no ion-conductive thin film material having practical electric conductivity has been reported yet in an intermediate temperature range of 200 to 500 ° C. (see Non-Patent Document 1).

このような状況の下、現在、中温域で動作するイオン伝導性薄膜材料、特にプロトン伝導性薄膜材料の候補として、リン酸塩ガラスが検討されている(特許文献1、非特許文献2参照)。   Under such circumstances, phosphate glass is currently being studied as a candidate for an ion conductive thin film material that operates in the middle temperature range, particularly a proton conductive thin film material (see Patent Document 1 and Non-Patent Document 2). .

しかし、特許文献1、非特許文献2に記載のリン酸塩ガラスは、ゾル−ゲル法で作製されているため、使用時に加湿が必要であり、また耐熱性が低く、更には成形性(特に、薄板形状への成形性)や化学的耐久性にも課題を有している。   However, since the phosphate glasses described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 are produced by a sol-gel method, humidification is necessary at the time of use, heat resistance is low, and moldability (particularly, , The formability into a thin plate shape) and chemical durability also have problems.

そこで、本発明は、加湿しなくても、200〜500℃の中温域で良好なイオン伝導性を有し、成形性や長期安定性に優れたイオン伝導性薄膜材料、特にプロトン伝導性薄膜材料を創案することを技術的課題とする。   Accordingly, the present invention provides an ion conductive thin film material, particularly a proton conductive thin film material, which has good ion conductivity in the middle temperature range of 200 to 500 ° C. and is excellent in moldability and long-term stability without being humidified. The technical challenge is to create

本発明者等は、鋭意研究した結果、P25、SiO2、アルカリ金属酸化物の含有量を所定範囲に規制すると共に、薄板形状(フィルム形状を含む)に加工し、その板厚を所定範囲に規制することにより、上記技術的課題を解決できることを見出し、本発明として、提案するものである。すなわち、本発明のイオン伝導性薄膜材料は、組成として、モル%表示で、P25 15〜80%、SiO2 0〜70%、R2O(Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O、及びAg2Oの合量) 5〜35%を含有すると共に、薄板形状を有し、その厚みが1〜500μmであることを特徴とする。 As a result of diligent research, the present inventors have regulated the contents of P 2 O 5 , SiO 2 , and alkali metal oxide to a predetermined range, and processed them into a thin plate shape (including a film shape). The present inventors have found that the above technical problem can be solved by restricting to a predetermined range, and propose as the present invention. That is, the ion conductive thin film material of the present invention has a composition expressed in mol%, P 2 O 5 15-80%, SiO 2 0-70%, R 2 O (Li 2 O, Na 2 O, K 2 The total amount of O, Rb 2 O, Cs 2 O, and Ag 2 O) is 5 to 35%, has a thin plate shape, and has a thickness of 1 to 500 μm.

本発明のイオン伝導性薄膜材料は、P25を15〜80%、SiO2を0〜70%、R2Oを5〜35%を含有する。このようにすれば、加湿しなくても、200〜500℃の中温域で良好なイオン伝導性を示すと共に、長期安定性も向上する。また、このようにすれば、溶融性が良好になるため、溶融法でイオン伝導性薄膜材料を作製し易くなり、結果として、成形性、均質性、緻密性を高めることができる。特に、このようにすれば、オーバーフローダウンドロー法、リドロー法、スロットダウンドロー法等により、薄板形状のガラスを成形し易くなる。 Ion conductive thin film material of the present invention, P 2 O 5 15 to 80% of SiO 2 0 to 70% containing 5 to 35% of R 2 O. If it does in this way, even if it does not humidify, while showing favorable ion conductivity in an intermediate temperature range of 200-500 ° C, long-term stability will also improve. In addition, since the meltability is improved in this way, it becomes easy to produce an ion conductive thin film material by a melting method, and as a result, the moldability, homogeneity, and denseness can be improved. In particular, this makes it easy to form a thin glass sheet by the overflow downdraw method, the redraw method, the slot downdraw method, or the like.

本発明のイオン伝導性薄膜材料は、薄板形状を有し、その厚みが1〜500μmである。このようにすれば、200〜500℃の中温域で面積抵抗値が小さくなるため、200〜500℃の中温域において、イオン伝導率が高くなり、電気化学デバイスの性能が向上する。特に、このようにすれば、燃料電池に適用した場合に、電解質の抵抗が小さくなるため、抵抗ロスが小さくなり、結果として、燃料電池の発電効率が向上する。なお、薄板形状であり、且つ均質性や緻密性が良好であれば、直接メタノール形燃料電池において、クロスオーバーを抑制し易くなる。   The ion conductive thin film material of the present invention has a thin plate shape and a thickness of 1 to 500 μm. If it does in this way, since a sheet resistance value becomes small in the middle temperature range of 200-500 ° C, in the middle temperature range of 200-500 ° C, ion conductivity becomes high and the performance of an electrochemical device improves. In particular, in this way, when applied to a fuel cell, the resistance of the electrolyte is reduced, so that the resistance loss is reduced, and as a result, the power generation efficiency of the fuel cell is improved. In addition, if it is a thin plate shape, and homogeneity and denseness are favorable, it becomes easy to suppress a crossover in a direct methanol fuel cell.

