SOFC電解質の導電率：YSZとScSZ
8YSZ、11ScSZ、10Sc1CeSZの報告導電率7点を、それぞれ測定温度・雰囲気・緻密化ルートとともにプロットしています。範囲で報告された値は範囲として描き、8YSZがスカンジア安定化グレードを上回った研究もそのまま残しています。材料ごとに線を一本引くことは、この問いに対する誤った答えだからです。
測定温度に対する報告導電率
複数の研究から取った四つの離散的な測定温度です。線で結ぶことも、フィッティングも、平均も行っていません。各マークは、出典が明記した条件で報告された一つの値または一つの範囲です。マークにポインタを合わせるか、キーボードで移動すると、条件の全体を読めます。
- 8YSZ
- 11ScSZ / 10Sc1CeSZ
- 報告範囲 — 両端とも報告値
- 非通常の緻密化（放電プラズマ焼結）
- *
- ある研究では10Sc1CeSZが600 °Cで0.019–0.046 S/cm、同じ研究の8YSZが0.059 S/cmと測定されました。8YSZがスカンジア側の範囲全体を上回ったことになり、スカンジア側の結果は出発粉末によって2倍以上変動しました。材料が本来持つ優位は、製造工程によって完全に消え得ます。だからこの値を平均で消さず、チャートに残しています。
- SPS
- 800 °Cの0.134 S/cmという値は放電プラズマ焼結で得られたものです。中空のマーカーで描き、隣の通常焼結の範囲には含めていません。非通常の緻密化ルートは、通常焼結のペレットとの同条件の比較ではないからです。
このチャートに交差温度はありません。意図してのことです。 マークを結ぶ線がなく、温度軸も連続ではないため、読み取れる交差点はありません。当社の比較記事は、単一の交差温度は存在せず、電解質厚さとセル構造を示さずに引用した数値は誤解を招くと明記しています。代わりに下のASR計算を使ってください。
ばらつきは化学ではなく製造工程に由来します。 800 °Cで報告された8YSZの導電率はおよそ0.02から0.134 S/cmにわたり、そのばらつきのほとんどは組成ではなく緻密化・結晶粒径・粒界化学に由来します。ある論文の値と別の論文の値を並べても、分かることはほとんどありません。同等に加工した試料を同一研究内で対にして測定した値だけが意味を持ちます。
プロットしたデータ
同じ7点を表にしています。何も指し示さず、JavaScriptなしでも、すべての値とすべての条件を読めます。
| 材料 | 報告導電率 | 温度 | 雰囲気または基準 | 緻密化 | 値に付く留保 |
|---|---|---|---|---|---|
| 8YSZ | ~0.1 S/cm | 1000 °C | 大気中 | 緻密化ルートの記載なし | 出典はこの値を概算値として示しています。 |
| 8YSZ | 78 mS/cm = 0.078 S/cm | 850 °C | 大気中 | 緻密化ルートの記載なし | 同一研究内で他方の材料と対にして測定された値です。 |
| 11ScSZ | 108 mS/cm = 0.108 S/cm | 850 °C | 大気中 | 緻密化ルートの記載なし | 同一研究内で他方の材料と対にして測定された値です。 |
| 8YSZ | ~0.02–0.045 S/cm | 800 °C | 大気中 | 通常焼結 | 範囲として報告された値であり、ばらつきは化学ではなく製造工程を反映しています。 出典はこの値を概算値として示しています。 |
| 8YSZ | 0.134 S/cm | 800 °C | 大気中 | 放電プラズマ焼結 | 非通常の緻密化による外れ値です。通常焼結の値とは比較できず、その範囲にも含めていません。 |
| 10Sc1CeSZ | 0.019–0.046 S/cm | 600 °C | 全導電率 | 緻密化ルートの記載なし | 同一研究内で他方の材料と対にして測定された値です。 出発粉末によって2倍以上変動しました。 |
| 8YSZ | 0.059 S/cm | 600 °C | 全導電率 | 緻密化ルートの記載なし | 反例です。この研究では8YSZがスカンジア安定化グレードより高く測定されました。 同一研究内で他方の材料と対にして測定された値です。 |
すべての値は、YSZとScSZの比較ガイドの比較表からそのまま転記したもので、同記事が原典を引用しています。2行はミリジーメンス毎センチメートルで報告されていたため、両方の単位で示しています。それ以外は換算・丸め・統合を行っていません。
厚さが要求する導電率
