JP2009067643A - Proton conductor and electrochemical cell prepared by using it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プロトン伝導体およびそれを用いた電気化学セルに関する。 The present invention relates to a proton conductor and an electrochemical cell using the proton conductor.
プロトン伝導体は、電池、センサ、燃料電池等の電気化学セルに利用されている。このプロトン伝導体として固体酸化物型の電解質があげられる。この固体酸化物型の電解質は、良好なプロトン伝導性を有することから、広く用いられている。 Proton conductors are used in electrochemical cells such as batteries, sensors, and fuel cells. Examples of the proton conductor include a solid oxide electrolyte. This solid oxide electrolyte is widely used because it has good proton conductivity.
この固体酸化物型電解質として、R(1−x)MxScO3−αの組成を持つプロトン伝導体であって、Rがランタン、Mがストロンチウムであるものが知られている。このプロトン伝導体のプロトン伝導率は良好であるが、焼結性はあまりよくない。例えば、1700℃以上の高温で焼くかスパークプラズマ焼結法等の特殊な焼結法を用いないと、実用的な電解質に必要な90%以上の緻密度を得ることができない。そこで、Bサイトの一部がマグネシウムまたは亜鉛で置換されたプロトン伝導体が開示されている(例えば、特許文献1参照)。 As this solid oxide electrolyte, a proton conductor having a composition of R (1-x) M x ScO 3-α , in which R is lanthanum and M is strontium, is known. Although the proton conductivity of this proton conductor is good, the sinterability is not so good. For example, a fine density of 90% or more necessary for a practical electrolyte cannot be obtained unless baking is performed at a high temperature of 1700 ° C. or higher or a special sintering method such as a spark plasma sintering method is used. Therefore, a proton conductor in which a part of the B site is substituted with magnesium or zinc is disclosed (for example, see Patent Document 1).
しかしながら、La(1−x)MxScO3−αの組成を持つプロトン伝導体のBサイトにマグネシウムを導入すると、焼結性が向上するが、プロトン伝導率が大きく低下する。亜鉛もマグネシウムと同程度の作用効果を持つとしか認識されていなかった。 However, when magnesium is introduced into the B site of a proton conductor having a composition of La (1-x) M x ScO 3-α , the sinterability is improved, but the proton conductivity is greatly reduced. It was only recognized that zinc had the same effect as magnesium.
本発明は、La(1−x)MxScO3−αの組成を持ち良好な焼結性および良好なプロトン伝導率を有するプロトン伝導体を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a proton conductor having a composition of La (1-x) M x ScO 3-α and having good sinterability and good proton conductivity.
本発明に係るプロトン伝導体は、La(1−x)MxSc(1−y)NyO3−αの組成を持つプロトン伝導体であって、Mは、Sr(ストロンチウム)、Ca(カルシウム)またはBa(バリウム)であり、Nは、Zn(亜鉛)であり、xは、0<x<0.3を満たす値であり、yは、0.02≦y≦0.1を満たす値であることを特徴とするものである。本発明に係るプロトン伝導体においては、AサイトにSr、BaまたはCaが添加されていることから、酸素欠損濃度が増加する。プロトン濃度は酸素欠損濃度に比例することから、酸素欠損濃度の増加に伴って導電率が増加する。また、BサイトにZnが添加されかつyが0.02≦y≦0.1を満たすことから、導電率の低下を抑制しつつ焼結性が向上する。それにより、特別な製法を用いなくても緻密度の高いプロトン伝導体を得ることができる。このように、AサイトおよびBサイトに添加される金属およびその組成を上記のように限定することによって、プロトン伝導体は、良好な焼結性および良好なプロトン伝導率を併せ持つことができる。 The proton conductor according to the present invention is a proton conductor having a composition of La (1-x) M x Sc (1-y) N y O 3-α , where M is Sr (strontium), Ca ( Calcium) or Ba (barium), N is Zn (zinc), x is a value satisfying 0 <x <0.3, and y satisfies 0.02 ≦ y ≦ 0.1. It is characterized by being a value. In the proton conductor according to the present invention, Sr, Ba or Ca is added to the A site, so that the oxygen deficiency concentration increases. Since the proton concentration is proportional to the oxygen deficiency concentration, the conductivity increases as the oxygen deficiency concentration increases. Moreover, since Zn is added to the B site and y satisfies 0.02 ≦ y ≦ 0.1, the sinterability is improved while suppressing a decrease in conductivity. Thereby, a high-density proton conductor can be obtained without using a special manufacturing method. Thus, by limiting the metal added to the A site and the B site and the composition thereof as described above, the proton conductor can have both good sinterability and good proton conductivity.