第二に、本発明のイオン伝導性薄膜材料は、組成として、モル%表示で、P25 15〜60%、SiO2 10〜60%、R2O(Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O、及びAg2Oの合量) 5〜35%を含有することが好ましい。 Secondly, the ion conductive thin film material of the present invention has a composition expressed in mol%, P 2 O 5 15-60%, SiO 2 10-60%, R 2 O (Li 2 O, Na 2 O, The total amount of K 2 O, Rb 2 O, Cs 2 O, and Ag 2 O) is preferably 5 to 35%.

第三に、本発明のイオン伝導性薄膜材料は、R2O成分(Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O、Ag2O)の内、少なくとも2種以上を含むことが好ましい。このようにすれば、混合アルカリ効果により、アルカリイオンのイオン伝導が抑制されるため、プロトン伝導の割合が増加し、結果として、燃料電池の電解質に適用し易くなる。なお、「R2O成分の内、少なくとも2種以上を含む」とは、0.1モル%以上のR2O成分が組成中に2種以上存在する状態を指す。 Thirdly, the ion conductive thin film material of the present invention includes at least two kinds of R 2 O components (Li 2 O, Na 2 O, K 2 O, Rb 2 O, Cs 2 O, Ag 2 O). It is preferable to contain. By doing so, the ion conduction of alkali ions is suppressed by the mixed alkali effect, so that the proportion of proton conduction increases, and as a result, it becomes easy to apply to the electrolyte of the fuel cell. Incidentally, "of R 2 O component, including at least two kinds," and refers to a state in which 0.1 mol% or more of R 2 O component is present two or more in the composition.

第四に、本発明のイオン伝導性薄膜材料は、モル比(Na2O+K2O)/R2Oが0.2〜1.0であることが好ましい。このようにすれば、プロトン伝導性を高め易くなる。なお、「Na2O+K2O」は、Na2OとK2Oの合量を指している。 Fourth, the ion conductive thin film material of the present invention preferably has a molar ratio (Na 2 O + K 2 O) / R 2 O of 0.2 to 1.0. In this way, it becomes easy to improve proton conductivity. “Na 2 O + K 2 O” refers to the total amount of Na 2 O and K 2 O.

第五に、本発明のイオン伝導性薄膜材料は、モル比Na2O/R2Oが0.2〜0.8であることが好ましい。このようにすれば、プロトン伝導性を高め易くなる。 Fifth, the ion conductive thin film material of the present invention preferably has a molar ratio Na 2 O / R 2 O of 0.2 to 0.8. In this way, it becomes easy to improve proton conductivity.

第六に、本発明のイオン伝導性薄膜材料は、更に、組成として、Al23を0.1モル%以上含むことが好ましい。このようにすれば、潮解性が低下するため、長期安定性を高め易くなる。 Sixth, the ion conductive thin film material of the present invention preferably further contains 0.1 mol% or more of Al 2 O 3 as a composition. In this way, since the deliquescence is lowered, long-term stability is easily improved.

第七に、本発明のイオン伝導性薄膜材料は、500℃における面積抵抗値(Ω・cm2)が30以下であることが好ましい。ここで、「500℃における面積抵抗値」は、例えば、交流インピーダンス法で測定可能である。測定試料として、例えば、Agペーストにより、試料(寸法:1.5cm×1cm、光学研磨済み)の表面にAg電極を形成したものを使用することができる。 Seventh, the ion conductive thin film material of the present invention preferably has an area resistance value (Ω · cm 2 ) at 500 ° C. of 30 or less. Here, the “area resistance value at 500 ° C.” can be measured by, for example, an AC impedance method. As a measurement sample, for example, an Ag electrode formed on the surface of a sample (dimension: 1.5 cm × 1 cm, optically polished) with an Ag paste can be used.

第八に、本発明のイオン伝導性薄膜材料は、結晶化度が50%以下の非晶質であることが好ましい。ここで、「結晶化度」は、例えば、X線回折装置(リガク製)を用い、回折角2θが10〜60°の範囲において測定した散乱強度面積と結晶ピーク面積を多重ピーク分離法を用いて算出し、散乱強度面積に対する結晶ピーク面積の比率(%)として求められる。   Eighth, the ion conductive thin film material of the present invention is preferably amorphous with a crystallinity of 50% or less. Here, for the “crystallinity”, for example, an X-ray diffractometer (manufactured by Rigaku) is used, and a scattering intensity area and a crystal peak area measured in a diffraction angle 2θ range of 10 to 60 ° are used by a multiple peak separation method. And calculated as the ratio (%) of the crystal peak area to the scattering intensity area.

第九に、本発明のイオン伝導性薄膜材料は、燃料電池に用いることが好ましい。   Ninth, the ion conductive thin film material of the present invention is preferably used for a fuel cell.

第十に、本発明の電気化学デバイスは、上記のイオン伝導性薄膜材料を含むことを特徴とする。   10thly, the electrochemical device of this invention is characterized by including said ion conductive thin film material.

第十一に、本発明のイオン伝導性薄膜材料の製造方法は、上記のイオン伝導性薄膜材料の製造方法であって、原料を溶融した後、得られた溶融ガラスを薄板形状に成形する工程を有することを特徴とする。このようにすれば、成形性、均質性、緻密性を高めることができる。   Eleventh, the method for producing an ion conductive thin film material according to the present invention is a method for producing the ion conductive thin film material described above, wherein the raw glass is melted and then the obtained molten glass is formed into a thin plate shape. It is characterized by having. In this way, moldability, homogeneity, and denseness can be improved.

