JP2003229142A - Oxyfluoride, solid electrolyte and fuel cell - Google Patents

Oxyfluoride, solid electrolyte and fuel cell

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JP2003229142A JP2002026072A JP2002026072A JP2003229142A JP 2003229142 A JP2003229142 A JP 2003229142A JP 2002026072 A JP2002026072 A JP 2002026072A JP 2002026072 A JP2002026072 A JP 2002026072A JP 2003229142 A JP2003229142 A JP 2003229142A
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oxygen
anion
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oxyfluoride in which good conductivity of the oxygen ion can be obtained even at the low temperature of 500-700°C and a solid electrolyte or the like made of that oxyfluoride. <P>SOLUTION: The oxyfluoride contains at least lanthanum La in the cationic part and contains florine F and oxygen O in the anionic part, and the ratio of the anion to the cation is 2.3 to 2.5. By making the ratio of the anion part to the cation part 2.3 to 2.5, the same crystalline structure as the fluorite structure can be maintained even at low temperatures of 500-700°C, and good conductivity of oxygen ions can be obtained. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、オキシフッ化物、
オキシフッ化物から成る固体電解質及び該固体電解質を
含む燃料電池に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an oxyfluoride,
The present invention relates to a solid electrolyte composed of oxyfluoride and a fuel cell containing the solid electrolyte.

【0002】[0002]

【従来の技術】オキシフッ化物とは、酸化物の酸素
(O)の一部がフッ素(F)で置換されたものである。
酸化物の一つに蛍石構造を持つものがあり、化学式AB
2(Aサイトがカチオン部又は陽イオン部で、Bサイト
がアニオン部又は陰イオン部)で表される。蛍石構造を
示す図10において、黒丸で表されたAは面心立方格子
を造り、頂点の他各面の中央部にも格子点がある。一
方、白丸で表されたBは単純立方格子を造り、頂点のみ
に格子点がある。
2. Description of the Related Art Oxyfluoride is an oxide in which a part of oxygen (O) is replaced with fluorine (F).
One of the oxides has a fluorite structure and has the chemical formula AB
2 (A site is a cation part or a cation part, and B site is an anion part or an anion part). In FIG. 10 showing a fluorite structure, A represented by a black circle forms a face-centered cubic lattice, and there are lattice points at the center of each face other than the vertex. On the other hand, B represented by a white circle forms a simple cubic lattice, and has lattice points only at the vertices.

【0003】La23のアニオン部のOの一つがFで置
換されると、カチオン部にLaを含むオキシフッ化物
(LaOF)になる。図11に示すように、LaOFの
結晶構造では、白丸で示すLaが面心立法格子を造り、
黒丸で示し単純立方格子を造っていたOの一部(ここで
は対角線方向に位置する4個のO)が斜線入り丸でFで
置換されている。その結果、蛍石構造が左右方向、前後
方向及び高さ方向で非対称になっている。
When one of O in the anion part of La 2 O 3 is replaced with F, it becomes an oxyfluoride (LaOF) containing La in the cation part. As shown in FIG. 11, in the crystal structure of LaOF, La indicated by a white circle forms a face-centered cubic lattice,
A part of O (here, four O's located in a diagonal direction) which are shown by black circles to form a simple cubic lattice are replaced with F by a circle with diagonal lines. As a result, the fluorite structure is asymmetric in the left-right direction, the front-back direction, and the height direction.

【0004】オキシフッ化物は酸素イオンの伝導性に優
れる性質を持ち、この特徴によりオキシフッ化物を燃料
電池の固体電解質に使用することが試みられている。燃
料電池とは、天然ガス等の燃料から得られる水素等と大
気中の酸素とを外部から供給し、これらを電気化学的に
反応させることにより直接発電する電池のことである。
カルノーサイクルの制約を受けないために発電効率が良
く、また排出ガスがクリーンで環境に対する影響が少な
いことから、近年、発電用電源や電気自動車用電源とし
て注目されている。
Oxyfluoride has a property of excellent conductivity of oxygen ions, and due to this characteristic, it has been attempted to use oxyfluoride as a solid electrolyte of a fuel cell. A fuel cell is a cell that directly supplies power by externally supplying hydrogen and the like obtained from a fuel such as natural gas and oxygen in the atmosphere and electrochemically reacting these.
It has been attracting attention as a power source for power generation and a power source for electric vehicles in recent years because it has good power generation efficiency because it is not restricted by the Carnot cycle, and it has a clean exhaust gas and little impact on the environment.

【0005】燃料電池は電解質の種類によって分類さ
れ、その一つに固体電解質型(「固体酸化物型」とも言
う)がある。燃料として天然ガス等を使用し作動温度が
高い(1000℃前後)ために発電効率が良い等の長所
を持つ。
Fuel cells are classified according to the type of electrolyte, one of which is a solid electrolyte type (also referred to as "solid oxide type"). Since natural gas is used as fuel and the operating temperature is high (around 1000 ° C), it has the advantage of good power generation efficiency.

【0006】図13に示すように、固体電解質型燃料電
池50は固体電解質51と、その両側に配置された一対
の電極(空気極52及び燃料極53)とを含む単セル5
5と、隣接する単セル間に介在されたセパレータ57
と、から成る。図14に示すように、空気極52に空気
(酸素ガス、窒素ガス等)が供給され、燃料極53に燃
料ガス(水素ガス等)が供給される。供給された酸素ガ
ス中の酸素分子O2は空気極52を通過して固体電解質
51との界面近傍に到達し、ここで空気極52から電子
-を受け取って酸素イオンO2-になる。酸素イオンO
2-は固体電解質51中を空気極52から燃料極53に向
かって拡散移動し、燃料極53との界面近傍で水素と反
応する。これにより、燃料極53に電子e-を放出し、
反応生成物(水)が生成される。電子e-は外部回路5
8を通って空気極52に流れ、外部回路58の途中にあ
る負荷59に対して仕事をする。
As shown in FIG. 13, a solid oxide fuel cell 50 includes a solid electrolyte 51 and a unit cell 5 including a pair of electrodes (air electrode 52 and fuel electrode 53) arranged on both sides of the solid electrolyte 51.
5 and the separator 57 interposed between the adjacent single cells
And consists of. As shown in FIG. 14, air (oxygen gas, nitrogen gas, etc.) is supplied to the air electrode 52, and fuel gas (hydrogen gas, etc.) is supplied to the fuel electrode 53. Oxygen molecules O 2 in the supplied oxygen gas pass through the air electrode 52 and reach the vicinity of the interface with the solid electrolyte 51, where the electrons e are received from the air electrode 52 and become oxygen ions O 2− . Oxygen ion O
2- diffuses and moves in the solid electrolyte 51 from the air electrode 52 toward the fuel electrode 53, and reacts with hydrogen in the vicinity of the interface with the fuel electrode 53. As a result, electrons e are emitted to the fuel electrode 53,
A reaction product (water) is produced. Electron e - is the external circuit 5
8 to the air electrode 52 to work on the load 59 in the middle of the external circuit 58.

【0007】上記空気極52で起こる電極反応は、酸素
分子O2から酸素イオンO2-へのイオン化であり、式
(1)で表わされる。
The electrode reaction that takes place at the air electrode 52 is the ionization of oxygen molecules O 2 into oxygen ions O 2- , which is represented by the equation (1).

【0008】 1/2O2+2e- → O2- ・・・(1) これに対して、燃料極53で起こる電極反応は、酸素イ
オンO2-と水素との結合による電子e-の放出であり、
式(2)で表わされる。
1 / 2O 2 + 2e → O 2 (1) On the other hand, the electrode reaction occurring at the fuel electrode 53 is the release of the electron e due to the bond between the oxygen ion O 2− and hydrogen. Yes,
It is expressed by equation (2).

【0009】 H2+O2 - → H2O+2e- ・・・(2) 固体電解質51、空気極52及び燃料極53は上記電気
化学的反応に適した材質から成る。固体電解質51は酸
素イオンO2-の伝導体であり、水素と酸素とを隔離す
る。よって、酸素イオンO2-の伝導性が高く、酸化性雰
囲気でも還元性雰囲気でも化学的に安定しており、緻密
であることが求められる。これを考慮して、例えばイッ
トリア安定化ジルコニア(YSZ)が採用されている。
H 2 + O 2 → H 2 O + 2e (2) The solid electrolyte 51, the air electrode 52, and the fuel electrode 53 are made of materials suitable for the above electrochemical reaction. The solid electrolyte 51 is a conductor of oxygen ions O 2− and separates hydrogen from oxygen. Therefore, it is required that the conductivity of oxygen ion O 2− is high, that it is chemically stable in an oxidizing atmosphere or a reducing atmosphere, and that it is dense. In consideration of this, for example, yttria-stabilized zirconia (YSZ) is adopted.

【0010】また、空気極(「カソード」とも言う)5
2は酸素分子が吸着し易いこと、酸素イオンの移動が容
易であること、電子の導電性が大きいこと、高温の酸素
雰囲気で熱力学的に安定であること、多孔質であるこ
と、等が要求される。これを考慮して、例えばペロブス
カイト型酸化物の一つであるLa(Sr)MnO3が採
用されている。更に、燃料極(「アノード」とも言う)
52は高温の還元雰囲気で熱力学的に安定しているこ
と、電子の導電性が大きいこと、水素との親和性がある
こと、多孔質であること等が要求される。これを考慮し
て、例えばNi−YSZが採用されている。
An air electrode (also called "cathode") 5
No. 2 is that oxygen molecules are easily adsorbed, oxygen ions are easily moved, electron conductivity is large, thermodynamically stable in a high temperature oxygen atmosphere, and porous. Required. Considering this, for example, La (Sr) MnO 3 which is one of the perovskite type oxides is adopted. Furthermore, a fuel electrode (also called "anode")
52 is required to be thermodynamically stable in a high temperature reducing atmosphere, have high electron conductivity, have an affinity with hydrogen, be porous, and the like. In consideration of this, for example, Ni-YSZ is adopted.

【0011】上記固体電解質51の材質について詳しく
述べる。材質としてYSZを使用した場合、燃料電池の
高温の作動温度(1000℃前後)に耐え得る耐熱材料
を採用しなければならず、また内部抵抗が大きい問題が
ある。耐熱材料の使用は材料の選択範囲を限定する。内
部抵抗は理論上は固体電解質51の厚さの薄肉化により
ある程度低下させることができるが、実用的な薄肉化技
術は未開発である。
The material of the solid electrolyte 51 will be described in detail. When YSZ is used as the material, a heat-resistant material that can withstand the high operating temperature of the fuel cell (around 1000 ° C.) must be adopted, and there is a problem of large internal resistance. The use of refractory materials limits the choice of materials. The internal resistance can theoretically be reduced to some extent by reducing the thickness of the solid electrolyte 51, but a practical technique for reducing the thickness has not been developed.

【0012】こうした事情により、固体電解質型燃料電
池の作動温度を下げるための開発がなされている。燃料
電池をより低い中温(800℃前後)で作動させるた
め、固体電解質51の材質としてCeO2やBi23
使用されている。これにより燃料電池の作動温度は下が
るが、固定電解質51が水素雰囲気において還元され易
く、酸素イオンの伝導度が低下し易い欠点がある。
Under these circumstances, developments have been made to lower the operating temperature of solid oxide fuel cells. CeO 2 and Bi 2 O 3 are also used as the material of the solid electrolyte 51 in order to operate the fuel cell at a lower intermediate temperature (around 800 ° C.). This lowers the operating temperature of the fuel cell, but has the drawback that the fixed electrolyte 51 is easily reduced in a hydrogen atmosphere and the conductivity of oxygen ions is easily lowered.