また、xは、0.08<x<0.3を満たす値であることが好ましい。この場合、良好なプロトン伝導率が得られる。 Further, x is preferably a value satisfying 0.08 <x <0.3. In this case, good proton conductivity can be obtained.
本発明に係る他のプロトン伝導体は、La(1−x)MxSc(1−y)NyO3−αの組成を持つプロトン伝導体であって、Mは、ストロンチウム、カルシウムまたはバリウムであり、Nは、Cu(銅)であることを特徴とするものである。本発明に係る他のプロトン伝導体においては、AサイトにSr、BaまたはCaが添加されていることから、酸素欠損濃度が増加する。プロトン濃度は酸素欠損濃度に比例することから、酸素欠損濃度の増加に伴って導電率が増加する。また、BサイトにCuが添加されていることから、導電率の低下を抑制しつつ焼結性が向上する。それにより、特別な製法を用いなくても緻密度の高いプロトン伝導体を得ることができる。このように、AサイトおよびBサイトに添加される金属およびその組成を上記のように限定することによって、プロトン伝導体は、良好な焼結性および良好なプロトン伝導率を併せ持つことができる。 Another proton conductor according to the present invention is a proton conductor having a composition of La (1-x) M x Sc (1-y) N y O 3-α , where M is strontium, calcium or barium. N is Cu (copper). In the other proton conductor according to the present invention, since Sr, Ba or Ca is added to the A site, the oxygen deficiency concentration increases. Since the proton concentration is proportional to the oxygen deficiency concentration, the conductivity increases as the oxygen deficiency concentration increases. Moreover, since Cu is added to the B site, the sinterability is improved while suppressing a decrease in conductivity. Thereby, a high-density proton conductor can be obtained without using a special manufacturing method. Thus, by limiting the metal added to the A site and the B site and the composition thereof as described above, the proton conductor can have both good sinterability and good proton conductivity.
本発明によれば、良好な焼結性および良好なプロトン伝導率を実現することができる。 According to the present invention, good sinterability and good proton conductivity can be realized.
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.
(第1の実施の形態)
第1の実施の形態に係るプロトン伝導体は、La(1−x)MxSc(1−y)NyO3−αの組成を持つ。本実施の形態においては、MはSr(ストロンチウム)、Ca(カルシウム)またはBa(バリウム)であり、NはZn(亜鉛)である。また、xは0<x<0.3を満たす値である。
(First embodiment)
The proton conductor according to the first embodiment has a composition of La (1-x) M x Sc (1-y) N y O 3-α . In the present embodiment, M is Sr (strontium), Ca (calcium) or Ba (barium), and N is Zn (zinc). X is a value satisfying 0 <x <0.3.
本実施の形態においては、AサイトにSr、CaまたはBaが添加されていることから、酸素欠損濃度が増加する。プロトン濃度は酸素欠損濃度に比例することから、酸素欠損濃度の増加に伴ってプロトン伝導率が増加する。また、xは0<x<0.3を満たすことから、プロトン伝導体は、単相ペロブスカイト構造を維持しつつ、良好なプロトン伝導率を有する。なお、xは0.08<x<0.3を満たすことが好ましい。この場合、良好なプロトン伝導率が得られる。また、BサイトにZnが添加されていることから、プロトン伝導体のプロトン伝導率の低下を抑制しつつ焼結性が向上する。それにより、特別な製法を用いなくても緻密度の高いプロトン伝導体を得ることができる。 In this embodiment, since Sr, Ca, or Ba is added to the A site, the oxygen deficiency concentration increases. Since the proton concentration is proportional to the oxygen deficiency concentration, the proton conductivity increases as the oxygen deficiency concentration increases. Further, since x satisfies 0 <x <0.3, the proton conductor has a good proton conductivity while maintaining a single-phase perovskite structure. Note that x preferably satisfies 0.08 <x <0.3. In this case, good proton conductivity can be obtained. In addition, since Zn is added to the B site, the sinterability is improved while suppressing a decrease in proton conductivity of the proton conductor. Thereby, a high-density proton conductor can be obtained without using a special manufacturing method.
