JP2009023883A - Proton conductor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プロトン伝導体、特に燃料電池の電解質や水素選択透過膜として利用可能なプロトン伝導体及びこれを備える燃料電池に関する。 The present invention relates to a proton conductor, in particular, a proton conductor that can be used as an electrolyte or a hydrogen permselective membrane of a fuel cell and a fuel cell including the same.
燃料電池は、水素と酸素の電気化学反応によってもたらされる化学エネルギーを、熱エネルギーを経ることなく直接電気エネルギーに変換することのできる発電効率の高い発電装置である。その用途としてはノートパソコンや携帯電話といった携帯用電子機器から、自動車や電車等の交通機関、家庭用の発電機、発電所まで広い範囲が期待されており、開発が進められている。 A fuel cell is a power generation device with high power generation efficiency that can directly convert chemical energy generated by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen into electric energy without passing through thermal energy. A wide range of applications is expected from portable electronic devices such as notebook computers and mobile phones to transportation facilities such as cars and trains, home generators, and power plants, and development is underway.
燃料電池には固体高分子型、アルカリ型、リン酸型、固体酸化物型等があり、その中でも固体酸化物型のものは発電効率が55〜60%と高い。固体酸化物型の燃料電池は電解質としてペロブスカイト構造を有する酸化物が用いられており、イオン伝導性の高い電解質の開発が燃料電池の開発と共に進められている。例えば特許文献1ではプロトンと酸素イオンの混合イオン伝導体であるペロブスカイト構造を有する酸化物について提案されている。
燃料電池等に用いられる固体電解質は、ジュール熱による損失を低減して燃料電池等の効率を向上させるため、抵抗が低いほどよい。特許文献1で提案されているペロブスカイト構造を有する酸化物のうち、BaCeO3にGdをドープしてCeの一部を置換したものは電気伝導性が600℃で10-2Scm-1程度と高いものの、燃料電池の反応生成物であるCO2とH2Oを含む雰囲気下では分解するという欠点がある。一方、BaZrO3にYをドープしてZrの一部を置換したものは、CO2とH2Oを含む雰囲気下でも安定に存在するものの、電気伝導性が600℃で10-3Scm-1程度と、BaCeO3にGdをドープしたものと比べて低い。
The solid electrolyte used in a fuel cell or the like is preferably as low as possible in order to reduce the loss due to Joule heat and improve the efficiency of the fuel cell or the like. Of the oxides having a perovskite structure proposed in
BaZrO3では結晶粒内よりも結晶粒界の方が抵抗が高いため、結晶粒界密度を低くして全体の抵抗を低下させるために結晶粒径は大きい方が好ましい。しかし、BaZrO3にYをドープしたものは焼結時に結晶粒の成長が起こらず結晶粒が小さいため結晶粒界密度が高く、全体の抵抗が高いものとなる。 In BaZrO 3 , the crystal grain boundary has a higher resistance than that in the crystal grain. Therefore, it is preferable that the crystal grain size is large in order to reduce the crystal grain boundary density and reduce the overall resistance. However, when BaZrO 3 is doped with Y, crystal grains do not grow during sintering, and the crystal grains are small, so that the grain boundary density is high and the overall resistance is high.
そこで、本発明は、結晶粒が大きく全体の抵抗の低い、ペロブスカイト構造を有する酸化物からなるプロトン伝導体を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a proton conductor made of an oxide having a perovskite structure with large crystal grains and low overall resistance.
上記目的を達成するために、本発明のプロトン伝導体は、組成式AZr1-x-yMaxMbyO3(Aはアルカリ土類金属のうち1種類の元素、MaはY、Ho、Er、Tm、Yb及びLuからなる元素群のうち少なくとも1種類の元素、MbはSc及びInのうち少なくとも1種類の元素であり、x、yは0<x<1,0<y<1,0<x+y<1を満たす)で表される、ペロブスカイト型構造を有する酸化物からなることを特徴とする。 To achieve the above object, the proton conductor of the present invention, one element of the composition formula AZr 1-xy Ma x Mb y O 3 (A is an alkaline earth metal, Ma is Y, Ho, Er, At least one element of the element group consisting of Tm, Yb, and Lu, Mb is at least one element of Sc and In, and x and y are 0 <x <1, 0 <y <1, 0 <. x + y <1), and an oxide having a perovskite structure.