【0013】例えば、燃料電池を電気自動車の電源とし
て利用する場合、燃料電池の作動温度を更に低下させる
ことが要求される。起動性及び信頼性等の観点から、作
動温度は500から700℃(例えば、600℃)であ
ることが望ましい。「起動性」とは、燃料電池をヒータ
で加熱し作動温度まで上昇させて発電可能な状態にする
ことである。スペースに制約がある電気自動車では大き
なヒータを配置することは困難であり、なるべく作動温
度を低くして小さなヒータで済ませることが望ましい。
一方、「信頼性」とは電解質、電極に熱応力が発生し難
いこと、及び固体電解質51や電極52、53が熱的化
学的に安定していることであり、作動温度が低い程熱応
力の発生が防止され、熱的化学的安定性が向上する。
For example, when a fuel cell is used as a power source for an electric vehicle, it is required to further lower the operating temperature of the fuel cell. The operating temperature is preferably 500 to 700 ° C. (for example, 600 ° C.) from the viewpoint of startability and reliability. The "startability" is to heat the fuel cell with a heater and raise the temperature to an operating temperature so that power can be generated. It is difficult to arrange a large heater in an electric vehicle having a limited space, and it is desirable to reduce the operating temperature as much as possible and use a small heater.
On the other hand, “reliability” means that thermal stress is unlikely to occur in the electrolyte and the electrodes, and that the solid electrolyte 51 and the electrodes 52 and 53 are thermochemically stable. Is prevented and thermal and chemical stability is improved.

【0014】LaOF型の結晶構造を持つオキシフッ化
物から成る固定電解質51が、例えばA,Pelloux、C.R. A
cad.Sci., Ser.C,276,241(1973)(以下、
「従来例1」と呼ぶ)に開示されている。しかし、この
従来例1の固体電解質の組成は組成が化学量論比に近
く、LaOFに近いものである。
A fixed electrolyte 51 made of oxyfluoride having a LaOF type crystal structure is, for example, A, Pelloux, CR A.
cad.Sci., Ser.C, 276, 241 (1973) (hereinafter,
It is disclosed in "Conventional Example 1"). However, the composition of the solid electrolyte of Conventional Example 1 is close to the stoichiometric ratio and close to LaOF.

【0015】一方、特開平5−47404号公報(以
下、「従来例2」と呼ぶ)では、LaOFから成る固体
電解質において、作動温度300から500℃における
酸素イオンの伝導率を向上させるために、カチオン部の
Laの一部をストロンチウム(Sr)で置換している。
具体的には,LaF3とSrF2とを混合した固体電解質
粉末を大気中又は酸素雰囲気中で焼成し、LaOF型の
結晶構造に変化させる。次に、これを粉砕して得た粉末
をプラズマ溶射により固定電解質膜に形成する。
On the other hand, in JP-A-5-47404 (hereinafter referred to as "conventional example 2"), in a solid electrolyte made of LaOF, in order to improve the conductivity of oxygen ions at an operating temperature of 300 to 500.degree. A part of La in the cation part is replaced with strontium (Sr).
Specifically, a solid electrolyte powder in which LaF 3 and SrF 2 are mixed is fired in the air or an oxygen atmosphere to change to a LaOF type crystal structure. Next, the powder obtained by pulverizing this is formed into a fixed electrolyte membrane by plasma spraying.

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
例1のオキシフッ化物の組成はLaOFに近い。このオ
キシフッ化物は作動温度700から1000℃では比較
的小さい酸素イオンの伝導性は確認されているが、70
0℃以下における酸素イオンの伝導性については確認さ
れていない。
As described above, the composition of the oxyfluoride of Conventional Example 1 is close to LaOF. It has been confirmed that this oxyfluoride has a relatively small conductivity of oxygen ions at an operating temperature of 700 to 1000 ° C.
The conductivity of oxygen ions at 0 ° C or lower has not been confirmed.

【0017】これに対して、従来例2では比較的高い酸
素イオンの伝導性が得られる。しかし、固体電解質の組
成が成形条件に依存して変化し不安定であり、常に所望
の組成が得られるとは限らない。これでは固体電解質の
品質が安定せず、問題となる。加えて、この固体電解質
は原料中のFとOとが反応し(LaF3+1/2O2→L
aOF+F2)、ガスが抜けた気孔が残るため焼結密度
が悪い。よって、この固体電解質を含む燃料電池ではそ
の起電力が理論上の起電力(理論値)の1/2程度であ
り、実用的であるとは言い難い。
On the other hand, in Conventional Example 2, relatively high conductivity of oxygen ions can be obtained. However, the composition of the solid electrolyte changes depending on the molding conditions and is unstable, and the desired composition is not always obtained. This is a problem because the quality of the solid electrolyte is not stable. In addition, in this solid electrolyte, F and O in the raw material react (LaF 3 + 1 / 2O 2 → L
aOF + F 2 ), and the sintered density is poor because the gas-released pores remain. Therefore, the electromotive force of the fuel cell containing this solid electrolyte is about 1/2 of the theoretical electromotive force (theoretical value), and it cannot be said to be practical.

【0018】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、作動温度が500から700℃でも、満足できる酸
素イオンの伝導度が得られるオキシフッ化物、該オキシ
フッ化物から成る固体電解質及び該固体電解質を含む燃
料電池を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides an oxyfluoride, a solid electrolyte composed of the oxyfluoride and the solid electrolyte which can obtain satisfactory oxygen ion conductivity even at an operating temperature of 500 to 700 ° C. An object is to provide a fuel cell including the same.

【0019】[0019]

【課題を解決するための手段】本願発明者は、従来例1
及び2のオキシフッ化物におけるアニオン部の酸素対フ
ッ素の割合、及びカチオン部に対するアニオン部のモル
比に注目した。上述したように、従来例1のオキシフッ
化物のアニオン部における酸素対フッ素の割合(モル%
の割合)は1:1で、カチオン部(La)に対するアニ
オン部(F及びO)のモル比は2であった。また、従来
2のオキシフッ化物のアニオン部における酸素対フッ素
の割合(モル%の割合)は約1:1であり、カチオン部
(La及びSr)に対するアニオン部(F及びO)のモ
ル比は2であった。
Means for Solving the Problems
Attention was paid to the ratio of oxygen to fluorine in the anion part and the molar ratio of the anion part to the cation part in the oxyfluorides of Examples 1 and 2. As described above, the ratio of oxygen to fluorine in the anion part of the oxyfluoride of Conventional Example 1 (mol%
Was 1: 1 and the molar ratio of the anion part (F and O) to the cation part (La) was 2. Further, the ratio of oxygen to fluorine in the anion part of the conventional oxyfluoride 2 (ratio of mol%) is about 1: 1, and the molar ratio of the anion part (F and O) to the cation part (La and Sr) is 2: 1. Met.

【0020】そこで、少なくともアニオン部におけるフ
ッ素の割合を増加させて、酸素対フッ素の割合即ちカチ
オン部に対するアニオン部のモル比を変更することを思
い付いて、本発明を完成した。
Therefore, the present invention has been completed with the idea of increasing the ratio of fluorine at least in the anion part to change the ratio of oxygen to fluorine, that is, the molar ratio of the anion part to the cation part.

【0021】即ち、本願の第1発明に係るオキシフッ化
物は、カチオン部に少なくともランタンLaを含み、ア
ニオン部にフッ素F及び酸素Oを含み、カチオン部に対
するアニオン部のモル比(以下「アニオン/カチオン
比」と略称する)が2.3から2.5である(2.3≦
アニオン/カチオン比≦2.5)ことを特徴とする。
That is, the oxyfluoride according to the first invention of the present application contains at least lanthanum La in the cation part, contains fluorine F and oxygen O in the anion part, and has a molar ratio of the anion part to the cation part (hereinafter, "anion / cation"). "Ratio" is abbreviated as 2.3) to 2.5 (2.3≤).
Anion / cation ratio ≦ 2.5).

【0022】このオキシフッ化物では、アニオン/カチ
オン比を2.3から2.5としたので、LaOFに比べ
て、結晶構造の対称性が向上し(格子点位置をフッ素イ
オンF-が占有し、酸素イオンO2-は格子点間に無秩序
に存在する)、酸素イオンの伝導性が増加する。
In this oxyfluoride, since the anion / cation ratio is set to 2.3 to 2.5, the symmetry of the crystal structure is improved as compared with LaOF (fluorine ion F occupies the lattice point position, Oxygen ions O 2- are randomly present between lattice points), and the conductivity of oxygen ions increases.

【0023】また、本願の第2発明に係る固体電解質
は、カチオン部に少なくともLaを含み、アニオン部に
F及びOを含み、アニオン/カチオン比が2.3から
2.5であるオキシフッ化物から成り、平板形状又は円
筒形状を持つことを特徴とする。
The solid electrolyte according to the second invention of the present application comprises an oxyfluoride containing at least La in the cation part, F and O in the anion part, and having an anion / cation ratio of 2.3 to 2.5. And has a flat plate shape or a cylindrical shape.

【0024】更に、本願の第3発明に係る燃料電池は、
カチオン部に少なくともランタンLaを含み、アニオン
部にF及びOを含み、アニオン/カチオン比が2.3か
ら2.5であるオキシフッ化物から成り、平板形状又は
円筒形状を持つ固体電解質と;固体電解質の一面側に配
置された空気極と;固体電解質の他面側に配置された燃
料極と;から成ることを特徴とする。
Further, the fuel cell according to the third invention of the present application,
A solid electrolyte comprising an oxyfluoride containing at least lanthanum La in the cation portion, F and O in the anion portion, and having an anion / cation ratio of 2.3 to 2.5, and having a flat plate shape or a cylindrical shape; And an air electrode arranged on one surface side of the solid electrolyte; and a fuel electrode arranged on the other surface side of the solid electrolyte.

【0025】この固体電解質及び燃料電池では、比較的
低い作動温度(500から700℃)で使用されるの
で、金属材料を使用することが可能になるとともに、熱
応力による損傷が防止される。
Since the solid electrolyte and the fuel cell are used at a relatively low operating temperature (500 to 700 ° C.), a metal material can be used and damage due to thermal stress is prevented.

【0026】[0026]

【発明の実施の形態】<オキシフッ化物>本発明のオキ
シフッ化物は、蛍石構造を持つLaOFにおいてアニオ
ン部の組成を変更し、またカチオン部にアルカリ土類金
属及び/又はアルカリ金属を添加したものであり、蛍石
構造を持つ。よって、以下の説明では、「蛍石型オキシ
フッ化物」と呼ぶ。 第1タイプ 第1タイプの蛍石型オキシフッ化物のカチオン部はLa
のみを含み、LaOF型の結晶構造を持つ。アニオン/
カチオン比を2.3から2.5とするアニオン部の組成
は種々考えられる。但し、Laは+3価、酸素は−2
価、フッ素は−1価であることを考慮して、全体の価数
を零にするため組成式LaO1-x1+2xを考えた。その
上で、固体電解質11を縦1mm、横5mm、長さ15
mmの短冊状に切り出した試験片を作成し、xの値即ち
アニオン部の構成及びアニオン/カチオン比を変更しつ
つN2(窒素)雰囲気、約500℃での酸素イオンの伝
導率を調べた。その結果を図1に示す。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION <Oxyfluoride> The oxyfluoride of the present invention is a LaOF having a fluorite structure in which the composition of the anion portion is changed and an alkaline earth metal and / or an alkali metal is added to the cation portion. And has a fluorite structure. Therefore, in the following description, it is referred to as "fluorite oxyfluoride". 1st type The cation part of the 1st type fluorite type oxyfluoride is La
It has a LaOF type crystal structure. Anion /
Various compositions of the anion part having a cation ratio of 2.3 to 2.5 can be considered. However, La is +3 and oxygen is -2.
Considering that the valence and fluorine are −1, the composition formula LaO 1-x F 1 + 2x was considered in order to reduce the overall valence to zero. Then, the solid electrolyte 11 is 1 mm long, 5 mm wide, and 15 mm long.
A test piece cut out into a strip of mm was prepared, and the conductivity of oxygen ion at N 2 (nitrogen) atmosphere and about 500 ° C. was examined while changing the value of x, that is, the structure of the anion portion and the anion / cation ratio. . The result is shown in FIG.