第十二に、本発明のイオン伝導性薄膜材料の製造方法は、成形方法が、オーバーフローダウンドロー法、スロットダウンドロー法、リドロー法のいずれかであることが好ましい。これらの成形方法は、薄板形状に成形し易い利点を有している。   12thly, as for the manufacturing method of the ion conductive thin film material of this invention, it is preferable that the shaping | molding method is any one of the overflow down draw method, the slot down draw method, and the redraw method. These molding methods have the advantage of being easily molded into a thin plate shape.

種々の燃料電池の動作温度とイオン伝導率の関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the operating temperature of various fuel cells, and ion conductivity.

本発明のイオン伝導性薄膜材料おいて、上記のように組成を限定した理由を以下に示す。なお、組成に関する説明において、%表示はモル%を指す。   The reason why the composition of the ion conductive thin film material of the present invention is limited as described above will be described below. In the description relating to the composition, “%” indicates mol%.

25は、イオン伝導率を高める成分である。P25の含有量は15〜80%、好ましくは20〜70%、より好ましくは25〜65%、更に好ましくは25〜60%、特に好ましくは25〜50%、最も好ましくは25〜45%である。P25の含有量が少なくなると、イオン伝導率が低下し易くなる。一方、P25の含有量が多くなると、潮解し易くなるため、長期安定性が低下し易くなる。 P 2 O 5 is a component that increases ionic conductivity. The content of P 2 O 5 is 15 to 80%, preferably 20 to 70%, more preferably 25 to 65%, still more preferably 25 to 60%, particularly preferably 25 to 50%, and most preferably 25 to 45%. %. When the content of P 2 O 5 decreases, the ionic conductivity tends to decrease. On the other hand, when the content of P 2 O 5 increases, it becomes easy to deliquesce, so that long-term stability tends to decrease.

SiO2は、ネットワークフォーマーであり、また化学的耐久性を高める成分である。SiO2の含有量は0〜70%、好ましくは0.1〜60%、より好ましくは1〜50%、更に好ましくは5〜49%、特に好ましくは10〜40%である。SiO2の含有量が少なくなると、化学的耐久性が低下し易くなる。一方、SiO2の含有量が多くなると、イオン伝導率が低下し易くなり、また溶融、成形時に失透し易く、更に粘度が不当に上昇して、溶融、成形が困難になる。更に、粘度が急激に変化する温度域が発生し易くなり、成形性が低下し易くなる。 SiO 2 is a network former and a component that enhances chemical durability. The content of SiO 2 is 0 to 70%, preferably 0.1 to 60%, more preferably 1 to 50%, still more preferably 5 to 49%, and particularly preferably 10 to 40%. When the content of SiO 2 is reduced, the chemical durability tends to be lowered. On the other hand, when the content of SiO 2 increases, the ionic conductivity tends to decrease, and it tends to devitrify during melting and molding, and the viscosity increases unreasonably, making melting and molding difficult. Furthermore, a temperature range in which the viscosity changes abruptly tends to occur, and the moldability tends to decrease.

2Oは、イオン伝導率を高める成分であると共に、粘度を低下させて、溶融性を高める成分である。R2Oの含有量は5〜35%、好ましくは8〜30%、より好ましくは10〜25%である。R2Oの含有量が少なくなると、イオン伝導率が低下し易くなり、また粘度が不当に上昇して、溶融、成形が困難になる。一方、R2Oの含有量が多くなると、化学的耐久性が低下し易くなる。また粘度が急激に変化する温度域が発生し易くなり、成形性が低下し易くなる。 R 2 O is a component that increases the ionic conductivity and is a component that decreases the viscosity and increases the meltability. The content of R 2 O is 5 to 35%, preferably 8 to 30%, more preferably 10 to 25%. When the content of R 2 O decreases, the ionic conductivity tends to decrease, and the viscosity increases unreasonably, making melting and molding difficult. On the other hand, when the content of R 2 O increases, chemical durability tends to decrease. Moreover, it becomes easy to generate | occur | produce the temperature range from which a viscosity changes rapidly, and a moldability will fall easily.

2O成分を2種以上含み、特に3種以上含むことが好ましい。R2O成分が1種のみであると、混合アルカリ効果を享受できないため、アルカリイオンのイオン伝導を抑制し難くなり、結果として、プロトン伝導の割合(プロトンの輸率)が低下し易くなる。 It is preferable that two or more R 2 O components are contained, particularly three or more. When only one R 2 O component is used, the mixed alkali effect cannot be enjoyed, so that it is difficult to suppress ionic conduction of alkali ions, and as a result, the rate of proton conduction (proton transport number) tends to decrease.

Li2Oは、イオン伝導率を高める成分であると共に、粘度を低下させて、溶融性を高める成分である。Li2Oの含有量は0〜20%、0〜15%、特に0〜10%が好ましい。Li2Oの含有量が多くなると、化学的耐久性が低下し易くなる。 Li 2 O is a component that increases the ionic conductivity, and is a component that decreases the viscosity and increases the meltability. The content of Li 2 O is preferably 0 to 20%, 0 to 15%, particularly preferably 0 to 10%. When the content of Li 2 O increases, chemical durability tends to decrease.