又、本発明は上記構成のプロトン伝導体においてAがBa、MaがY、MbがScであることを特徴とする。 Further, the present invention is characterized in that in the proton conductor configured as described above, A is Ba, Ma is Y, and Mb is Sc.
又、上記構成のプロトン伝導体においてx/y≧1であっても構わないし、x=0.1、y=0.05であっても構わない。 In the proton conductor having the above-described configuration, x / y ≧ 1 may be satisfied, or x = 0.1 and y = 0.05 may be satisfied.
又、本発明の燃料電池は上記構成のプロトン伝導体を備えることを特徴とする。 In addition, the fuel cell of the present invention includes the proton conductor having the above-described configuration.
本発明によると、結晶粒径が大きく、結晶粒内よりも抵抗の高い結晶粒界の全体に占める割合が少ないため抵抗の低いプロトン伝導体を得ることができる。又、抵抗の低いプロトン伝導体を電解質として用いることにより、ジュール熱の発生及びこれによる損失を抑制することができ、燃料電池の効率を高いものとすることができる。 According to the present invention, a proton conductor having a low resistance can be obtained because the crystal grain size is large and the proportion of the entire crystal grain boundary having a higher resistance than that in the crystal grains is small. Further, by using a proton conductor having a low resistance as the electrolyte, generation of Joule heat and loss due thereto can be suppressed, and the efficiency of the fuel cell can be increased.
本発明の実施形態について図を用いて説明する。図1は、本発明のプロトン伝導体の原子の配置の構造を示す単位格子の模式図である。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram of a unit cell showing a structure of arrangement of atoms of a proton conductor according to the present invention.
AZrO3の組成式で表記されるペロブスカイト構造を有する酸化物は、図1に示す単位格子において、A原子は各頂点、Zr(ジルコニウム)原子は中心(体心)、O(酸素)原子は各面の中心(面心)に位置する。 In the unit cell shown in FIG. 1, the oxide having a perovskite structure represented by the composition formula of AZrO 3 has an A atom at each vertex, a Zr (zirconium) atom at the center (body center), and an O (oxygen) atom at each Located at the center (face center) of the surface.
本発明のプロトン伝導体は、このAZrO3の組成式で表記されるペロブスカイト構造を有する酸化物であり、Zrの一部が2種類の元素Ma及びMbで置換されている。つまり、本発明のプロトン伝導体は、AZr1-x-yMaxMbyO3と表記することができる。ここで、元素Aはアルカリ土類金属のうち少なくとも1種類の元素である。元素Maは、Y(イットリウム)、Ho(ホルミウム)、Er(エルビウム)、Tm(ツリウム)、Yb(イッテルビウム)及びLu(ルテチウム)からなる元素群のうち少なくとも1種類の元素であり、元素Mbは、Sc(スカンジウム)及びIn(インジウム)のうち少なくとも1種類の元素である。元素MaとしてはYが好ましく、元素MbとしてはScが好ましい。x及びyは、x/y≧2を満たすことが好ましく、それぞれ0.05≦x≦0.3、0.05≦y≦0.3を満たすことがより好ましく、x/y≧1を満たすことがさらに好ましい。
The proton conductor of the present invention is an oxide having a perovskite structure represented by the composition formula of AZrO 3 , and a part of Zr is substituted with two kinds of elements Ma and Mb. In other words, the proton conductor of the present invention can be expressed as AZr 1-xy Ma x Mb y
本発明のプロトン伝導体は、価数が4のカチオンであるZrを、価数が3のカチオンである元素Ma及びMbで置換したものである。元素Maを構成する元素群は、希土類元素のうち、安定なカチオンの価数が3であり、かつイオン半径がZrと近いかそれ以下である元素からなる。又、元素Mbを構成するScはイオン半径が希土類元素で最も小さく安定なカチオンの価数が3であり、InはScとイオン半径が近く、安定なカチオンの価数が3でである。元素Maを添加し、更に元素Mbを添加することによって焼結時の結晶成長を促進することができるため、結晶粒界密度を少なくすることができる。BaZrO3系のプロトン伝導体を含む固体電解質は、結晶粒内よりも結晶粒界の方が電気伝導度が低いため、結晶粒界密度を少なくすることにより全体の電気伝導度を向上させることができる。 The proton conductor of the present invention is obtained by replacing Zr, which is a cation having a valence of 4, with elements Ma and Mb, which are cations having a valence of 3. The element group composing the element Ma is composed of elements of rare earth elements having a stable cation valence of 3 and an ionic radius close to or less than Zr. Further, Sc constituting the element Mb has an ion radius of rare earth element and the smallest stable cation has a valence of 3, and In has an ion radius close to that of Sc, and the stable cation has a valence of 3. By adding the element Ma and further adding the element Mb, crystal growth at the time of sintering can be promoted, so that the crystal grain boundary density can be reduced. A solid electrolyte containing a BaZrO 3 proton conductor has lower electrical conductivity at the grain boundary than inside the crystal grain, and therefore the overall electrical conductivity can be improved by reducing the grain boundary density. it can.