【0027】図1によれば、xが0.4のとき即ちLa
0.61.8のとき酸素イオンの伝導率が最大になり、伝
導率はxがこれより大きくても小さくても低下すること
が分かる。酸素イオンの伝導率がLogσ=−2.6
(σ=0.0025S/cm)よりも大きければ、作動
温度500から700℃で発電する電気自動車用の燃料
電池として採用可能である。これより、xの値は約0.
3から0.5の範囲(0.3≦x≦0.5)で選択でき
ることが分かる。
According to FIG. 1, when x is 0.4, that is, La
It can be seen that when O 0.6 F 1.8 , the conductivity of oxygen ions becomes maximum, and the conductivity decreases when x is larger or smaller than this. The conductivity of oxygen ions is Logσ = −2.6.
If it is larger than (σ = 0.0025 S / cm), it can be used as a fuel cell for an electric vehicle that generates power at an operating temperature of 500 to 700 ° C. From this, the value of x is about 0.
It can be seen that the selection can be made within the range of 3 to 0.5 (0.3 ≦ x ≦ 0.5).

【0028】x=0.3のとき、オキシフッ化物の組成
式はLaO0.701.6となり、酸素イオンの伝導率はL
ogσ=−2.55(σ=0.0028S/cm)であ
る。アニオン部の酸素対フッ素の割合(モル%の割合)
は0.70:1.6≒1:2.3であり、アニオン/カ
チオン比は2.3となる。酸素対フッ素の割合が1:
2.3より小さく(フッ素の割合が小さくなる)なって
も、アニオン/カチオン比が2.3より小さく(アニオ
ン部が減少する)なっても、酸素イオンの伝導率が急激
に低下する。
When x = 0.3, the composition formula of oxyfluoride is LaO 0.70 F 1.6 , and the conductivity of oxygen ions is L.
ogσ = −2.55 (σ = 0.028 S / cm). Ratio of oxygen to fluorine in the anion part (ratio of mol%)
Is 0.70: 1.6≈1: 2.3, and the anion / cation ratio is 2.3. The ratio of oxygen to fluorine is 1:
If the ratio is smaller than 2.3 (the ratio of fluorine is small) or the anion / cation ratio is smaller than 2.3 (the anion portion is decreased), the conductivity of oxygen ions is sharply reduced.

【0029】一方、x=0.5のとき、オキシフッ化物
の組成式はLaO0.52.0となり、酸素イオンの伝導率
は約Logσ=−2.3(σ=0.005S/cm)で
ある。アニオン部の酸素対フッ素の割合は0.5:2.
0即ち1:4であり、アニオン/カチオン比は2.5と
なる。
On the other hand, when x = 0.5, the composition formula of oxyfluoride is LaO 0.5 F 2.0 , and the conductivity of oxygen ions is approximately Logσ = −2.3 (σ = 0.005S / cm). The ratio of oxygen to fluorine in the anion part is 0.5: 2.
0 or 1: 4, giving an anion / cation ratio of 2.5.

【0030】LaO0.52.0は図12に示す結晶構造を
持ち、白丸がLaを、黒丸がOを、斜線入り丸がFを示
す。Fの割合がこれ以上多くなると、蛍石構造が崩れて
LaOFよりもLaF3に近づく。これより、酸素対フ
ッ素の割合が1:4を超えてFが増加するとフッ素イオ
ン(F-)のイオン伝導を示すようになり、またアニオ
ン/カチオン比が2.5よりも大きく(フッ素を含むア
ニオン部が増加する)なると蛍石構造を保つことが困難
になることが分かる。
LaO 0.5 F 2.0 has the crystal structure shown in FIG. 12, white circles indicate La, black circles indicate O, and shaded circles indicate F. When the proportion of F is larger than this, the fluorite structure collapses and it approaches LaF 3 rather than LaOF. From this, when the ratio of oxygen to fluorine exceeds 1: 4 and F increases, ionic conduction of fluorine ions (F ) is exhibited, and the anion / cation ratio is larger than 2.5 (including fluorine). It is understood that it becomes difficult to maintain the fluorite structure when the anion portion increases.

【0031】以上より、アニオン部の酸素対フッ素の割
合の望ましい範囲は約1:2.3から1:4(1/2.
3≦酸素/フッ素≦1/4)であり、アニオン/カチオ
ン比の望ましい範囲は2.3から2.5である。最高の
伝導率約Logσ=−2.1(σ=0.008S/c
m)が得られたx=0.4のとき即ちLaO0.61.8
は、アニオン部での酸素対フッ素の割合は0.6:1.
8=1:3であり、アニオン/カチオン比は(0.6+
1.8)/1.0=2.4である。
From the above, the desirable range of the ratio of oxygen to fluorine in the anion portion is about 1: 2.3 to 1: 4 (1/2.
3 ≦ oxygen / fluorine ≦ 1/4), and the desirable range of the anion / cation ratio is 2.3 to 2.5. Highest conductivity about Log σ = −2.1 (σ = 0.008 S / c
m) was obtained at x = 0.4, ie LaO 0.6 F 1.8 , the ratio of oxygen to fluorine in the anion part was 0.6: 1.
8 = 1: 3 and the anion / cation ratio is (0.6+
1.8) /1.0=2.4.

【0032】尚、x=0.35のとき即ちLaO0.65
1.7では、酸素イオンの伝導率はLogσ=−2.3
(σ=0.005S/cm)である。アニオン部の酸素
対フッ素の割合は0.65:1.7≒1:2.6であ
り、アニオン/カチオン比は2.35である。
When x = 0.35, that is, LaO 0.65 F
At 1.7 , the conductivity of oxygen ions is Logσ = −2.3.
(Σ = 0.005 S / cm). The ratio of oxygen to fluorine in the anion part is 0.65: 1.7≅1: 2.6, and the anion / cation ratio is 2.35.

【0033】また、x=0.45のとき即ちLaO0.55
1.9では、酸素イオンの伝導率は約Logσ=−2.
2(σ=0.006S/cm)である。アニオン部の酸
素対フッ素の割合は0.55:1.9≒1:3.5であ
り、アニオン/カチオン比は2.45である。
When x = 0.45, that is, LaO 0.55
At F 1.9 , the conductivity of oxygen ions is about Logσ = -2.
2 (σ = 0.006 S / cm). The ratio of oxygen to fluorine in the anion portion is 0.55: 1.9≈1: 3.5, and the anion / cation ratio is 2.45.

【0034】本発明のオキシフッ化物は蛍石構造を持
ち、酸素イオンの伝導性に優れている。よって、燃料電
池用固体電解質の他、例えば酸素センサや酸素ポンプ等
に適用することができる。固体電解質に適用する場合に
ついては後述する。酸素センサとは、例えば自動車エン
ジンの燃料雰囲気中の燃料と酸素との濃度比をリアルタ
イムで計測し、最適な燃料となるように空気送り量を制
御するために使用されるものである。酸素センサを形成
するには、薄膜状の蛍石型オキシフッ化物の両面に白金
等から成る電極を固着する。 第2タイプ 第2タイプの蛍石型オキシフッ化物のカチオン部は、L
aの他にアルカリ土類金属Maの一種又は複数種を含
み、LaMaOF(Ma:アルカリ土類金属)型の結晶
構造を持つ。アニオン/カチオン比を2.3から2.5
とするカチオン部及びアニオン部の組成は種々考えられ
る。但し、Laは+3価、アルカリ土類金属は+2価、
酸素は−2価、フッ素は−1価であることを考慮して、
全体の価数を零にするため組成式La1-yMay1-x-y
1+2x+y(0.3≦x≦0.5、0<y≦0.2)を考
えた。アニオン/カチオン比が2.4となるのはx=
0.4、y=0.1のときであり、これが最も望まし
い。なお、アニオン/カチオン比が2.5となるのはx
=0.5、y=0.2のとき(La0.8Ma0.20.3
2.2)であり、2.3となるのはx=0.3、y=0の
とき(La00.71.6)である。
The oxyfluoride of the present invention has a fluorite structure and is excellent in oxygen ion conductivity. Therefore, in addition to the solid electrolyte for fuel cells, it can be applied to, for example, an oxygen sensor, an oxygen pump, and the like. The case where it is applied to a solid electrolyte will be described later. The oxygen sensor is used, for example, to measure the concentration ratio of fuel and oxygen in the fuel atmosphere of an automobile engine in real time and control the air feed amount so that the optimum fuel is obtained. To form an oxygen sensor, electrodes made of platinum or the like are fixed on both surfaces of a thin film fluorite type oxyfluoride. 2nd type The cation part of the 2nd type fluorite type oxyfluoride is L
In addition to a, it contains one or more kinds of alkaline earth metal Ma and has a LaMaOF (Ma: alkaline earth metal) type crystal structure. Anion / cation ratio of 2.3 to 2.5
Various compositions of the cation part and the anion part are considered. However, La is +3 valence, alkaline earth metal is +2 valence,
Considering that oxygen is -2 and fluorine is -1,
Composition for the entire valence zero formula La 1-y Ma y O 1 -xy
F 1 + 2x + y (0.3 ≦ x ≦ 0.5, 0 <y ≦ 0.2) was considered. The anion / cation ratio of 2.4 is x =
0.4 and y = 0.1, which is the most desirable. The anion / cation ratio of 2.5 is x
= 0.5, y = 0.2 (La 0.8 Ma 0.2 0 0.3 F
2.2 ), and 2.3 becomes (La0 0.7 F 1.6 ) when x = 0.3 and y = 0.

【0035】yの値は0から0.2であるので、カチオ
ン部La1-yMayにおけるランタン対アルカリ土類金属
の割合(モル%の割合)は1:0(但し、アルカリ土類
金属が0%は除く)から0.8:0.2=8:2(0<
アルカリ土類金属/ランタン≦1/4)の範囲、望まし
くは0.9:0.1=9:1から8:2の範囲(1/9
≦アルカリ土類金属/ランタン≦1/4)で選択できる
ことになる。この割合が8:2を超えてアルカリ土類金
属即ちyの値が増加すると、F1+2x+yにおける1+2x
+yの値が2.0以上となる(基本骨格はLaF2)の
ため、オキシフッ化物が蛍石構造を保つことが困難とな
る。
[0035] Since the value of y is from 0 to 0.2, (the ratio of the mol%) percentage of lanthanum to alkali earth metal in the cation portion La 1-y Ma y is 1: 0 (provided that the alkaline earth metal Is 0% except 0.8: 0.2 = 8: 2 (0 <
Alkaline earth metal / lanthanum ≦ 1/4), preferably 0.9: 0.1 = 9: 1 to 8: 2 (1/9)
≦ Alkaline earth metal / lanthanum ≦ 1/4) can be selected. When this ratio exceeds 8: 2 and the value of alkaline earth metal, that is, y, increases, 1 + 2x in F 1 + 2x + y
Since the value of + y is 2.0 or more (the basic skeleton is LaF 2 ), it becomes difficult for the oxyfluoride to maintain the fluorite structure.