Na2Oは、イオン伝導率を高める成分であると共に、粘度を低下させて、溶融性を高める成分である。Na2Oの含有量は0〜25%、1〜20%、特に3〜15%が好ましい。Na2Oの含有量が多くなると、化学的耐久性が低下し易くなる。なお、Na2Oの含有量が少なくなると、イオン伝導率が低下し易くなり、また粘度が不当に上昇して、溶融、成形が困難になる。更に、粘度が急激に変化する温度域が発生し易くなり、成形性が低下し易くなる。 Na 2 O is a component that increases the ionic conductivity and is a component that decreases the viscosity and increases the meltability. The content of Na 2 O is preferably 0 to 25%, 1 to 20%, particularly preferably 3 to 15%. When the content of Na 2 O increases, chemical durability tends to decrease. When the content of Na 2 O is reduced, the ionic conductivity is likely to be lowered, and the viscosity is unduly increased to make melting and molding difficult. Furthermore, a temperature range in which the viscosity changes abruptly tends to occur, and the moldability tends to decrease.

2Oは、イオン伝導率を高める成分であると共に、粘度を低下させて、溶融性を高める成分である。K2Oの含有量は0〜25%、1〜20%、特に3〜15%が好ましい。K2Oの含有量が多くなると、化学的耐久性が低下し易くなる。なお、K2Oの含有量が少なくなると、イオン伝導率が低下し易くなり、また粘度が不当に上昇して、溶融、成形が困難になる。更に、粘度が急激に変化する温度域が発生し易くなり、成形性が低下し易くなる。 K 2 O is a component that increases the ionic conductivity and is a component that decreases the viscosity and increases the meltability. The content of K 2 O is preferably 0 to 25%, 1 to 20%, particularly preferably 3 to 15%. When the content of K 2 O increases, the chemical durability tends to decrease. If the content of K 2 O decreases, the ionic conductivity tends to decrease, and the viscosity increases unreasonably, making melting and molding difficult. Furthermore, a temperature range in which the viscosity changes abruptly tends to occur, and the moldability tends to decrease.

Ag2Oは、イオン伝導率を高める成分であると共に、粘度を低下させて、溶融性を高める成分である。Ag2Oの含有量は0〜20%、0〜15%、0〜10%、特に実質的に含有しないこと、つまり0.1%以下が好ましい。Ag2Oの含有量が多くなると、原料コストが高騰し易くなる。 Ag 2 O is a component that increases the ionic conductivity and is a component that decreases the viscosity and increases the meltability. The content of Ag 2 O is preferably 0 to 20%, 0 to 15%, 0 to 10%, particularly not substantially contained, that is, 0.1% or less. When the content of Ag 2 O is increased, the raw material cost is likely to increase.

モル比(Na2O+K2O)/R2Oは0.2〜1.0、0.25〜1.0、特に0.3〜1.0が好ましい。このようにすれば、プロトン伝導性を高め易くなると共に、安価な原料を用いて、混合アルカリ効果を享受することができる。なお、「Na2O+K2O」は、Na2OとK2Oの合量を指している。 The molar ratio (Na 2 O + K 2 O) / R 2 O is preferably 0.2 to 1.0, 0.25 to 1.0, and particularly preferably 0.3 to 1.0. If it does in this way, while it becomes easy to improve proton conductivity, it can enjoy a mixed alkali effect using an inexpensive raw material. “Na 2 O + K 2 O” refers to the total amount of Na 2 O and K 2 O.

モル比Na2O/R2Oは0.2〜0.8、0.25〜0.7、特に0.3〜0.65が好ましい。モル比Na2O/R2Oが上記範囲外になると、混合アルカリ効果を享受し難くなるため、アルカリイオンのイオン伝導を抑制し難くなり、結果として、プロトン伝導の割合が低下し易くなる。また、モル比K2O/R2Oは0.2〜0.8、0.25〜0.7、特に0.3〜0.65が好ましい。モル比K2O/R2Oが上記範囲外になると、混合アルカリ効果を享受し難くなるため、アルカリイオンのイオン伝導を抑制し難くなり、結果として、プロトン伝導の割合が低下し易くなる。なお、モル比Li2O/R2Oは、同様の理由により、0.8以下、0.6以下、特に0.5以下が好ましい。 The molar ratio Na 2 O / R 2 O is preferably 0.2 to 0.8, 0.25 to 0.7, and particularly preferably 0.3 to 0.65. When the molar ratio Na 2 O / R 2 O is out of the above range, it becomes difficult to enjoy the mixed alkali effect, so that it becomes difficult to suppress the ionic conduction of alkali ions, and as a result, the proton conduction ratio is likely to decrease. The molar ratio K 2 O / R 2 O is preferably 0.2 to 0.8, 0.25 to 0.7, and particularly preferably 0.3 to 0.65. When the molar ratio K 2 O / R 2 O is out of the above range, it is difficult to enjoy the mixed alkali effect, so that it is difficult to suppress ionic conduction of alkali ions, and as a result, the proton conduction ratio is likely to be reduced. The molar ratio Li 2 O / R 2 O is preferably 0.8 or less, 0.6 or less, particularly 0.5 or less for the same reason.