ここでアルカリ土類金属とはBe(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)、Ra(ラジウム)を指し、希土類元素とはSc、Y、La(ランタン)、Ce(セリウム)、Pr(プラセオジム)、Nd(ネオジム)、Pm(プロメチウム)、Sm(サマリウム)、Eu(ユウロピウム)、Gd(ガドリニウム)、Tb(テルビウム)、Dy(ジスプロシウム)、Ho、Er、Tm、Yb、Luを指す。 Here, the alkaline earth metal refers to Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), Ba (barium), and Ra (radium), and the rare earth elements include Sc, Y, La ( Lanthanum), Ce (cerium), Pr (praseodymium), Nd (neodymium), Pm (promethium), Sm (samarium), Eu (europium), Gd (gadolinium), Tb (terbium), Dy (dysprosium), Ho, It refers to Er, Tm, Yb, and Lu.
又、元素Ma及び元素Mbの価数が3であることにより、本発明のプロトン伝導体は酸素空孔を有し、酸素の価数が−2で安定であれば酸素の数が化学量論比よりも少なくなるため、組成式は正確にはAZr1-x-yMaxMbyO3-δと表記すべきである。しかし、本実施形態ではこのような場合でもAZr1-x-yMaxMbyO3と表記することとする。
Further, since the element Ma and the element Mb have valences of 3, the proton conductor of the present invention has oxygen vacancies, and the oxygen number is stoichiometric if the valence of oxygen is −2 and stable. for less than the ratio, the composition formula is precisely should be denoted as AZr 1-xy Ma x Mb y O 3- δ. However, in the present embodiment will be denoted as AZr 1-xy Ma x Mb y
(本発明のプロトン伝導体を用いた燃料電池)
図2に本発明のプロトン伝導体を用いた燃料電池の模式図を示す。燃料電池10は、水素分子をプロトンに分解するアノード11と、アノード11から供給されたプロトンを伝導する本発明のプロトン伝導体からなる固体電解質12と、固体電解質12から供給されたプロトンを酸化させるカソード13とが順に積層されてなる。アノード11及びカソード13は、配線によって負荷20に接続される。アノード11は水素極、カソード13は空気極とも呼ばれる。
(Fuel cell using proton conductor of the present invention)
FIG. 2 shows a schematic diagram of a fuel cell using the proton conductor of the present invention. The
アノード11には水素ガス(H2)が、カソード13には酸素ガス(O2)又は酸素ガスを含む空気が、それぞれ外部から供給される。アノード11では水素ガスが酸化されてプロトン及び電子が発生する。アノード11で発生したプロトンは固体電解質12を介してカソード13に供給され、電子は負荷20を経てカソード13に供給される。カソード13では酸素ガスが固体電解質12から供給されたプロトン及びアノード11から供給された電子によって還元され、水(H2O)が発生する。このような酸化還元反応によって発生した電位差によって負荷20が駆動される。電気伝導度の高い本発明のプロトン伝導体を固体電解質12として用いることにより、ジュール熱の発生及びこれによる損失を抑制することができ、燃料電池10の効率を高いものとすることができる。
Hydrogen gas (H 2 ) is supplied to the
(試料の作製方法)
ACO3、ZrO2、Ma2O3及びMb2O3の粉末を出発材料として、固相反応法により作製する。所定の配分に秤量した各粉末をプラスチック容器にジルコニア(ZrO2)製のボールとともに入れ、2‐プロパノールを加えて24時間のボールミルを行う。ボールミルを行った粉末混合物をナスフラスコに移してエバポレータを用いて50℃で減圧乾燥した後、ビーカーに移してホットスタラーを用いて120℃で2‐プロパノールを蒸発させる。
(Sample preparation method)
The powders of ACO 3 , ZrO 2 , Ma 2 O 3 and Mb 2 O 3 are used as starting materials to prepare by a solid phase reaction method. Each powder weighed in a predetermined distribution is put in a plastic container together with zirconia (ZrO 2 ) balls, and 2-propanol is added to perform a ball mill for 24 hours. The ball-milled powder mixture is transferred to an eggplant flask and dried under reduced pressure at 50 ° C. using an evaporator, then transferred to a beaker and 2-propanol is evaporated at 120 ° C. using a hot stirrer.