【0036】アルカリ土類金属の具体例としてはマグネ
シウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム
(Sr)、バリウム(Ba)が挙げられる。複数種とは
2種類以上の意味である。上述したように、Sr等は望
ましくはカチオン部にモル%で10から20%含まれる
ことができる。カチオン部の具体例としてはLa0.9
0.1、La0.8Sr0.2がある。
Specific examples of the alkaline earth metal include magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr) and barium (Ba). Plural types mean two or more types. As described above, Sr or the like may be included in the cation portion in an amount of 10 to 20% by mol. Specific examples of the cation portion include La 0.9 S
r 0.1 and La 0.8 Sr 0.2 .

【0037】一方、アニオン部O1-x-y1+2x+yにおけ
る酸素対フッ素の割合は1:2.3から1:4の範囲で
選択できる。上述したように、xは0.3から0.5の
範囲で、yは0から0.2の範囲で選択できる。この割
合は、例えばx=0.4、y=0.1(O0.51.9)の
とき1:3.8になり、x=0.4、y=0.2(O
0.42.0)のとき1:5になる。この割合が1:2.3
を超えてフッ素が減少すると酸素イオンの伝導率が低下
し、1:5を超えてフッ素が増加するとFの値が2以上
となるため蛍石構造が崩れる。
On the other hand, the anion portion O1-xyF1 + 2x + yOke
The ratio of oxygen to fluorine in the range 1: 2.3 to 1: 4
You can choose. As mentioned above, x is between 0.3 and 0.5
In the range, y can be selected in the range of 0 to 0.2. This percent
If, for example, x = 0.4, y = 0.1 (O0.5F1.9)of
When it becomes 1: 3.8, x = 0.4, y = 0.2 (O
0.4F2.0), It becomes 1: 5. This ratio is 1: 2.3
Oxygen ion conductivity decreases as fluorine decreases below
However, when the amount of fluorine increases beyond 1: 5, the value of F is 2 or more.
Therefore, the fluorite structure collapses.

【0038】第2タイプにおいては、カチオン部がLa
の他にアルカリ土類金属を含むことにより、酸素イオン
の伝導率が向上する。LaOF系の固体電解質におい
て、カチオン部へ少量のアルカリ土類金属を添加するこ
とにより電池性能が向上すること自体は公知である。し
かし、従来例のようにアニオン/カチオン比が2.0の
場合は、10%以上のアルカリ土類金属を添加すると電
池性能は低下していた。その理由は格子点間に位置する
過剰の酸素が減少するためと考えられる。
In the second type, the cation portion is La.
In addition to the inclusion of alkaline earth metal, the conductivity of oxygen ions is improved. It is known that the battery performance is improved by adding a small amount of alkaline earth metal to the cation portion in a LaOF-based solid electrolyte. However, in the case where the anion / cation ratio was 2.0 as in the conventional example, the battery performance was lowered by adding 10% or more of the alkaline earth metal. The reason is considered to be that the excess oxygen located between the lattice points decreases.

【0039】これに対して、本発明ではアニオン/カチ
オン比を2.3から2.5とした上で、0から20モル
%、望ましくは10から20モル%のアルカリ土類金属
の添加により電池性能が向上した。その理由は、Sr等
の添加によりオキシフッ化物の結晶構造の対称性が向上
したためと考えられる。 第3タイプ 第3タイプのオキシフッ化物のカチオン部はLaの他に
アルカリ金属Mbの一種又は複数種を含み、LaMbO
F(Mb:アルカリ金属)型の結晶構造を持つ。アニオ
ン/カチオン比を2.3から2.5とするカチオン部及
びアニオン部の組成は種々考えられる。但し、Laは+
3価、アルカリ金属は+1価、酸素は−2価、フッ素は
−1価であることを考慮して、全体の価数を零にするた
め組成式La1-zMbz1-x-2z1+2x+2z(0.3≦x
≦0.5、0<z≦0.1)を考えた。(アニオン/カ
チオン比が2.3となるのはx=0.3、z=0のとき
(La00.71.6)であり、2.4となるのはx=0.
4、z=0.05のとき(La0.95Mb0.05
0.51.9)、又はx=0.4、z=0.1のとき(La
0.9Ma0.10.42.0)である。
On the other hand, in the present invention, the anion / cation ratio is set to 2.3 to 2.5, and the alkaline earth metal is added in an amount of 0 to 20 mol%, preferably 10 to 20 mol%. Performance improved. It is considered that the reason is that the symmetry of the crystal structure of the oxyfluoride was improved by adding Sr or the like. Third type The cation part of the third type oxyfluoride contains one or more kinds of alkali metal Mb in addition to La, and LaMbO
It has an F (Mb: alkali metal) type crystal structure. Various compositions of the cation portion and the anion portion that make the anion / cation ratio 2.3 to 2.5 are possible. However, La is +
Considering that trivalent, alkali metal is +1 valent, oxygen is -2 valent, and fluorine is -1 valent, the composition formula La 1-z Mb z O 1-x- is set to make the entire valence zero. 2z F 1 + 2x + 2z (0.3 ≦ x
≦ 0.5, 0 <z ≦ 0.1) were considered. (The anion / cation ratio becomes 2.3 when x = 0.3 and z = 0 (La0 0.7 F 1.6 ), and the ratio becomes 2.4 when x = 0.
4, when z = 0.05 (La 0.95 Mb 0.05 0
0.5 F 1.9 ) or when x = 0.4 and z = 0.1 (La
0.9 Ma 0.10 0.4 F 2.0 ).

【0040】zの値が0から0.1であるから、カチオ
ン部La1-zMbzにおけるランタン対アルカリ土類金属
の割合は1:0(但し、アルカリ土類が0%は除く)か
ら0.9:0.1=9:1の範囲で選択できることにな
る。ランタン対アルカリ金属の割合が9:1を超えてア
ルカリ金属が増加すると、オキシフッ化物の蛍石構造が
くずれる(不純物層が形成される)。
Since the value of z is 0 to 0.1, the ratio of lanthanum to alkaline earth metal in the cation portion La 1-z Mb z is 1: 0 (excluding 0% of alkaline earth). It can be selected within the range of 0.9: 0.1 = 9: 1. When the ratio of lanthanum to alkali metal exceeds 9: 1 and the amount of alkali metal increases, the oxyfluoride fluorite structure collapses (an impurity layer is formed).

【0041】アルカリ金属としてはリチウム(Li)や
ナトリウム(Na)が挙げられる。複数種とは2種類以
上の意味である。Li等は望ましくはカチオン部にモル
%で5から10%含まれることができる。カチオン部の
具体例としてはLa0.9Na0 .1がある。
Examples of alkali metals include lithium (Li) and sodium (Na). Plural types mean two or more types. Li or the like may be contained in the cation portion in an amount of 5 to 10% by mol. There are La 0.9 Na 0 .1 Specific examples of the cation portion.

【0042】一方、アニオン部O1-x-2z1+2x+2zにお
ける酸素対フッ素の割合は1:2.3から1:5の範囲
で選択できる。上述したように、xは0.3から0.5
の範囲で、zは0から0.1の範囲で選択できる。この
割合はx=0.3、z=0(O0.71.6)のとき1:
2.3になり、xが0.4、zが0.1(O0.42.0
のとき1:5になる。この割合が1:2.3を超えてフ
ッ素が減少すると酸素イオンの伝導率が低下し、1:5
を超えてフッ素が増加すると蛍石構造が崩れる。
On the other hand, the ratio of oxygen to fluorine in the anion portion O 1-x-2z F 1 + 2x + 2z can be selected in the range of 1: 2.3 to 1: 5. As described above, x is 0.3 to 0.5
, Z can be selected in the range of 0 to 0.1. This ratio is 1: when x = 0.3 and z = 0 (O 0.7 F 1.6 ).
2.3, x is 0.4 and z is 0.1 (O 0.4 F 2.0 ).
Then it becomes 1: 5. If this ratio exceeds 1: 2.3 and the amount of fluorine decreases, the conductivity of oxygen ions decreases, and
When the amount of fluorine increases beyond the range, the fluorite structure collapses.

【0043】従来のLaOFでは焼結性があまり良くな
く、燃料電池に使用した際に割れたり、開回路の起電力
が理論値よりも低くなることがあった。その理由は細孔
を通って燃料ガスと空気が混合、燃焼し極所的な発熱、
エネルギのロスが発生するからと考えられる。
The conventional LaOF is not so good in sinterability and sometimes cracks when used in a fuel cell, or the electromotive force of an open circuit becomes lower than the theoretical value. The reason is that fuel gas and air are mixed and burned through the pores, resulting in local heat generation.
It is considered that energy loss occurs.

【0044】これに対して、第3タイプのように、アニ
オン/カチオン比を2.3から2.5とした上で、カチ
オン部にLa以外に融点の低いアルカリ金属を含有させ
ることにより、焼結性が向上した。その理由は、融点の
低いアルカリ金属が焼結助材として作用するためと考え
られる。焼結性の向上により酸素イオンの導電パスが増
加し、酸素イオンの伝導率も向上し、その結果開回路起
電力がほぼ理論値になった。 第4タイプ 第4タイプの蛍石型オキシフッ化物のカチオン部はLa
の他にもアルカリ土類金属Maの一種又は複数種及びア
ルカリ金属Mbの一種又は複数種を含み、LaMaMb
OF(Ma:アルカリ土類金属、Mb:アルカリ金属)
型の結晶構造を持つ。アニオン/カチオン比を2.3か
ら2.5とするカチオン部及びアニオン部の組成は種々
考えられる。但し、Laは+3価、アルカリ土類金属は
+2価、アルカリ金属は+1価、酸素は−2価、フッ素
は−1価であることを考慮して、全体の価数を零にする
ため組成式La1-y-zMayMbz1-x-y-2z1+2x+y+2z
を考えた。
On the other hand, as in the case of the third type, by setting the anion / cation ratio to 2.3 to 2.5 and adding an alkali metal having a low melting point in addition to La to the cation portion, the calcining is performed. The bondability has improved. It is considered that the reason is that the alkali metal having a low melting point acts as a sintering aid. Owing to the improved sinterability, the conductive path of oxygen ions was increased, and the conductivity of oxygen ions was also improved. As a result, the open circuit electromotive force became almost the theoretical value. 4th type The cation part of the 4th type fluorite type oxyfluoride is La
In addition, one or more kinds of alkaline earth metal Ma and one or more kinds of alkali metal Mb are contained, and LaMaMb
OF (Ma: alkaline earth metal, Mb: alkali metal)
Has a crystal structure of type. Various compositions of the cation portion and the anion portion that make the anion / cation ratio 2.3 to 2.5 are possible. However, considering that La is +3 valent, alkaline earth metal is +2 valent, alkali metal is +1 valent, oxygen is -2 valent, and fluorine is -1 valent, the composition is set to make the entire valence zero. formula La 1-yz Ma y Mb z O 1-xy-2z F 1 + 2x + y + 2z
Thought.

