固体電解質

固体電解質として安定化ジルコニアが古くから使われている。ジルコニアを介して酸素分圧に差があると、酸素イオンが高分圧側から低分圧側へ移動する。酸素イオンはマイナスに帯電していることから、高分圧側がカソード、低分圧側がアノードとなる。この性質によって酸素センサーあるいは燃料電池を構成することができる。

ジルコニアを用いた燃料電池あるいは酸素センサーの起電力はネルンストの式を用いて次式で表される。

${\displaystyle E={\frac {RT}{4F}}\ln {\frac {P_{O_{2}}^{\rm {I}}}{P_{O_{2}}^{\rm {II}}}}}$

R：気体定数

T：温度（K）

${\displaystyle P_{O_{2}}^{\rm {I}}}$、${\displaystyle P_{O_{2}}^{\rm {II}}}$：高分圧側および低分圧側の酸素分圧

F： ファラデー定数

一方、外部からジルコニアに電圧を加えるとマイナス極側からプラス極側へ酸素イオンが移動するため酸素ポンプを構成することができ、雰囲気制御などに利用される。燃料電池、酸素ポンプいずれの場合も実用的にはおおむね600℃以上の温度を必要とする。また、イオンの移動は一般に酸素の格子空孔の移動として記述される。

300℃でNa⁺、K⁺、Li⁺、Ag⁺、H⁺、Pb₂⁺、Sr₂⁺ または Ba₂⁺ のイオンなどが移動する。ナトリウム硫黄電池やアルカリ金属熱電変換機の電解質として使用される。

• 固体酸化物形燃料電池
• ナトリウム硫黄電池
• アルカリ金属熱電変換機
• 酸素センサ