電解質のオーミック損失は面積比抵抗で決まり、ASR = L/σが厚さと導電率を結び付けます。電解質の目標値としてよく引用されるのは0.15 Ω·cm²です。セル構造が強いる厚さを入力すると、その厚さで運転温度において実測しなければならない導電率が得られます。
アノード支持型セルはおよそ5–15 µm、マグネトロンスパッタリングで3 µmまで実証された例があります。電解質支持型は約75 µmから数百 µmで、200–350 µmが一般的な範囲です。
0.15 Ω·cm²はよく引用される電解質の目標値です。損失の配分が別に定められている場合は値を変えてください。
ガイドに載っている厚さ
- 運転温度で必要な導電率
- ≥ 0.100 S/cm
ASR = L/σ から、150 µm の厚さを 0.15 Ω·cm² の許容値に収める場合の値です。材料に対する要求ではなく、測定に対する要求です。同じ組成でも、作り方によってこの値の両側に位置します。
報告値がこの要求を満たすか
報告値それぞれと、その値が許容値の中で成立させられる厚さです。要求値をまたぐ範囲は部分的に満たすものとして表示します。データがそう示しているからです。
8YSZ ~0.1 S/cm — 要求を満たす
1000 °C · 大気中 · 緻密化ルートの記載なし · この許容値では 150 µm まで可能
出典はこの値を概算値として示しています。
8YSZ 0.078 S/cm — 要求に届かない
850 °C · 大気中 · 緻密化ルートの記載なし · この許容値では 117 µm まで可能
同一研究内で他方の材料と対にして測定された値です。
11ScSZ 0.108 S/cm — 要求を満たす
850 °C · 大気中 · 緻密化ルートの記載なし · この許容値では 162 µm まで可能
同一研究内で他方の材料と対にして測定された値です。
8YSZ ~0.02–0.045 S/cm — 要求に届かない
800 °C · 大気中 · 通常焼結 · この許容値では 30–68 µm まで可能
範囲として報告された値であり、ばらつきは化学ではなく製造工程を反映しています。 出典はこの値を概算値として示しています。
8YSZ 0.134 S/cm — 要求を満たす
800 °C · 大気中 · 放電プラズマ焼結 · この許容値では 201 µm まで可能
非通常の緻密化による外れ値です。通常焼結の値とは比較できず、その範囲にも含めていません。
10Sc1CeSZ 0.019–0.046 S/cm — 要求に届かない
600 °C · 全導電率 · 緻密化ルートの記載なし · この許容値では 28–69 µm まで可能
同一研究内で他方の材料と対にして測定された値です。 出発粉末によって2倍以上変動しました。
8YSZ 0.059 S/cm — 要求に届かない
600 °C · 全導電率 · 緻密化ルートの記載なし · この許容値では 88 µm まで可能
反例です。この研究では8YSZがスカンジア安定化グレードより高く測定されました。 同一研究内で他方の材料と対にして測定された値です。
仕様書に入れる一行
購入する材料ではなく、実施する測定として書いています。認定計画書やRFQに貼り付けてください。
Electrolyte ASR budget 0.15 Ω·cm² at 150 µm → required ionic conductivity ≥ 0.100 S/cm (ASR = L/σ). To be verified at the operating temperature on identically processed pellets of each candidate powder, not from literature values.これらの数値をそのまま設計計算に持ち込まないでください。 ここにある値はすべて他人のペレットです。導電率は自社の試料で、運転温度で、該当する雰囲気で、候補粉末ごとに同一に加工した試料で測定してください。そして経年後に再測定してください。8YSZの導電率は1000 °Cで1,000時間アニールした後に約40%低下した例が報告されています。
無添加のScSZは中温域の内側で相転移を起こします。 スカンジア安定化ジルコニアは650 °C付近で立方晶から菱面体晶（β相）へ相転移し、導電率が低下します。導電率を得るためにScSZを採用する、まさにその温度域です。10Sc1CeSZのような共ドープグレードが存在するのはこの転移を抑えるためであり、無添加のScSZで650 °C付近で測定した値は共ドープグレードには当てはまらず、その逆も成り立ちません。