【0045】ここで、アニオン部のフッ素F1+2x+y+2z
の割合が一定限度以上になると、即ち1+2x+y+2
zが2を超えると、オキシフッ化物の蛍石構造が保たれ
ずフッ素イオン伝導を示してしまう。よって、1+2x
+y+2zは2よりも小さくなければならない(1+2
x+y+2z≦2)。また、アニオン/カチオン比が
2.3から2.5であるから、2.3≦(1−x−y−
2z)+(1+2x+y+2z)/(1−y−z)+y
+z ≦ 2.5より、0.3≦x≦0.5が求まる。
Fluorine F 1 + 2x + y + 2z in the anion part
When the ratio of exceeds a certain limit, that is, 1 + 2x + y + 2
When z exceeds 2, the fluorite structure of oxyfluoride is not maintained and fluorine ion conduction is exhibited. Therefore, 1 + 2x
+ Y + 2z must be less than 2 (1 + 2
x + y + 2z ≦ 2). Further, since the anion / cation ratio is 2.3 to 2.5, 2.3 ≦ (1-x-y-
2z) + (1 + 2x + y + 2z) / (1-yz) + y
From + z ≦ 2.5, 0.3 ≦ x ≦ 0.5 is obtained.

【0046】x=0.3のとき1+0.6+y+x≦
2.0より0<y≦0.4、0<z≦0.2が求まる。
また、x=0.4のとき、0<y≦0.2であり、0<
z≦0.1である。更に、x=0.5のとき、y+2z
≦2.0よりy=z=0となる。以上から明らかなよう
に、yの値及びzの値はxの値により変化する。
When x = 0.3, 1 + 0.6 + y + x≤
From 2.0, 0 <y ≦ 0.4 and 0 <z ≦ 0.2 are obtained.
Further, when x = 0.4, 0 <y ≦ 0.2 and 0 <
z ≦ 0.1. Furthermore, when x = 0.5, y + 2z
From ≦ 2.0, y = z = 0. As is clear from the above, the value of y and the value of z change depending on the value of x.

【0047】以上より、カチオン部La1-y-zMayMb
zにおけるランタンLa対アルカリ土類金属Ma対アル
カリ金属Mbの割合は9:0.5:0.5又は8.5:
1.0:0.5とすることができる。この割合が9:
0.5:0.5になるのはy=z=0.05のとき(L
0.9Ma0.05Mb0.05)であり、8.5:1.0:
0.5になるのはy=0.1、z=0.05のとき(L
0.85Ma0.1Mb0.05)である。
From the above, the cation part La 1-yz May y Mb
The ratio of lanthanum La to alkaline earth metal Ma to alkali metal Mb at z is 9: 0.5: 0.5 or 8.5:
It can be 1.0: 0.5. This ratio is 9:
It becomes 0.5: 0.5 when y = z = 0.05 (L =
a 0.9 Ma 0.05 Mb 0.05 ), and 8.5: 1.0:
It becomes 0.5 when y = 0.1 and z = 0.05 (L
a 0.85 Ma 0.1 Mb 0.05 ).

【0048】ランタン対アルカリ土類金属及びアルカリ
金属の割合が8.5:1.5を超えてアルカリ土類金属
及びアルカリ金属が多くなると、オキシフッ化物が蛍石
構造を保つことが困難となる。
When the ratio of lanthanum to alkaline earth metal and alkali metal exceeds 8.5: 1.5 and the amount of alkaline earth metal and alkali metal increases, it becomes difficult for the oxyfluoride to maintain the fluorite structure.

【0049】アルカリ土類金属とアルカリ金属との組合
せとしては、アルカリ土類金属の一種とアルカリ金属の
一種、アルカリ土類金属の複数種とアルカリ金属の一
種、アルカリ土類金属の複数種とアルカリ金属の一種及
びアルカリ土類金属の複数種とアルカリ金属の複数種と
がある。ランタンとアルカリ土類金属の一種とアルカリ
金属の一種との組み合わせる場合、具体例としてはLa
0.85Ba0.1Na0.05がある。
As the combination of alkaline earth metal and alkali metal, one kind of alkaline earth metal and one kind of alkali metal, plural kinds of alkaline earth metal and one kind of alkali metal, plural kinds of alkaline earth metal and alkali There are one kind of metals and plural kinds of alkaline earth metals and plural kinds of alkali metals. When combining lanthanum and one kind of alkaline earth metal and one kind of alkali metal, as a specific example, La
There is 0.85 Ba 0.1 Na 0.05 .

【0050】一方、アニオン部O1-x-y-2z1+2x+y+2z
における酸素対フッ素の割合は1::2.3から1:4
の範囲で選択できる。この割合が1:2.3になるのは
x=0.3、y=z=0のとき(O0.71.6)であり、
1:4になるのはx=0.4、y=0.05、z=0.
025のとき(O0.51.9)である。
On the other hand, the anion portion O 1-xy-2z F 1 + 2x + y + 2z
The ratio of oxygen to fluorine at 1 :: 2.3 to 1: 4
You can select in the range. This ratio becomes 1: 2.3 when x = 0.3 and y = z = 0 (O 0.7 F 1.6 ),
The ratio of 1: 4 is x = 0.4, y = 0.05, z = 0.
It is 025 (O 0.5 F 1.9 ).

【0051】第4タイプのように、アニオン/カチオン
比を2.3から2.5とした上で、カチオン部にアルカ
リ土類金属及びアルカリ金属を含有させることにより、
アルカリ土類金属のみを添加した場合に比べて更に酸素
イオンの伝導率が向上した。その理由は、オキシフッ化
物の結晶構造の対称性が向上するとともに、焼結密度が
向上する(酸素イオンの導電パスが増加する)ためと考
えられる。 <固体電解質、燃料電池> 固体電解質 本発明の固体電解質は、第1から第4タイプの蛍石型オ
キシフッ化物から成る。上述したように、各タイプの蛍
石型オキシフッ化物は酸素イオンの伝導性に優れ、また
固体電解質は酸素イオン(O2-)の伝導体で、水素と酸
素とを物理的に隔離することが要求される。これを考慮
すると、本発明の固体電解質は、この優れた酸素イオン
の伝導性を持つ蛍石型オキシフッ化物により形成するこ
とが望ましい。 本発明の燃料電池は、上記第1から第4タイプの蛍石
型オキシフッ化物から成る固体電解質と、その一面側の
空気極と、その他面側の燃料極とを含む。ここで、空気
極には酸素を吸着し易いこと、酸素イオンの移動が容易
であること等が要求される。これを考慮すると、空気極
はSm0.5Sr0.5Co03又はPtから成ることが望ま
しい。一方、燃料極には電子導電性が大きいこと、水素
との親和性があること等が要求される。これを考慮する
と、燃料極はNi又はPtから成ることが望ましい。空
気極をPtとし燃料極をPtとすることが特に望まし
い。
By changing the anion / cation ratio from 2.3 to 2.5 as in the case of the fourth type, and by incorporating an alkaline earth metal and an alkali metal in the cation part,
The oxygen ion conductivity was further improved as compared with the case where only the alkaline earth metal was added. The reason is considered to be that the symmetry of the crystal structure of the oxyfluoride is improved and the sintering density is improved (the conductive path of oxygen ions is increased). <Solid Electrolyte and Fuel Cell> Solid Electrolyte The solid electrolyte of the present invention comprises fluorite-type oxyfluorides of the first to fourth types. As described above, each type of fluorite-type oxyfluoride has excellent conductivity of oxygen ions, and the solid electrolyte is a conductor of oxygen ions (O 2− ), which can physically separate hydrogen and oxygen. Required. Considering this, it is desirable that the solid electrolyte of the present invention be formed of fluorite type oxyfluoride having excellent conductivity of oxygen ions. The fuel cell of the present invention includes a solid electrolyte composed of the above-mentioned first to fourth types of fluorite-type oxyfluoride, an air electrode on one side thereof, and a fuel electrode on the other side thereof. Here, the air electrode is required to easily adsorb oxygen and to easily move oxygen ions. Considering this, the air electrode is preferably made of Sm 0.5 Sr 0.5 CoO 3 or Pt. On the other hand, the fuel electrode is required to have high electronic conductivity and affinity with hydrogen. Considering this, it is desirable that the fuel electrode is made of Ni or Pt. It is particularly desirable that the air electrode be Pt and the fuel electrode be Pt.

【0052】燃料電池は平板型でも円筒型でも良く、作
動温度500から700℃で発電する。固体電解質、燃
料極及び空気極によりセル(単電池)が形成される。単
独のセルでは電圧が低いために複数個セルを直列に接続
して所望の電圧を得る。
The fuel cell may be a flat plate type or a cylindrical type and generates power at an operating temperature of 500 to 700 ° C. A cell (unit cell) is formed by the solid electrolyte, the fuel electrode, and the air electrode. Since a single cell has a low voltage, a plurality of cells are connected in series to obtain a desired voltage.

【0053】燃料電池は固体電解質、燃料極及び空気極
の他にもセパレータを含む。セパレータは、平板型の燃
料電池において隣接するセル同士を直列に接続するもの
であり、円筒型の燃料電池ではインタコネクタと呼ばれ
る。何れの場合でも、高温で酸化雰囲気にある空気極
と、還元雰囲気にある燃料極とをしっかり接続する必要
がある。これを考慮して、セパレータは酸化にも還元に
も強く、かつ何れの雰囲気でも電子伝導性が良くイオン
伝導性がない物質から成ることが望ましい。
The fuel cell includes a separator in addition to the solid electrolyte, the fuel electrode and the air electrode. The separator connects adjacent cells in series in a flat plate fuel cell, and is called an interconnector in a cylindrical fuel cell. In either case, it is necessary to firmly connect the air electrode in the oxidizing atmosphere at high temperature and the fuel electrode in the reducing atmosphere. In consideration of this, it is desirable that the separator is made of a material which is strong against oxidation and reduction and has good electron conductivity and no ion conductivity in any atmosphere.

【0054】[0054]

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面を基にして
説明する。 (実施例1の蛍石型オキシフッ化物、固体電解質)前記
図13に示すように、平板型の燃料電池は、固体電解質
11と、その両側に配置された空気極12及び燃料極1
3とを含む単セル15と、隣接する単セル間に介在され
たセパレータ17とから成る。固体電解質11は上記第
1タイプの蛍石型オキシフッ化物に相当するLaO0.6
1.8から成り、平板形状を持つ。アニオン部における
酸素対フッ素の割合は1:3であり、アニオン/カチオ
ン比は2.4である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. (Fluorite type oxyfluoride, solid electrolyte of Example 1) As shown in FIG. 13, the flat plate type fuel cell includes a solid electrolyte 11, an air electrode 12 and a fuel electrode 1 arranged on both sides thereof.
It is composed of a unit cell 15 including 3 and a separator 17 interposed between adjacent unit cells. The solid electrolyte 11 is LaO 0.6 which corresponds to the above-mentioned first type fluorite type oxyfluoride.
It consists of F 1.8 and has a flat plate shape. The oxygen to fluorine ratio in the anion part is 1: 3 and the anion / cation ratio is 2.4.