2‐プロパノールを蒸発させた粉末混合物を1000℃でか焼した後、2‐プロパノールを加えて8時間のボールミルを行い、ナスフラスコに移してエバポレータを用いて50℃で減圧乾燥した後、ビーカーに移してホットスタラーを用いて120℃で2‐プロパノールを蒸発させる。 After calcination of the powder mixture in which 2-propanol was evaporated at 1000 ° C., 2-propanol was added, ball milled for 8 hours, transferred to an eggplant flask and dried under reduced pressure at 50 ° C. using an evaporator. Transfer and evaporate 2-propanol at 120 ° C. using a hot stirrer.
2‐プロパノールを蒸発させた粉末混合物を、直径19mmのダイスを用いてプレス機で9.8MPaの圧力でペレットに成形し、1300℃で10時間保持する。その後ペレットを常温でメノウ乳鉢で粉砕し、2‐プロパノールを加えて8時間のボールミルを行い、ナスフラスコに移してエバポレータを用いて50℃で減圧乾燥した後、ビーカーに移してホットスタラーを用いて120℃で2‐プロパノールを蒸発させる。 The powder mixture obtained by evaporating 2-propanol is formed into pellets at a pressure of 9.8 MPa using a die having a diameter of 19 mm and held at 1300 ° C. for 10 hours. After that, the pellets were pulverized in an agate mortar at room temperature, 2-propanol was added, ball milled for 8 hours, transferred to an eggplant flask and dried under reduced pressure at 50 ° C. using an evaporator, then transferred to a beaker and used with a hot stirrer. Evaporate 2-propanol at 120 ° C.
2‐プロパノールを蒸発させた粉末混合物を、再び先と同じ条件でペレットに成形し、1300℃で10時間保持する。その後ペレットをメノウ乳鉢で粉砕し、得られた粉末に対してX線回折装置を用いて相の同定を行う。 The powder mixture from which 2-propanol has been evaporated is again formed into pellets under the same conditions as described above, and held at 1300 ° C. for 10 hours. Thereafter, the pellet is pulverized in an agate mortar, and the obtained powder is subjected to phase identification using an X-ray diffractometer.
X線回折装置による相の同定によって、AZrO3構造の単相が確認された粉末は、2‐プロパノールを加えて100時間のボールミルを行い、エバポレータを用いて減圧乾燥し、ホットスタラーを用いて2‐プロパノールを蒸発させる。 The powder in which the single phase of the AZrO 3 structure was confirmed by the phase identification by the X-ray diffractometer was added with 2-propanol, ball milled for 100 hours, dried under reduced pressure using an evaporator, and then using a hot stirrer. Evaporate 2-propanol.
X線回折装置による相の同定によって、AZrO3構造以外の相が確認された粉末は、2‐プロパノールを加えて8時間のボールミルを行い、エバポレータを用いて減圧乾燥し、ホットスタラーを用いて2‐プロパノールを蒸発させる。2‐プロパノールを蒸発させた粉末混合物を、再び先と同じ条件でペレットに成形し、1300℃で10時間保持した後、メノウ乳鉢で粉砕する。得られた粉末に対してX線回折装置を用いて相の同定を行い、以上のプロセスを繰り返す。 The powder in which the phase other than the AZrO 3 structure was confirmed by the phase identification by the X-ray diffractometer was added with 2-propanol, ball milled for 8 hours, dried under reduced pressure using an evaporator, and then using a hot stirrer. Evaporate 2-propanol. The powder mixture obtained by evaporating 2-propanol is again formed into pellets under the same conditions as described above, held at 1300 ° C. for 10 hours, and then pulverized in an agate mortar. The obtained powder is identified by using an X-ray diffractometer, and the above process is repeated.