Al23は、潮解性を抑制して、長期安定性を高める成分である。Al23の含有量は0〜20%、0.1〜16%、1〜12%、特に2〜10%が好ましい。Al23の含有量が多くなると、イオン伝導率が低下し易くなり、また溶融、成形時に失透し易く、更に粘度が不当に上昇して、溶融、成形が困難になる。更に、粘度が急激に変化する温度域が発生し易くなり、成形性が低下し易くなる。 Al 2 O 3 is a component that suppresses deliquescence and improves long-term stability. The content of Al 2 O 3 is preferably 0 to 20%, 0.1 to 16%, 1 to 12%, particularly preferably 2 to 10%. When the content of Al 2 O 3 increases, the ionic conductivity tends to decrease, and it tends to devitrify during melting and molding, and the viscosity increases unreasonably, making melting and molding difficult. Furthermore, a temperature range in which the viscosity changes abruptly tends to occur, and the moldability tends to decrease.

上記成分以外にも、粘度の調整、化学的耐久性の向上、清澄効果の向上を目的として、MgO、CaO、SrO、BaO、ZrO2、TiO2、La23、ZnO、Sb23、Fe23、SnO2、CeO2、SO3、Cl、As23、CuO、Gd23、Y23、Ta23、Nb25、Nd23、Tb23、WO3、V25、MoO3、Bi23、CoO、Cr23、MnO2、NiO、B23等を添加することができ、各成分の含有量はそれぞれ0〜5%が好ましい。但し、MgO+CaO+SrO+BaO(MgO、CaO、SrO、及びBaOの合量)の含有量は、イオン伝導率の低下を招くので、2%以下が好ましく、実質的に含有しないこと、つまり0.1%以下が望ましい。また、As23、CuO、Gd23、Y23、Ta23、Nb25、Nd23、Tb23、WO3、V25、MoO3、Bi23、CoO、Cr23、MnO2、NiOの含有量は、原料コストの高騰を招くので、各々1%以下が好ましく、実質的に含有しないこと、つまり0.1%以下が望ましい。B23も原料コストの高騰を招くので、2%以下が好ましく、実質的に含有しないこと、つまり0.1%以下が望ましい。 In addition to the above components, MgO, CaO, SrO, BaO, ZrO 2 , TiO 2 , La 2 O 3 , ZnO, Sb 2 O 3 are used for the purpose of adjusting viscosity, improving chemical durability, and improving the clarification effect. Fe 2 O 3 , SnO 2 , CeO 2 , SO 3 , Cl, As 2 O 3 , CuO, Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , Ta 2 O 3 , Nb 2 O 5 , Nd 2 O 3 , Tb 2 O 3 , WO 3 , V 2 O 5 , MoO 3 , Bi 2 O 3 , CoO, Cr 2 O 3 , MnO 2 , NiO, B 2 O 3 and the like can be added. 0 to 5% of each is preferable. However, the content of MgO + CaO + SrO + BaO (the total amount of MgO, CaO, SrO, and BaO) causes a decrease in ionic conductivity. desirable. Also, As 2 O 3 , CuO, Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , Ta 2 O 3 , Nb 2 O 5 , Nd 2 O 3 , Tb 2 O 3 , WO 3 , V 2 O 5 , MoO 3 , The content of Bi 2 O 3 , CoO, Cr 2 O 3 , MnO 2 , and NiO causes the raw material cost to rise, so each is preferably 1% or less, and is not substantially contained, that is, 0.1% or less. desirable. B 2 O 3 also causes an increase in raw material cost, so 2% or less is preferable, and it is preferable that it is not substantially contained, that is, 0.1% or less.

本発明のイオン伝導性薄膜材料において、厚みは1〜500μm、2〜200μm、3〜100μm、特に5〜50μm以下が好ましい。また、厚みが1μmより小さいと、ハンドリング性が低下して、電気化学デバイスの製造効率が低下する。一方、厚みが500μmより大きいと、面積抵抗値が上昇して、電気化学デバイスの性能が低下し、特に燃料電池の発電効率が低下する。   In the ion conductive thin film material of the present invention, the thickness is preferably 1 to 500 μm, 2 to 200 μm, 3 to 100 μm, particularly preferably 5 to 50 μm or less. Moreover, when thickness is smaller than 1 micrometer, handling property will fall and the manufacturing efficiency of an electrochemical device will fall. On the other hand, when the thickness is larger than 500 μm, the sheet resistance value increases, the performance of the electrochemical device decreases, and particularly the power generation efficiency of the fuel cell decreases.

本発明のイオン伝導性薄膜材料において、500℃における面積抵抗値(Ω・cm2)は30以下、15以下、特に10以下が好ましい。このようにすれば、200〜500℃の中温域において、イオン伝導率が高くなり、電気化学デバイスの性能が向上する。特に、このようにすれば、電解質の抵抗が小さくなるため、抵抗ロスが小さくなり、結果として、燃料電池の発電効率が向上する。 In the ion conductive thin film material of the present invention, the area resistance value (Ω · cm 2 ) at 500 ° C. is preferably 30 or less, 15 or less, particularly preferably 10 or less. If it does in this way, in the middle temperature range of 200-500 ° C, ion conductivity will become high and the performance of an electrochemical device will improve. In particular, in this way, the resistance of the electrolyte is reduced, so that the resistance loss is reduced, and as a result, the power generation efficiency of the fuel cell is improved.