【0055】燃料極12はPtから成り、固体電解質1
1の一面に積層され、水素ガスの流通路となる凹溝12
aが形成されている、空気極13はPtから成り、固体
電解質11の他面に積層され、酸素ガスの流通路となる
凹溝13aが形成されている。 (固体電解質11の製造方法)固体電解質11は以下の
ように作成した。図2に示すように、S1において各種
酸化物即ちLa23又はフッ化物即ちLaF3を秤量し
(例えばLa23を1g、LaF3を3g)、S2にお
いて各種酸化物又はフッ化物をアルミナ乳鉢で30分間
混合する。
The fuel electrode 12 is made of Pt, and the solid electrolyte 1
The concave groove 12 which is laminated on one surface of the No. 1 and serves as a flow passage for hydrogen gas.
The air electrode 13 in which a is formed is made of Pt, is laminated on the other surface of the solid electrolyte 11, and has a concave groove 13a serving as a flow passage for oxygen gas. (Manufacturing Method of Solid Electrolyte 11) The solid electrolyte 11 was prepared as follows. As shown in FIG. 2, various oxides or La 2 O 3 or fluorides or LaF 3 are weighed in S1 (for example, 1 g of La 2 O 3 and 3 g of LaF 3 ) and various oxides or fluorides are added in S2. Mix for 30 minutes in an alumina mortar.

【0056】次に、S3において混合物をアルゴン雰囲
気、温度750℃で4時間仮焼きし、S4において乳鉢
で混合、粉砕する。次に、S5において粉砕物に静水圧
を加えてディスク形状に成形し、S6においてアルゴン
雰囲気、温度900から1100℃で3時間焼結する。
Next, in S3, the mixture is calcined in an argon atmosphere at a temperature of 750 ° C. for 4 hours, and in S4, mixed and ground in a mortar. Next, in S5, hydrostatic pressure is applied to the pulverized product to form it into a disk shape, and in S6, it is sintered in an argon atmosphere at a temperature of 900 to 1100 ° C. for 3 hours.

【0057】これにより固体電解質11が製作される。
最後に、S7においてXRDにより固体電解質11の構
造を解析する。 (作用・効果)上記固体電解質11を含む燃料電池は例
えば作動温度600℃で発電する。即ち、空気極12に
酸素が供給され、燃料極13に水素が供給される。酸素
は空気極12を通過して固体電解質11との界面近傍に
到達し、空気極12から電子を受け取って酸素イオンに
なる。酸素イオンは固体電解質11中を空気極12から
燃料極13に向かって拡散移動し、燃料極13との界面
近傍で水素と反応する。これにより、燃料極13に電子
を放出し、水が生成される。電子は外部回路18を通っ
て空気極12に流れ、空気極12から燃料極13に電流
が流れる。
As a result, the solid electrolyte 11 is manufactured.
Finally, in S7, the structure of the solid electrolyte 11 is analyzed by XRD. (Operation / Effect) A fuel cell including the solid electrolyte 11 generates power at an operating temperature of 600 ° C., for example. That is, oxygen is supplied to the air electrode 12 and hydrogen is supplied to the fuel electrode 13. Oxygen passes through the air electrode 12 and reaches the vicinity of the interface with the solid electrolyte 11, and receives electrons from the air electrode 12 to become oxygen ions. The oxygen ions diffusely move in the solid electrolyte 11 from the air electrode 12 toward the fuel electrode 13, and react with hydrogen in the vicinity of the interface with the fuel electrode 13. As a result, electrons are emitted to the fuel electrode 13 and water is generated. The electrons flow through the external circuit 18 to the air electrode 12, and a current flows from the air electrode 12 to the fuel electrode 13.

【0058】図3は実施例1の固体電解質と、比較例
1、3及び4との固体電解質の酸素イオンの伝導率を示
す。実施例1はLaO0.61.8から成り、比較例1はL
aOFから成り、比較例3はYSZから成り、比較例4
はLSGM9182(La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2
2.85)から成る。実施例1の酸素イオンの伝導率が曲線
cで示され、比較例1、比較例3及び比較例4の酸素イ
オンの伝導率がそれぞれ曲線d、e及びfで示されてい
る。
FIG. 3 shows the oxygen ion conductivity of the solid electrolytes of Example 1 and the solid electrolytes of Comparative Examples 1, 3 and 4. Example 1 is composed of LaO 0.6 F 1.8 , and Comparative Example 1 is L
aOF, Comparative Example 3 is YSZ, and Comparative Example 4
Is LSGM9182 (La 0.9 Sr 0.1 Ga 0.8 Mg 0.2 O
2.85 ). The conductivity of oxygen ions of Example 1 is shown by curve c, and the conductivity of oxygen ions of Comparative Example 1, Comparative Example 3 and Comparative Example 4 are shown by curves d, e and f, respectively.

【0059】600℃における酸素イオンの伝導率を比
較すると、実施例1の酸素イオンの伝導率は約Logσ
=−1.8(σ=0.016S/cm)であり、比較例
1、3及び4の固体電解質の酸素イオンの伝導率よりも
高く、イオン伝導性に優れているとされる比較例4より
も更に高い。この傾向は500から700℃の全範囲に
おいて同様である。
Comparing the conductivity of oxygen ions at 600 ° C., the conductivity of oxygen ions in Example 1 is about Logσ.
= -1.8 (σ = 0.016 S / cm), which is higher than the oxygen ion conductivity of the solid electrolytes of Comparative Examples 1, 3 and 4, and is said to be excellent in ionic conductivity. Even higher than. This tendency is the same in the entire range of 500 to 700 ° C.

【0060】図4は上記各固体電解質のX線回折パター
ンを示す。これは、固体電解質に所定角度(横軸)でX
線を当て、La、O又はFの原子で反射されたX線の反
射光の強度(縦軸)を調べたものである。X線が原子に
当たれば、その反射光の強度が大きくなる。曲線hで示
すように、蛍石構造を持つLaOFから成る固体電解質
(比較例1)では、所定角度(約27度、約32度)で
反射光の強度が大きくなっている。
FIG. 4 shows the X-ray diffraction pattern of each of the above solid electrolytes. This is a solid electrolyte with X at a predetermined angle (horizontal axis).
It is a result of examining the intensity (vertical axis) of the reflected light of the X-ray reflected by the atom of La, O or F by applying a line. When the X-ray hits the atom, the intensity of the reflected light increases. As shown by the curve h, in the solid electrolyte made of LaOF having a fluorite structure (Comparative Example 1), the intensity of the reflected light increases at a predetermined angle (about 27 degrees, about 32 degrees).

【0061】LaO0.61.8から成る実施例1において
も、曲線gで示すように、LaOFとほぼ同じ角度で強
度が強くなっている。これは、実施例1の固体電解質で
は、アニオン部での酸素体フッ素との割合が1:3であ
り、アニオン/カチオン比が2.4であり、Laがカチ
オンサイトに位置し、Oが格子間サイトに位置し、Fが
アニオンサイトに位置し、LaOFの結晶構造と同等の
結晶構造を持つためと考えられる。
Also in Example 1 made of LaO 0.6 F 1.8 , the strength increases at almost the same angle as LaOF, as indicated by the curve g. This is because in the solid electrolyte of Example 1, the ratio of oxygen body fluorine in the anion part was 1: 3, the anion / cation ratio was 2.4, La was located at the cation site, and O was the lattice. It is considered that this is because F is located at the inter site and F is located at the anion site and has a crystal structure similar to that of LaOF.

【0062】 これに対して、フッ化物の一種であるLa
3から成る比較例2は蛍石構造が少しゆがんだティソ
ナイト構造を持ち、曲線iで示すように、所定の角度付
近で複数の出力があり、しかもその大きさは実施例1の
固体電解質よりも小さい。 (実施例2、3及び4の蛍石型オキシフッ化物、固体電
解質)上記第2タイプの蛍石型オキシフッ化物に相当す
る実施例2、3及び4では、カチオン部が、Laとアル
カリ土類金属の一つであるSrとを含む。図5に、アニ
オン/カチオン比2.3から2.4を維持しつつ、蛍石
型オキシフッ化物のカチオン部及びアニオン部の組成を
変更した場合の酸素イオンの伝導率を示す。即ち、実施
例2の固体電解質はLa0.8Sr0.20.42.0から成
り、アニオン部での酸素体フッ素との割合が1:5であ
り、アニオン/カチオン比が2.4である。また、実施
例3の固体電解質はLa0.9Sr0.10.51.9から成
り、アニオン部での酸素体フッ素との割合が5:19で
あり、アニオン/カチオン比が2.4である。更に、実
施例4の固体電解質はLa0.8Sr0.20.51.8から成
り、アニオン部での酸素体フッ素との割合が5:18≒
1:3.6であり、アニオン/カチオン比が2.3であ
る。
[0062] On the other hand, La which is a kind of fluoride
F3Comparative Example 2 consisting of Tissot with a slightly distorted fluorite structure
It has a knight structure and has a certain angle as shown by curve i.
There are a plurality of outputs in the vicinity, and the size is the same as in the first embodiment.
Smaller than solid electrolyte. (The fluorite type oxyfluorides of Examples 2, 3 and 4 and solid state electrodes)
Degradation) Corresponds to the second type of fluorite-type oxyfluoride
In Examples 2, 3 and 4, the cation moiety is La and al.
It contains Sr, which is one of the alkaline earth metals. In Figure 5,
Fluorite while maintaining an on / cation ratio of 2.3 to 2.4
The composition of the cation part and the anion part of the type oxyfluoride
The conductivity of oxygen ions when changed is shown. That is, implementation
The solid electrolyte of Example 2 is La0.8Sr0.2O0.4F2.0Consisting of
And the ratio of oxygen body fluorine in the anion part is 1: 5.
And the anion / cation ratio is 2.4. Also implemented
The solid electrolyte of Example 3 is La0.9Sr0.1O0.5F1.9Consisting of
And the ratio of oxygen body fluorine in the anion part is 5:19.
And the anion / cation ratio is 2.4. Furthermore, the real
The solid electrolyte of Example 4 is La0.8Sr0.2O0.5F1.8Consisting of
Therefore, the ratio of oxygen body fluorine in the anion part is 5:18 ≈
1: 3.6, anion / cation ratio of 2.3
It

【0063】なお、カチオン部にSrを含む実施例2、
3及び4は、上記実施例1に比べて、原材料の混合比を
変更し、SrO又はSrF2を添加することにより製造
した。SrO又はSrF2は立方晶の蛍石構造を持ち、
その添加によりオキシフッ化物の結晶構造の対称性が向
上した。即ち、蛍石構造の格子点位置をFが占有し、O
は格子点間に無秩序に存在していると推定される。この
格子点間に存在するOが格子点間を移動することにより
酸素イオンの伝導性が向上すると考えられる。
Example 2 containing Sr in the cation part,
3 and 4 were manufactured by changing the mixing ratio of the raw materials and adding SrO or SrF 2 as compared with the above-mentioned Example 1. SrO or SrF 2 has a cubic fluorite structure,
The addition improved the symmetry of the oxyfluoride crystal structure. That is, F occupies the lattice point position of the fluorite structure, and O
Are presumed to exist randomly between the lattice points. It is considered that the O existing between the lattice points moves between the lattice points to improve the conductivity of oxygen ions.

【0064】作動温度が500から700℃では、曲線
j及びkで示すように、実施例2の固体電解質及び実施
例3の固体電解質の酸素イオンの伝導率は、曲線lで示
す実施例1の固体電解質のそれよりも大きい。
At operating temperatures of 500 to 700 ° C., the oxygen ion conductivities of the solid electrolyte of Example 2 and the solid electrolyte of Example 3 of Example 1 are shown by curve 1 as shown by curves j and k. Greater than that of a solid electrolyte.