AZrO3構造の単相が確認された粉末と、この粉末の質量の1/7の質量のバインダー液とをメノウ乳鉢で15分間混合して目開き150μmのステンレスふるいにかける。ここで、バインダー液はエタノール10mlとポリビニルアルコール(PVA)2gとグリセリン1mlと脱イオン水200mlとを混合した液体である。ふるいにかけた試料を、直径11mmのダイスを用いて392MPaの圧力で10分間保持してペレットに成形し、600℃で8時間保持してバインダー液を除去する。このペレットを酸素雰囲気において1600℃で24時間保持して焼結する。焼結したペレットは、表面を一様に研磨する。
The powder in which the single phase of the AZrO 3 structure is confirmed and the binder liquid having a
焼結する際にペレットからA成分が蒸発して散逸する可能性がある。そこで、A成分を含む保護用粉末にペレットを埋め込んだ状態で加熱して、焼結体を作製する。保護用粉末は、試料粉末(上述の所定の配分に秤量した各粉末の混合物)とACO3とを質量比で9:1となるように秤量してメノウ乳鉢で10分間混合してふるいにかけたものである。 When sintering, the A component may be evaporated and dissipated from the pellets. Then, it heats in the state which embedded the pellet in the protective powder containing A component, and produces a sintered compact. For the protective powder, the sample powder (mixture of each powder weighed in the above-mentioned predetermined distribution) and ACO 3 were weighed to a mass ratio of 9: 1, mixed in an agate mortar for 10 minutes, and sieved. Is.
このようにして作製した焼結ペレットは、マイクロメーターで直径及び厚さを測定し、イオン液体を用いたアルキメデス法で体積を測定する。イオン液体としては例えば25℃で密度が1.33g・cm-3の脂肪族4級アンモニウム型のTMHA−Tf2N(trimethyl-n-hexylammonium bis[(trifluoromethyl)-sulfonyl] amide)を用いることができる。これらの測定結果から、電気伝導度の測定の際に用いる寸法因子及び密度を求めることができる。 The sintered pellets thus produced are measured for the diameter and thickness with a micrometer, and the volume is measured with the Archimedes method using an ionic liquid. As the ionic liquid, an aliphatic quaternary ammonium type TMHA-Tf2N (trimethyl-n-hexylammonium bis [(trifluoromethyl) -sulfonyl] amide) having a density of 1.33 g · cm −3 at 25 ° C. can be used. From these measurement results, the dimensional factor and density used in the measurement of electrical conductivity can be determined.
(交流インピーダンス法)
本発明のプロトン伝導体の電気伝導度の測定には交流インピーダンス法を用いることができる。電気伝導度の測定に際してプロトン伝導体の表面には電極として例えば銀ペーストを塗布するため、測定したプロトン伝導体の抵抗は、電解質の抵抗成分と、電解質/電極界面の抵抗成分とからなる。そのため、プロトン伝導体の抵抗を直流電流で測定すると電解質及び電解質/電極界面を含む系全体の抵抗しか測定できず、電解質の成分だけを抽出することができない。一方、交流インピーダンス法で測定するインピーダンスは、交流の振幅だけではなく周波数にも依存するため、交流インピーダンス法によれば緩和時間(応答時間)によってこれらの抵抗成分を分離することができる。
(AC impedance method)
The AC impedance method can be used for measuring the electrical conductivity of the proton conductor of the present invention. For example, silver paste is applied as an electrode on the surface of the proton conductor when measuring the electrical conductivity, so that the measured resistance of the proton conductor is composed of an electrolyte resistance component and a resistance component at the electrolyte / electrode interface. Therefore, when the resistance of the proton conductor is measured with a direct current, only the resistance of the entire system including the electrolyte and the electrolyte / electrode interface can be measured, and only the components of the electrolyte cannot be extracted. On the other hand, since the impedance measured by the AC impedance method depends not only on the amplitude but also the frequency of the AC, these resistance components can be separated by the relaxation time (response time) according to the AC impedance method.