本発明のイオン伝導性薄膜材料において、500℃におけるイオン伝導率log10σ(S/cm)は−5.5以上、−5.0以上、特に−4.8以上が好ましい。このようにすれば、200〜500℃の中温域における燃料電池として、好適となる。 In the ion conductive thin film material of the present invention, the ion conductivity log 10 σ (S / cm) at 500 ° C. is preferably −5.5 or more, −5.0 or more, particularly preferably −4.8 or more. If it does in this way, it will become suitable as a fuel cell in the 200-500 ° C middle temperature range.

本発明のイオン伝導性薄膜材料において、500℃におけるプロトンの輸率は0.7以上、0.8以上、特に0.9以上が好ましい。このようにすれば、プロトン伝導の割合が増加するため、燃料電池に適用し易くなる。   In the ion conductive thin film material of the present invention, the proton transport number at 500 ° C. is preferably 0.7 or more, 0.8 or more, and particularly preferably 0.9 or more. In this way, since the rate of proton conduction increases, it can be easily applied to a fuel cell.

本発明のイオン伝導性薄膜材料は、結晶化度が50%以下の非晶質であることが好ましい。このようにすれば、均質性や緻密性を高め易くなる。   The ion conductive thin film material of the present invention is preferably amorphous with a crystallinity of 50% or less. If it does in this way, it will become easy to improve homogeneity and denseness.

本発明のイオン伝導性薄膜材料を作製する方法を説明する。まず上記の組成範囲となるように原料を調合する。次に、連続溶融炉内に調合した原料を投入した後、加熱溶融する。続いて、得られた溶融ガラスを成形装置に供給して、薄板形状に成形した後、徐冷する。このようにして、イオン伝導性薄膜材料を作製することができる。なお、本発明のイオン伝導性薄膜材料は、ゾル−ゲル法で作製される態様を完全に排除するものではないが、上記の通り、このような態様は種々の観点から不利である。   A method for producing the ion conductive thin film material of the present invention will be described. First, raw materials are prepared so as to be in the above composition range. Next, the raw materials prepared in the continuous melting furnace are charged and then melted by heating. Subsequently, the obtained molten glass is supplied to a molding apparatus, formed into a thin plate shape, and then slowly cooled. In this way, an ion conductive thin film material can be produced. In addition, although the ion conductive thin film material of this invention does not completely exclude the aspect produced with a sol-gel method, as mentioned above, such an aspect is disadvantageous from various viewpoints.

本発明のイオン伝導性薄膜材料の製造方法において、溶融温度は800℃以上、1000℃以上、1200℃以上、特に1400℃以上が好ましい。このようにすれば、溶融時間を短縮し易くなり、またイオン伝導性薄膜材料を均質化し易くなる。   In the method for producing an ion conductive thin film material of the present invention, the melting temperature is preferably 800 ° C. or higher, 1000 ° C. or higher, 1200 ° C. or higher, particularly 1400 ° C. or higher. If it does in this way, it will become easy to shorten melting time, and it will become easy to homogenize ion conductive thin film material.

徐冷速度を変更することにより、分相していないガラス、分相したガラス、或いは結晶とガラスが混在した結晶化ガラスのいずれかを選択的に得ることができる。なお、分相化、結晶化は、徐冷後に再加熱することでも行うことができる。また、実生産を考慮すれば、実質的に分相していないガラスが好ましく、熱処理による分相化工程を有しないことが好ましい。   By changing the slow cooling rate, it is possible to selectively obtain any of glass that has not undergone phase separation, glass that has undergone phase separation, or crystallized glass in which crystals and glass are mixed. The phase separation and crystallization can also be performed by reheating after slow cooling. In consideration of actual production, glass that is not substantially phase-separated is preferable, and it is preferable not to have a phase separation step by heat treatment.

溶融ガラスの成形方法として、ロールアウト法、オーバーフローダウンドロー法、スロットダウンドロー法、フロート法、リドロー法等の成形方法を採用することができる。特に、オーバフローダウンドロー法、スロットダウンドロー法、リドロー法は、薄板形状に成形し易く、また表面精度に優れるため、好ましい。   As a method for forming the molten glass, a forming method such as a roll-out method, an overflow down-draw method, a slot-down draw method, a float method, or a redraw method can be employed. In particular, the overflow down draw method, the slot down draw method, and the redraw method are preferable because they can be easily formed into a thin plate shape and have excellent surface accuracy.

以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。なお、以下の実施例は単なる例示である。本発明は、以下の実施例に何ら限定されない。   Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples. The following examples are merely illustrative. The present invention is not limited to the following examples.

表1〜5は、本発明の実施例(試料No.1〜34)及び比較例(試料No.35〜41)を示している。   Tables 1 to 5 show examples (samples Nos. 1 to 34) and comparative examples (samples Nos. 35 to 41) of the present invention.