【0065】これより、アニオン/カチオン比2.3か
ら2.4を維持しつつ、カチオン部にLaの他にSrを
含有させることが望ましく、しかもその含有量は10%
よりも20%が良いことが分かる。また、アニオン部で
は酸素対フッ素の割合が0.5:1.9≒1:3.8よ
りも1:5の方が望ましいことが分かる。
From this, it is desirable that Sr be contained in addition to La in the cation portion while maintaining the anion / cation ratio of 2.3 to 2.4, and the content thereof is 10%.
It turns out that 20% is better than. Further, it is understood that the ratio of oxygen to fluorine in the anion part is preferably 1: 5 rather than 0.5: 1.9≈1: 3.8.

【0066】なお、実施例4の固体電解質の酸素イオン
の伝導率は実施例1の固体電解質のそれよりも低くなっ
ている。実施例4の固体電解質のアニオン/カチオン比
は2.3である。これより、カチオン部にアルカリ土類
金属としてSrを含む場合、最適のアニオン/カチオン
比は2.4であることが分かる。但し、実施例4の固体
電解質の酸素イオンの伝導率は、アニオン/カチオン比
が2とされている従来例の伝導率よりも高い。 (実施例5の蛍石型オキシフッ化物、固体電解質)上記
第3タイプの蛍石型オキシフッ化物に相当する実施例5
では、カチオン部がLaとアルカリ金属の一つであるN
aとを含む。即ち、Laの10%がNaにより置換さ
れ、組成式はLa0.9Na0.10.42.0で表わされる。
カチオン部におけるランタン対ナトリウムの割合は9:
1であり、アニオン部における酸素対フッ素の割合は
1:5であり、アニオン/カチオン比は2.4である。
The conductivity of oxygen ions of the solid electrolyte of Example 4 is lower than that of the solid electrolyte of Example 1. The anion / cation ratio of the solid electrolyte of Example 4 is 2.3. From this, it is found that the optimum anion / cation ratio is 2.4 when Sr is contained as the alkaline earth metal in the cation part. However, the conductivity of oxygen ions of the solid electrolyte of Example 4 is higher than the conductivity of the conventional example in which the anion / cation ratio is 2. (Fluorite type oxyfluoride of Example 5, solid electrolyte) Example 5 corresponding to the above-mentioned third type of fluorite type oxyfluoride
Then, the cation part is La and N is one of the alkali metals.
a is included. That is, 10% of La is replaced by Na, and the composition formula is represented by La 0.9 Na 0.1 O 0.4 F 2.0 .
The ratio of lanthanum to sodium in the cation part is 9:
1, the ratio of oxygen to fluorine in the anion part is 1: 5, and the anion / cation ratio is 2.4.

【0067】なお、実施例5は、上記実施例1に比べ
て、混合する原材料の混合比を変更し、NaFを添加す
ることにより製造した。
Example 5 was manufactured by changing the mixing ratio of the raw materials to be mixed and adding NaF, as compared with Example 1 described above.

【0068】実施例5の固体電解質における作動温度と
酸素イオンの伝導率との関係が図6において曲線nで示
されている。作動温度500から700℃において、実
施例5の酸素イオンの伝導率が曲線pで示す実施例1の
それよりも上回っている。
The relationship between the operating temperature and the oxygen ion conductivity in the solid electrolyte of Example 5 is shown by the curve n in FIG. At the operating temperature of 500 to 700 ° C., the conductivity of oxygen ion of Example 5 is higher than that of Example 1 indicated by the curve p.

【0069】実施例3及び実施例5について、理論起電
力と実際の起電力との関係を調べ、その結果を図7に示
す。図7において曲線qが実施例5の理論起電力に対す
る実際の起電力の比(以下「起電力比」と略称する)で
あり、曲線rが実施例3における起電力比である。これ
より、カチオン部にNaを添加した実施例5では、カチ
オン部にSrを添加した実施例3よりも実際の起電力が
理論起電力に近いことが分かる。
The relationship between the theoretical electromotive force and the actual electromotive force was investigated for Examples 3 and 5, and the results are shown in FIG. In FIG. 7, a curve q is the ratio of the actual electromotive force to the theoretical electromotive force of Example 5 (hereinafter abbreviated as “electromotive force ratio”), and a curve r is the electromotive force ratio of Example 3. From this, it is understood that in Example 5 in which Na was added to the cation portion, the actual electromotive force was closer to the theoretical electromotive force than in Example 3 in which Sr was added to the cation portion.

【0070】実施例1及び実施例5における酸素イオン
の伝導率と焼結体の結晶構造との関係を調べるべく、焼
結体をSEM写真により分析した。その結果を図8に示
す。図8(a)は実施例1の結晶構造を示す写真であ
り、結晶密度が粗である。(b)は実施例5の結晶構造
を示す写真であり、結晶密度が密である。カチオン部に
10%のNaを添加することにより焼結体の焼結密度が
密になっており、この密度の上昇が起電力が上昇した原
因であると考えられる。 (実施例6の蛍石型オキシフッ化物、固体電解質)上記
第4タイプの蛍石型オキシフッ化物に相当する実施例6
では、カチオン部が、La、アルカリ土類金属の一つで
あるSr及びアルカリ金属の一つであるNaを含み、組
成式La0.85Sr0.1Na0.050.42.0で示される。
The sintered bodies were analyzed by SEM photographs in order to investigate the relationship between the conductivity of oxygen ions and the crystal structure of the sintered bodies in Examples 1 and 5. The result is shown in FIG. FIG. 8A is a photograph showing the crystal structure of Example 1, in which the crystal density is rough. (B) is a photograph showing the crystal structure of Example 5, in which the crystal density is high. By adding 10% Na to the cation portion, the sintered density of the sintered body became dense, and it is considered that the increase in this density is the cause of the increase in electromotive force. (Fluorite-Type Oxyfluoride of Example 6 and Solid Electrolyte) Example 6 corresponding to the above-mentioned fourth type of fluorite-type oxyfluoride.
In, the cation portion contains La, Sr which is one of the alkaline earth metals, and Na which is one of the alkali metals, and is represented by the composition formula La 0.85 Sr 0.1 Na 0.05 O 0.4 F 2.0 .

【0071】図9に、実施例6の固体電解質における作
動温度と酸素イオンの伝導率との関係が曲線sで示され
ている。前記実施例3(La0.9Sr0.10.51.9)及
び比較例4(LSGM9182)における酸素イオンの
伝導率が曲線t、uで示されている。これから明らかな
ように、500から700℃において、実施例6の酸素
イオンの伝導率が実施例3、比較例4のそれよりも上回
っている。
In FIG. 9, the relationship between the operating temperature and the oxygen ion conductivity in the solid electrolyte of Example 6 is shown by a curve s. The conductivity of oxygen ions in Example 3 (La 0.9 Sr 0.1 O 0.5 F 1.9 ) and Comparative Example 4 (LSGM9182) are shown by curves t and u. As is apparent from this, at 500 to 700 ° C., the conductivity of oxygen ion in Example 6 is higher than that in Example 3 and Comparative Example 4.

【0072】このように、アニオン/カチオン比を2.
4とした上で、カチオン部にSrとNaとを含有させる
ことにより、Srのみを添加した場合に比べて、更に酸
素イオンの伝導率が向上した。その理由は、オキシフッ
化物の結晶構造の対称性が向上するとともに、焼結密度
が向上する(導電パスが増加する)ためと考えられる。
Thus, the anion / cation ratio is 2.
4, and by incorporating Sr and Na in the cation portion, the oxygen ion conductivity was further improved as compared with the case where only Sr was added. The reason is considered to be that the symmetry of the crystal structure of the oxyfluoride is improved and the sintered density is improved (conductive paths are increased).

【0073】[0073]

【発明の効果】以上述べてきたように、本発明のオキシ
フッ化物によれば、アニオン/カチオン比を2.3から
2.5としたので、格子点位置をフッ素イオンが占有
し、酸素イオンは格子点間に無秩序に存在する。その結
果、酸素イオンの伝導性が増加する。
As described above, according to the oxyfluoride of the present invention, since the anion / cation ratio is 2.3 to 2.5, fluorine ion occupies the lattice point position and oxygen ion It exists randomly between the lattice points. As a result, the conductivity of oxygen ions is increased.

【0074】また、本発明の固体電解質及び燃料電池に
よれば、比較的低い作動温度(500から700℃)で
使用されるので、金属材料を使用することが可能になり
材料選択の幅が広がる。また、熱応力による損傷が防止
され寿命が延びる。係る固体電解質及び燃料電池は、例
えば起動性及び信頼性が要求される電気自動車の電源に
使用するのに適している。
Further, according to the solid electrolyte and the fuel cell of the present invention, since they are used at a relatively low operating temperature (500 to 700 ° C.), it becomes possible to use a metal material, and the range of material selection is widened. . Also, damage due to thermal stress is prevented and the life is extended. Such a solid electrolyte and a fuel cell are suitable for use in, for example, a power source of an electric vehicle that requires startability and reliability.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】組成式LaO1-x1+2xで表される本発明のオ
キシフッ化物(実施例1)における、xの値と酸素イオ
ンの伝導率との関係を示すグラフである。
FIG. 1 is a graph showing the relationship between the value of x and the conductivity of oxygen ions in the oxyfluoride of the present invention represented by the composition formula LaO 1-x F 1 + 2x (Example 1).

【図2】上記オキシフッ化物の製造方法を説明する流れ
図である。
FIG. 2 is a flow chart illustrating a method for producing the oxyfluoride.

【図3】上記実施例1及び比較例における作動温度と酸
素イオンの伝導率との関係を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between operating temperature and oxygen ion conductivity in Example 1 and Comparative Example.

【図4】上記実施例1及び比較例1、2におけるX線の
角度と反射光の強度との関係を示すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the angle of X-rays and the intensity of reflected light in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 above.

【図5】上記実施例1のカチオン部とアルカリ土類金属
が添加された実施例2、3及び4とにおける、作動温度
と酸素イオンの伝導率との関係を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between operating temperature and oxygen ion conductivity in the cation portion of Example 1 and Examples 2, 3 and 4 to which an alkaline earth metal was added.

【図6】実施例1のカチオン部とアルカリ金属が添加さ
れた実施例5とにおける、作動温度と酸素イオンの伝導
率との関係を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing the relationship between operating temperature and oxygen ion conductivity in the cation portion of Example 1 and Example 5 to which an alkali metal was added.

【図7】実施例3及び5における、作動温度と実際の起
電力/理論起電力との関係を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing the relationship between operating temperature and actual electromotive force / theoretical electromotive force in Examples 3 and 5.

【図8】(a)は実施例3の細部構造を示す顕微鏡写
真、(b)は実施例5の細部構造を示す顕微鏡写真であ
る。
8A is a micrograph showing a detailed structure of Example 3, and FIG. 8B is a micrograph showing a detailed structure of Example 5.

【図9】実施例3、6及び比較例4における、作動温度
と酸素イオンの伝導率との関係を示すグラフである。
9 is a graph showing the relationship between operating temperature and oxygen ion conductivity in Examples 3 and 6 and Comparative Example 4. FIG.

【図10】一般の蛍石構造を示す斜視説明図である。FIG. 10 is a perspective explanatory view showing a general fluorite structure.

【図11】LaOFの結晶構造を示す斜視説明図であ
る。
FIG. 11 is a perspective explanatory view showing a crystal structure of LaOF.

【図12】LaO0.52.0の結晶構造を示す斜視説明図
である。
FIG. 12 is a perspective explanatory view showing a crystal structure of LaO 0.5 F 2.0 .

【図13】従来例及び本発明の燃料電池を説明するため
の分解斜視図である。
FIG. 13 is an exploded perspective view for explaining a conventional example and a fuel cell of the present invention.