一般に、プロトン伝導体を含むイオン伝導体は電極内と電解質内とで電荷担体が異なるため、電解質内部よりも電極/電解質界面に大きな容量成分を持つ。これは、電圧を印加したときに見られる抵抗の応答が、電極/電解質界面は電解質部分に比べて遅い(緩和時間が長い)ことを意味している。この緩和時間よりも周期の短い周波数の交流でインピーダンスを測定した場合、電極/電解質界面に由来する抵抗成分は現れない。 In general, an ionic conductor including a proton conductor has a larger capacity component at the electrode / electrolyte interface than in the electrolyte because charge carriers are different in the electrode and in the electrolyte. This means that the resistance response seen when a voltage is applied is slower (longer relaxation time) at the electrode / electrolyte interface than at the electrolyte portion. When the impedance is measured with an alternating current having a frequency shorter than the relaxation time, a resistance component derived from the electrode / electrolyte interface does not appear.
プロトン伝導体の電解質のインピーダンス及び電極/電解質界面のインピーダンスが、それぞれ抵抗とキャパシタの並列回路(RC並列回路)と同様に振る舞うと仮定すると、測定系全体の等価回路は図3に示すようにRC並列回路が直列に2個つながったものとなる。図3において、R1及びC1はそれぞれ電解質の抵抗及び容量、R2及びC2はそれぞれ電極/電解質界面の抵抗及び容量を表している。ここで、それぞれのRC並列回路のインピーダンスは、抵抗R、容量C及び交流の各周波数ωを用いて次のように表すことができる。
Z=Z′+iZ″
=(1/R)/{(1/R)2+(ωC)2}
−i[ωC/{(1/R)2+(ωC)2}]
Assuming that the electrolyte impedance of the proton conductor and the impedance of the electrode / electrolyte interface behave in the same way as the parallel circuit of the resistor and the capacitor (RC parallel circuit), the equivalent circuit of the entire measurement system is RC as shown in FIG. Two parallel circuits are connected in series. In FIG. 3, R1 and C1 represent the resistance and capacity of the electrolyte, and R2 and C2 represent the resistance and capacity of the electrode / electrolyte interface, respectively. Here, the impedance of each RC parallel circuit can be expressed as follows using the resistance R, the capacitance C, and the AC frequencies ω.
Z = Z ′ + iZ ″
= (1 / R) / {(1 / R) 2 + (ωC) 2 }
−i [ωC / {(1 / R) 2 + (ωC) 2 }]
又、各周波数ωと周波数fとの間には、f=ω/2πの関係がある。したがって、交流の周波数を掃引してRC並列回路のインピーダンスを測定し、複素平面上にプロット(Nyquist Plot)すると、図4に示すように1個の半円が描かれる。ここで半円の直径はR、頂点の周波数(特性周波数)f0は、f0=1/2πRCとなる。又、周波数fが高いほどインピーダンスは複素平面上の原点に近づく。 Further, there is a relationship of f = ω / 2π between each frequency ω and frequency f. Therefore, when the impedance of the RC parallel circuit is measured by sweeping the AC frequency and plotted on the complex plane (Nyquist Plot), one semicircle is drawn as shown in FIG. Here, the diameter of the semicircle is R, and the apex frequency (characteristic frequency) f 0 is f 0 = ½πRC. Further, the higher the frequency f, the closer the impedance is to the origin on the complex plane.
一方、プロトン伝導体と電極からなる測定系全体の等価回路であるRC並列回路が直列に2個つながった回路では、2個のRC並列回路のf0が十分に異なれば、Nyquist Plot上には図5に示すように2個の半円が現れる。2個の半円のうち、原点に近い方がf0の大きい方のRC並列回路を反映する。このf0の大きい方のRC並列回路は、一般に固体電解質系では電解質を反映する。 On the other hand, in a circuit in which two RC parallel circuits, which are equivalent circuits of the entire measurement system composed of proton conductors and electrodes, are connected in series, if the f 0 of the two RC parallel circuits are sufficiently different, the Nyquist Plot As shown in FIG. 5, two semicircles appear. Of the two semicircles, the one closer to the origin reflects the RC parallel circuit having the larger f 0 . The RC parallel circuit having the larger f 0 generally reflects the electrolyte in the solid electrolyte system.