次のようにして、表中の各試料を作製した。まず、表中の組成となるように、原料を調合した後、アルミナ坩堝に投入して、1400〜1600℃で2時間溶融した。次に、得られた溶融ガラスをカーボン板の上に流し出して、成形した後、600℃に保持した電気炉内で徐冷した。続いて、1.5cm×1cm×厚み1.5mmの平板形状に加工した後、研磨紙を用いて、#100、#400、#2000の順序で試料の表面を研磨して、測定試料を得た。この測定試料につき、イオン伝導率、プロトンの輸率、潮解性、耐水性、ガラス化、成形性を評価した。なお、X線回折装置により、各試料は結晶化度が50%以下の非晶質(ガラス)であることが確認された。また500μm以下の薄板試料は、Ptるつぼを用いて上記と同様に溶融ガラスを作製し、吹き竿を用い風船状に成形した後、1.5cm×1cmをガラスカッターで切り、測定試料を得た。この測定試料につき、面積抵抗値を測定した。これらの結果を表中に示す。   Each sample in the table was prepared as follows. First, after preparing the raw materials so as to have the composition in the table, they were put into an alumina crucible and melted at 1400-1600 ° C. for 2 hours. Next, the obtained molten glass was poured out on a carbon plate, formed, and then gradually cooled in an electric furnace maintained at 600 ° C. Subsequently, after processing into a flat plate shape of 1.5 cm × 1 cm × thickness 1.5 mm, the surface of the sample is polished in the order of # 100, # 400, and # 2000 using polishing paper to obtain a measurement sample. It was. The measurement sample was evaluated for ion conductivity, proton transport number, deliquescence, water resistance, vitrification, and moldability. Each sample was confirmed to be amorphous (glass) having a crystallinity of 50% or less by an X-ray diffractometer. A thin plate sample of 500 μm or less was made of molten glass in the same manner as described above using a Pt crucible, molded into a balloon shape using a blower, and then cut into 1.5 cm × 1 cm with a glass cutter to obtain a measurement sample. . The sheet resistance value was measured for this measurement sample. These results are shown in the table.

イオン伝導率log10σ(S/cm)は、Agペーストを用いて、試料の表面にAg電極を形成した後、表中の各温度において、交流インピーダンス法で測定した値である。 The ionic conductivity log 10 σ (S / cm) is a value measured by the AC impedance method at each temperature in the table after forming an Ag electrode on the surface of the sample using Ag paste.

以下のようにして、500℃におけるプロトンの輸率を評価した。まず試料の表面にPtをスパッタし、Pt電極を形成した。次に、試料の片面を参照側として水素1体積%の雰囲気にした上で、他方の面の水素分圧を変えた時の起電力を測定した。続いて、Nernstの式に基づく傾きよりプロトンの輸率を算出した。   The proton transport number at 500 ° C. was evaluated as follows. First, Pt was sputtered on the surface of the sample to form a Pt electrode. Next, the electromotive force when the hydrogen partial pressure on the other surface was changed after measuring one side of the sample as the reference side and making the atmosphere 1% hydrogen by volume was measured. Subsequently, the proton transport number was calculated from the slope based on the Nernst equation.

純水中に試料を浸漬し、室温で24時間静置し、洗浄、乾燥した後、試料の質量変化を測定することにより、潮解性の指標とした。表中には、浸漬前の試料の質量に対する質量減少の割合(%)を記載した。   The sample was immersed in pure water, allowed to stand at room temperature for 24 hours, washed and dried, and then the mass change of the sample was measured to obtain an index of deliquescence. In the table, the ratio (%) of the mass decrease with respect to the mass of the sample before immersion is described.

密閉容器に入れた純水中に試料を浸漬し、60℃で24時間静置し、洗浄、乾燥した後、試料の質量変化を測定することにより、耐水性の指標とした。表中には、浸漬前の試料の質量に対する質量減少量を試料の表面積で除した値(mg/cm2)を記載した。 The sample was immersed in pure water in a sealed container, allowed to stand at 60 ° C. for 24 hours, washed and dried, and then the change in mass of the sample was measured to obtain a water resistance index. In the table, the value (mg / cm 2 ) obtained by dividing the mass reduction amount with respect to the mass of the sample before immersion by the surface area of the sample is described.

段落[0054]で作製した溶融ガラスを流し出して、ガラス化の有無を確認した。ガラス化が確認されたものを「○」、ガラス化が確認されなかったものを「×」として、評価した。   The molten glass produced in paragraph [0054] was poured out and the presence or absence of vitrification was confirmed. The case where vitrification was confirmed was evaluated as “◯”, and the case where vitrification was not confirmed was evaluated as “x”.

段落[0054]で作製した溶融ガラスを成形した後に、1cm×1cm×5mmの寸法に加工した。次に、この試料をバーナーで再溶融し、手引きによりファイバー状試料を作製した。ファイバー状試料の作製に際し、非常に厳密な温度コントロールが必要であったものを「△△」、厳密な温度コントロールが必要であったものを「△」、厳密な温度コントロールは不要であったが、ファイバー径にバラツキが認められたものを「○」、厳密な温度コントロールは不要であり、ファイバー径が均一であったものを「◎」として、評価した。   After the molten glass produced in paragraph [0054] was molded, it was processed into dimensions of 1 cm × 1 cm × 5 mm. Next, this sample was remelted with a burner, and a fiber-like sample was prepared by hand guidance. When producing a fiber-shaped sample, “△△” indicates that very strict temperature control is required, and “△” indicates that strict temperature control is required. Evaluation was made with “◯” indicating that the fiber diameter was uneven, and “◎” indicating that the fiber diameter was uniform without requiring strict temperature control.

面積抵抗値(Ω・cm2)は、Agペーストを用いて、試料の表面にAg電極を形成した後、表中の各温度において、交流インピーダンス法で抵抗値を測定し、次に得られた抵抗値と電極の面積から算出した値である。なお、試料No.2〜5における面積抵抗値は、各種ファクターから推定した値である。 The area resistance value (Ω · cm 2 ) was obtained by forming an Ag electrode on the surface of the sample using an Ag paste, measuring the resistance value by the AC impedance method at each temperature in the table, and then obtaining the resistance value. It is a value calculated from the resistance value and the area of the electrode. Sample No. The sheet resistance values in 2 to 5 are values estimated from various factors.