【図14】図13の燃料電池の作動説明図である。14 is an operation explanatory view of the fuel cell of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10:燃料電池 11:固体電解質 12:空気極 13:燃料極 15:セル 17:セパレータ 10: Fuel cell 11: Solid electrolyte 12: Air electrode 13: Fuel electrode 15: Cell 17: Separator

─────────────────────────────────────────────────────
─────────────────────────────────────────────────── ───

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成14年2月15日(2002.2.1
5)
[Submission date] February 15, 2002 (2002.2.1
5)

【手続補正1】[Procedure Amendment 1]

【補正対象書類名】図面[Document name to be corrected] Drawing

【補正対象項目名】図8[Correction target item name] Figure 8

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【図8】 [Figure 8]

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01M 4/92 H01M 4/92 8/12 8/12 Fターム(参考) 5G301 CA30 CD01 5H018 AA06 AS02 AS03 EE02 EE03 EE13 HH08 5H026 AA06 EE02 EE11 EE13 HH05 HH08 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) H01M 4/92 H01M 4/92 8/12 8/12 F term (reference) 5G301 CA30 CD01 5H018 AA06 AS02 AS03 EE02 EE03 EE13 HH08 5H026 AA06 EE02 EE11 EE13 HH05 HH08

Claims (21)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 カチオン部に少なくともランタンLaを
含み、アニオン部にフッ素F及び酸素Oを含み、カチオ
ン部に対するアニオン部のモル比が2.3から2.5で
あることを特徴とするオキシフッ化物。
1. An oxyfluoride characterized in that the cation part contains at least lanthanum La, the anion part contains fluorine F and oxygen O, and the molar ratio of the anion part to the cation part is 2.3 to 2.5. .
【請求項2】 前記アニオン部の酸素対フッ素の割合は
1:2.3から1:4である請求項1記載のオキシフッ
化物。
2. The oxyfluoride according to claim 1, wherein the ratio of oxygen to fluorine in the anion part is 1: 2.3 to 1: 4.
【請求項3】 組成式LaO1-x1+2x(xは0.3か
ら0.5)で表わされる請求項2記載のオキシフッ化
物。
3. The oxyfluoride according to claim 2, which is represented by the composition formula LaO 1-x F 1 + 2x (x is 0.3 to 0.5).
【請求項4】 作動温度500から700℃で作動する
請求項1記載のオキシフッ化物。
4. The oxyfluoride according to claim 1, which operates at an operating temperature of 500 to 700 ° C.
【請求項5】 前記カチオン部に、更に、アルカリ土類
金属の一種又は複数種を含む請求項1記載のオキシフッ
化物。
5. The oxyfluoride according to claim 1, wherein the cation portion further contains one or more kinds of alkaline earth metals.
【請求項6】 組成式La1-yMay1-x-y
1+2x+y(xは0.3から0.5、yは0から0.2(但
しyが0は除く))で表わされる請求項5記載のオキシ
フッ化物。
6. A composition formula La 1-y May y O 1-xy F
The oxyfluoride according to claim 5, which is represented by 1 + 2x + y (x is 0.3 to 0.5 and y is 0 to 0.2 (excluding 0 for y)).
【請求項7】 前記カチオン部のランタン対アルカリ土
類金属の割合は1:0から8:2(但しアルカリ土類金
属が0%は除く)である請求項5記載のオキシフッ化
物。
7. The oxyfluoride according to claim 5, wherein the ratio of lanthanum in the cation part to alkaline earth metal is 1: 0 to 8: 2 (excluding 0% of alkaline earth metal).
【請求項8】 前記アニオン部の酸素対フッ素の割合は
1:2.3から1:5である請求項5記載のオキシフッ
化物。
8. The oxyfluoride according to claim 5, wherein the ratio of oxygen to fluorine in the anion part is 1: 2.3 to 1: 5.
【請求項9】 前記カチオン部に、更に、アルカリ金属
の一種又は複数種を含む請求項1記載のオキシフッ化
物。
9. The oxyfluoride according to claim 1, wherein the cation portion further contains one or more kinds of alkali metals.
【請求項10】 組成式La1-zMbz1-x-2z
1+2x+2z(xは0.3から0.5、zは0から0.1
(但しzが0は除く))で表わされる請求項9記載のオ
キシフッ化物。
10. A composition formula La 1-z Mb z O 1-x-2z F
1 + 2x + 2z (x is 0.3 to 0.5, z is 0 to 0.1
(However, z excludes 0) The oxyfluoride according to claim 9.
【請求項11】 前記カチオン部のランタン対アルカリ
金属の割合は1:0から9:1(但しアルカリ金属が0
%は除く)である請求項10記載のオキシフッ化物。
11. The ratio of lanthanum to alkali metal in the cation portion is 1: 0 to 9: 1 (provided that alkali metal is 0
% Is excluded) The oxyfluoride according to claim 10.
【請求項12】 前記アニオン部の酸素対フッ素の割合
は1:2.3から1:5である請求項10記載のオキシ
フッ化物。
12. The oxyfluoride according to claim 10, wherein the ratio of oxygen to fluorine in the anion portion is 1: 2.3 to 1: 5.
【請求項13】 前記カチオン部に、更に、アルカリ土
類金属の一種又は複数種、及びアルカリ金属の一種又は
複数種を含む請求項1記載のオキシフッ化物。
13. The oxyfluoride according to claim 1, wherein the cation portion further contains one or more kinds of alkaline earth metals and one or more kinds of alkali metals.
【請求項14】 組成式La1-y-zMayMbz
1-x-y-2z1+2x+y+2z(xは0.3から0.5、yは0
から0.2(但しyが0は除く)、zは0から0.1
(但しzが0は除く))で表わされる請求項13記載の
オキシフッ化物。
14. A composition formula La 1 -yz May y Mb z O
1-xy-2z F 1 + 2x + y + 2z (x is 0.3 to 0.5, y is 0
To 0.2 (however, y is not 0), z is 0 to 0.1
The oxyfluoride according to claim 13, which is represented by (where z is not 0).
【請求項15】 前記カチオン部のランタン対アルカリ
土類金属の一種又は複数種対アルカリ金属の一種又は複
数種の割合は、9:0.5:0.5又は8.5:1.
0:0.5である請求項13記載のオキシフッ化物。
15. The ratio of lanthanum to one or more kinds of alkaline earth metal to one or more kinds of alkali metal in the cation part is 9: 0.5: 0.5 or 8.5: 1.
The oxyfluoride according to claim 13, which is 0: 0.5.
【請求項16】 前記アニオン部の酸素対フッ素のモル
比は1:2.3から1:5である請求項13記載のオキ
シフッ化物。
16. The oxyfluoride according to claim 13, wherein the molar ratio of oxygen to fluorine in the anion part is 1: 2.3 to 1: 5.
【請求項17】 前記カチオン部に少なくともランタン
Laを含み、前記アニオン部にフッ素F及び酸素Oを含
み、該カチオン部に対する該アニオン部のモル比が2.
3から2.5であるオキシフッ化物から成り、平板形状
又は円筒形状を持つことを特徴とする固体電解質。
17. The cation portion contains at least lanthanum La, the anion portion contains fluorine F and oxygen O, and the molar ratio of the anion portion to the cation portion is 2.
A solid electrolyte comprising an oxyfluoride of 3 to 2.5 and having a flat plate shape or a cylindrical shape.
【請求項18】 作動温度500から700℃で作動す
る請求項17記載の固体電解質。
18. The solid electrolyte according to claim 17, which operates at an operating temperature of 500 to 700 ° C.
【請求項19】 前記カチオン部に少なくともランタン
Laを含み、前記アニオン部にフッ素F及び酸素Oを含
み、該カチオン部に対する該アニオン部のモル比が2.
3から2.5であるオキシフッ化物から成り、平板形状
又は円筒形状を持つ固体電解質と、 前記固体電解質の一面側に配置された空気極と、 前記固体電解質の他面側に配置された燃料極と、から成
ることを特徴とする燃料電池。
19. The cation portion contains at least lanthanum La, the anion portion contains fluorine F and oxygen O, and the molar ratio of the anion portion to the cation portion is 2.
A solid electrolyte composed of oxyfluoride having a size of 3 to 2.5 and having a flat plate shape or a cylindrical shape, an air electrode arranged on one surface side of the solid electrolyte, and a fuel electrode arranged on the other surface side of the solid electrolyte. And a fuel cell.
【請求項20】 前記空気極はSm0.5Sr0.5CoO3
又はPtから成り、前記燃料極はNi又はPtから成る
請求項19記載の燃料電池。
20. The air electrode is Sm 0.5 Sr 0.5 CoO 3
20. The fuel cell according to claim 19, wherein the fuel electrode is made of Pt or Pt, and the fuel electrode is made of Ni or Pt.
【請求項21】 作動温度500から700℃で作動す
る請求項19記載の燃料電池。
21. The fuel cell according to claim 19, which operates at an operating temperature of 500 to 700.degree.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013056826A (en) * 2012-10-29 2013-03-28 Tokyo Univ Of Science METHOD FOR PRODUCING FINE PARTICLE DISPERSION SOLUTION, AND METHOD FOR PRODUCING LnOX-LnX3 COMPLEX PARTICLE
WO2014112171A1 (en) * 2013-01-18 2014-07-24 日本イットリウム株式会社 Thermal spray material
CN111566853A (en) * 2018-01-26 2020-08-21 松下知识产权经营株式会社 Positive electrode material and battery using same
WO2023286554A1 (en) * 2021-07-15 2023-01-19 パナソニックホールディングス株式会社 Fluoride ion conductive material and fluoride shuttle-type battery
WO2023100599A1 (en) * 2021-12-02 2023-06-08 日亜化学工業株式会社 Solid electrolyte material for fluoride ion batteries and production method for solid electrolyte material for fluoride ion batteries
WO2024038899A1 (en) * 2022-08-19 2024-02-22 日本材料技研株式会社 Inorganic compound, dispersion and method for producing same, and film and method for producing same, method for producing inorganic compound, methane, and hydrogen, dispersion and method for producing same, and film and method for producing same

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013056826A (en) * 2012-10-29 2013-03-28 Tokyo Univ Of Science METHOD FOR PRODUCING FINE PARTICLE DISPERSION SOLUTION, AND METHOD FOR PRODUCING LnOX-LnX3 COMPLEX PARTICLE
WO2014112171A1 (en) * 2013-01-18 2014-07-24 日本イットリウム株式会社 Thermal spray material
US9708187B2 (en) 2013-01-18 2017-07-18 Nippon Yttrium Co., Ltd. Thermal spray material
CN111566853A (en) * 2018-01-26 2020-08-21 松下知识产权经营株式会社 Positive electrode material and battery using same
CN111566853B (en) * 2018-01-26 2024-04-19 松下知识产权经营株式会社 Positive electrode material and battery using same
WO2023286554A1 (en) * 2021-07-15 2023-01-19 パナソニックホールディングス株式会社 Fluoride ion conductive material and fluoride shuttle-type battery
WO2023100599A1 (en) * 2021-12-02 2023-06-08 日亜化学工業株式会社 Solid electrolyte material for fluoride ion batteries and production method for solid electrolyte material for fluoride ion batteries
WO2024038899A1 (en) * 2022-08-19 2024-02-22 日本材料技研株式会社 Inorganic compound, dispersion and method for producing same, and film and method for producing same, method for producing inorganic compound, methane, and hydrogen, dispersion and method for producing same, and film and method for producing same

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