実際の測定においては、Nyquist Plot上に現れた複素インピーダンスの形状を等価回路と比較することで、電解質の抵抗と、電極/電解質界面の抵抗とを分離して評価する。又、実際の測定結果では、Nyquist Plot上には図6に示すように電解質を反映する半円が2個現れる。2個の半円のうち、原点に近い方が電解質の抵抗の粒内成分R11、もう一方が電解質の抵抗の粒界成分R12を反映する。 In actual measurement, the resistance of the electrolyte and the resistance of the electrode / electrolyte interface are separated and evaluated by comparing the shape of the complex impedance appearing on the Nyquist Plot with an equivalent circuit. In the actual measurement result, two semicircles reflecting the electrolyte appear on the Nyquist Plot as shown in FIG. Of the two semicircles, the one closer to the origin reflects the intragranular component R11 of the electrolyte resistance, and the other reflects the grain boundary component R12 of the electrolyte resistance.
(電気伝導度の測定)
焼結したペレットの上面及び下面に銀ペーストを塗布して電極を形成したものについて、水蒸気分圧0.05atmの加湿Ar雰囲気下でインピーダンスアナライザを用いてインピーダンスを測定する。測定により得られたNyquist Plotから粒内抵抗R11及び粒界抵抗R12が求められる。ペレットのを厚さをL、上面又は下面の面積をAとすると、結晶粒内の電気伝導度σ11及び結晶粒界の電気伝導度σ12はそれぞれ
σ11=L/(A・R11),σ12=L/(A・R12)
と表すことができる。尚、Aは上面と下面の面積の平均であってもよい。電解質の抵抗値から求めた電気伝導度は、酸素イオン又はプロトン等のイオンの伝導性を表すものである。
(Measurement of electrical conductivity)
Impedance is measured using an impedance analyzer in a humidified Ar atmosphere with a partial pressure of water vapor of 0.05 atm for an electrode formed by applying silver paste to the upper and lower surfaces of the sintered pellets. From the Nyquist Plot obtained by the measurement, the intragranular resistance R11 and the grain boundary resistance R12 are obtained. When the thickness of the pellet is L and the area of the upper surface or the lower surface is A, the electric conductivity σ11 in the crystal grains and the electric conductivity σ12 in the crystal grain boundaries are σ11 = L / (A · R11) and σ12 = L, respectively. / (A ・ R12)
It can be expressed as. A may be the average of the areas of the upper and lower surfaces. The electrical conductivity obtained from the resistance value of the electrolyte represents the conductivity of ions such as oxygen ions or protons.
本発明の実施例について説明する。本実施例のプロトン伝導体は、元素AがBa、元素MaがY、元素MbがSc、x=0.1、y=0.05である、BaZr0.85Y0.1Sc0.05O3である。 Examples of the present invention will be described. The proton conductor of this example is BaZr 0.85 Y 0.1 Sc 0.05 O 3 in which the element A is Ba, the element Ma is Y, the element Mb is Sc, x = 0.1, and y = 0.05.
本実施例のプロトン伝導体は、出発材料としてBaCO3、ZrO2、Y2O3及びSc2O3の粉末をモル比1:0.85:0.1:0.05となるように秤量したものを用いる。そして、上述の作製方法で焼結ペレットを作製する。 In the proton conductor of this example, BaCO 3 , ZrO 2 , Y 2 O 3 and Sc 2 O 3 powders were weighed as starting materials so that the molar ratio was 1: 0.85: 0.1: 0.05. Use what you did. And a sintered pellet is produced with the above-mentioned production method.