表1〜5から明らかなように、試料No.1〜34は、厚みが小さいため、面積抵抗が小さいと考えられる。一方、試料No.34〜41は、厚みが大きいため、面積抵抗が大きいと考えられる。なお、イオン伝導率と面積抵抗値には相関があり、イオン伝導率が小さくなると、面積抵抗値が大きくなる傾向がある。   As is apparent from Tables 1 to 5, sample No. 1 to 34 are considered to have a small sheet resistance because the thickness is small. On the other hand, sample No. Since 34-41 is thick, it is thought that sheet resistance is large. Note that there is a correlation between the ionic conductivity and the sheet resistance value, and as the ionic conductivity decreases, the sheet resistance value tends to increase.

本発明のイオン伝導性薄膜材料は、電気化学デバイスに応用可能であり、例えば燃料電池の電解質、キャパシタの電解質、ガスセンサのセンシング部材、湿度制御装置の湿度検出部材として好適である。   The ion conductive thin film material of the present invention can be applied to an electrochemical device, and is suitable, for example, as an electrolyte for a fuel cell, an electrolyte for a capacitor, a sensing member for a gas sensor, and a humidity detecting member for a humidity control device.

Claims (12)

組成として、モル%表示で、P25 15〜80%、SiO2 0〜70%、R2O(Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O、及びAg2Oの合量) 5〜35%を含有すると共に、薄板形状を有し、その厚みが1〜500μmであることを特徴とするイオン伝導性薄膜材料。 A composition, in mol%, P 2 O 5 15~80%, SiO 2 0~70%, R 2 O (Li 2 O, Na 2 O, K 2 O, Rb 2 O, Cs 2 O, and Ag The total amount of 2 O) An ion conductive thin film material containing 5 to 35%, having a thin plate shape, and a thickness of 1 to 500 μm. 組成として、モル%表示で、P25 15〜60%、SiO2 10〜60%、R2O(Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O、及びAg2Oの合量) 5〜35%を含有することを特徴とする請求項1に記載のイオン伝導性薄膜材料。 A composition, in mol%, P 2 O 5 15~60%, SiO 2 10~60%, R 2 O (Li 2 O, Na 2 O, K 2 O, Rb 2 O, Cs 2 O, and Ag 2. The ion conductive thin film material according to claim 1, comprising 5 to 35%. 2O成分(Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O、Ag2O)の内、少なくとも2種以上を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載のイオン伝導性薄膜材料。 R 2 O component (Li 2 O, Na 2 O , K 2 O, Rb 2 O, Cs 2 O, Ag 2 O) of, according to claim 1 or 2, characterized in that it comprises at least two kinds Ion conductive thin film material. モル比(Na2O+K2O)/R2Oが0.2〜1.0であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のイオン伝導性薄膜材料。 4. The ion conductive thin film material according to claim 1, wherein the molar ratio (Na 2 O + K 2 O) / R 2 O is 0.2 to 1.0. モル比Na2O/R2Oが0.2〜0.8であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のイオン伝導性薄膜材料。 Ion conductive thin film material according to claim 1, the molar ratio Na 2 O / R 2 O is characterized in that 0.2 to 0.8. 更に、組成として、Al23を0.1モル%以上含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のイオン伝導性薄膜材料。 Furthermore, a composition, ion-conducting membrane material according to claim 1, characterized in that it comprises Al 2 O 3 0.1 mol% or more. 500℃における面積抵抗値(Ω・cm2)が30以下であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のイオン伝導性薄膜材料。 The ion-conductive thin film material according to claim 1, wherein an area resistance value (Ω · cm 2 ) at 500 ° C. is 30 or less. 結晶化度が50%以下の非晶質であることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載のイオン伝導性薄膜材料。   The ion conductive thin film material according to claim 1, wherein the ion conductive thin film material is amorphous with a crystallinity of 50% or less. 燃料電池に用いることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載のイオン伝導性薄膜材料。   It uses for a fuel cell, The ion conductive thin film material in any one of Claims 1-8 characterized by the above-mentioned. 請求項1〜9のいずれかに記載のイオン伝導性薄膜材料を含むことを特徴とする電気化学デバイス。   An electrochemical device comprising the ion conductive thin film material according to claim 1. 請求項1〜9のいずれかに記載のイオン伝導性薄膜材料の製造方法であって、
原料を溶融した後、得られた溶融ガラスを薄板形状に成形する工程を有することを特徴とするイオン伝導性薄膜材料の製造方法。
It is a manufacturing method of the ion conductive thin film material in any one of Claims 1-9,
A method for producing an ion conductive thin film material, comprising: melting a raw material, and then molding the obtained molten glass into a thin plate shape.
成形方法が、オーバーフローダウンドロー法、スロットダウンドロー法、リドロー法のいずれかであることを特徴とする請求項11に記載のイオン伝導性薄膜材料の製造方法。   The method for producing an ion conductive thin film material according to claim 11, wherein the forming method is any one of an overflow down draw method, a slot down draw method, and a redraw method.
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