この焼結ペレットについて、常温から200℃付近までの複数の温度について交流インピーダンス法にて結晶粒内の電気伝導度及び結晶粒界の電気伝導度を測定した。その結果を図7に示す。図7は、横軸を絶対温度の逆数を1000倍したもの、縦軸を電気伝導度に絶対温度を掛けたものの常用対数をとったものである。尚、参照用に上側の横軸には摂氏温度、右側の縦軸には電気伝導度の常用対数をとったものを示している。又、グラフ中には電気伝導度が一定である線も併せて示している。図7には、比較例として元素MaがY、x=0.15であり、元素Mbを添加しない、即ちy=0である、BaZr0.85Y0.15O3についても示す。 About this sintered pellet, the electrical conductivity in a crystal grain and the electrical conductivity of a crystal grain boundary were measured with the alternating current impedance method about several temperature from normal temperature to 200 degreeC vicinity. The result is shown in FIG. FIG. 7 shows the common logarithm of the horizontal axis obtained by multiplying the reciprocal of absolute temperature by 1000 and the vertical axis obtained by multiplying the electrical conductivity by absolute temperature. For reference, the upper horizontal axis shows the Celsius temperature, and the right vertical axis shows the common logarithm of electrical conductivity. In the graph, a line having a constant electrical conductivity is also shown. FIG. 7 also shows BaZr 0.85 Y 0.15 O 3 in which the element Ma is Y and x = 0.15 and the element Mb is not added, that is, y = 0 as a comparative example.
図7より、本実施例のプロトン伝導体、比較例共に電気伝導度は、結晶粒内(白塗りの記号)の方が結晶粒界(黒塗りの記号)よりも高いことがわかる。又、結晶粒界の電気伝導度は本実施例(黒塗り三角)の方が比較例(黒塗り丸)よりも高く、結晶粒内の電気伝導度は本実施例(白塗り三角)の方が比較例(黒塗り丸)よりも低いことがわかる。 FIG. 7 shows that the electrical conductivity of the proton conductor of this example and the comparative example is higher in the crystal grains (white symbols) than in the crystal grain boundaries (black symbols). In addition, the electrical conductivity of the grain boundaries is higher in this example (black triangle) than in the comparative example (black circle), and the electrical conductivity in the crystal grain is higher in this example (white triangle). Is lower than the comparative example (black circle).
又、プロトン伝導体を本実施例、比較例共に研磨して組織を観察したところ、結晶粒径が比較例では平均で約0.1μmであり、本実施例では平均で約1〜2μmであった。つまり、元素Mbを添加することにより結晶粒界密度が小さくなることがわかった。 In addition, when the structure was observed by polishing the proton conductor in both of this example and the comparative example, the average crystal grain size was about 0.1 μm in the comparative example, and about 1-2 μm on average in the present example. It was. That is, it was found that the grain boundary density is reduced by adding the element Mb.
そこで、常温付近から700℃付近までの複数の温度について本実施例、比較例共に焼結ペレットの電気伝導度、即ち結晶粒内及び結晶粒界を合わせた全体の電気伝導度を、実験により得られた活性化エネルギーなどを基に外挿したところ、図8に示す結果が得られた。この結果、本実施例の方が比較例よりも全体の電気伝導度が高いことがわかる。即ち、本実施例のプロトン伝導体の焼結ペレットでは結晶粒内の電気伝導度の上昇分を結晶粒界密度が低いことによって補い、全体の電気伝導度が比較例よりも高くなったものと考えられる。 Therefore, in the present example and the comparative example, the electrical conductivity of the sintered pellets, that is, the total electrical conductivity in the crystal grains and the grain boundaries were obtained by experiments for a plurality of temperatures from around room temperature to around 700 ° C. When extrapolated based on the obtained activation energy or the like, the result shown in FIG. 8 was obtained. As a result, it can be seen that the overall electrical conductivity of this example is higher than that of the comparative example. That is, in the sintered pellet of the proton conductor of this example, the increase in the electrical conductivity in the crystal grains was compensated by the low grain boundary density, and the overall electrical conductivity was higher than that in the comparative example. Conceivable.
本発明のプロトン伝導体は、燃料電池の固体電解質、水蒸気電解による水素発生装置の固体電解質及び水素ガスの高純度化用の水素選択透過装置の固体電解質等に用いることができる。 The proton conductor of the present invention can be used for a solid electrolyte of a fuel cell, a solid electrolyte of a hydrogen generator using steam electrolysis, a solid electrolyte of a hydrogen selective permeation device for purifying hydrogen gas, and the like.
10 燃料電池
11 アノード
12 固体電解質
13 カソード
20 負荷
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