ここで、Zn添加によってプロトン伝導率の低下が抑制されかつ焼結性が向上する原理について説明する。ABX3で表されるペロブスカイト型の結晶の安定性は、下記式のようにトレランスファクターtで表される。
t=(RA+RX)/√2(RB+RX)
RA=Aのイオン半径
RB=Bのイオン半径
RX=Xのイオン半径
Here, the principle that the decrease in proton conductivity is suppressed and the sinterability is improved by adding Zn will be described. The stability of the perovskite crystal represented by ABX 3 is represented by a tolerance factor t as shown in the following equation.
t = (R A + R X ) / √2 (R B + R X )
R A = ion radius of A R B = ion radius of B R X = ion radius of X
t=1の場合、上記ペロブスカイトは、A、BおよびXのイオンが最密に充填された最も安定な理想結晶(ひずみが無い立方晶)となる。t>1の場合、上記ペロブスカイトの理想結晶に比較して、Bサイトのイオン半径が小さくなる。t<1の場合、上記ペロブスカイトの理想結晶に比較して、Bサイトのイオン半径が大きくなる。ドーパントが添加されていない純粋なLaScO3においてはt=0.910であり、Sc3+のイオン半径(以下、RScと称する)は理想結晶に比較して大きい。ここで、表1に各イオンの半径を示す。なお、表1において、X*は、LaX*O3の構造においてt=1を満たす仮想元素である。 In the case of t = 1, the perovskite is the most stable ideal crystal (a cubic crystal having no strain) in which ions of A, B, and X are closely packed. In the case of t> 1, the ionic radius of the B site is smaller than that of the ideal perovskite crystal. In the case of t <1, the ionic radius of the B site is larger than that of the ideal perovskite crystal. In pure LaScO 3 to which no dopant is added, t = 0.910, and the ionic radius of Sc 3+ (hereinafter referred to as R Sc ) is larger than that of an ideal crystal. Here, Table 1 shows the radius of each ion. In Table 1, X * is a virtual element satisfying t = 1 in the LaX * O 3 structure.
一般に、t=1に近いほど、結晶の安定性が上がって焼結性が高くなる。一方、プロトン伝導率は、結晶にある程度のひずみがある方が高くなると言われている。したがって、BサイトのドーパントNのイオン半径(以下、RNと称する)は、X*のイオン半径(以下、RX*と称する)<RN<RScを満たすことが好ましい。なぜなら、RN<RX*の場合には焼結性は向上するがプロトン伝導率が大きく低下し、RX*<RN<RScの場合には焼結性およびプロトン伝導率がともに向上し、RSc<RNの場合にはプロトン伝導率は向上するが焼結性は低下するからである。表1に示すように、MgについてはRN<RX*となるが、ZnはRX*<RN<RScを満たすことがわかる。 Generally, the closer to t = 1, the higher the crystal stability and the higher the sinterability. On the other hand, the proton conductivity is said to be higher when the crystal has some strain. Therefore, the ionic radius of the dopant N of B site (hereinafter, referred to as R N) is, X * ionic radius (hereinafter, referred to as R X *) <preferably satisfies R N <R Sc. This is because, in the case of R N <R X * is sinterability is improved but greatly reduced proton conductivity, R X * <R N <in the case of R Sc sinterability and proton conductivity are both improved and, in the case of R Sc <R N is because the proton conductivity is improved but sinterability decreases. As shown in Table 1, it can be seen that Mg satisfies R N <R X * , but Zn satisfies R X * <R N <R Sc .
また、yは、0.02≦y≦0.1を満たすことが好ましい。この場合、プロトン伝導体は、良好な焼結性および良好なプロトン伝導率を併せ持つことができる。以上のことから、AサイトおよびBサイトに添加される金属およびその組成を上記のように限定することによって、プロトン伝導体は、良好な焼結性および良好なプロトン伝導率を併せ持つことができる。 Further, y preferably satisfies 0.02 ≦ y ≦ 0.1. In this case, the proton conductor can have both good sinterability and good proton conductivity. From the above, the proton conductor can have both good sinterability and good proton conductivity by limiting the metal added to the A site and the B site and the composition thereof as described above.
(第2の実施の形態)
第2の実施の形態に係るプロトン伝導体は、La(1−x)MxSc(1−y)NyO3−αの組成を持つ。本実施の形態においては、MはSr、CaまたはBaであり、NはCu(銅)である。この場合、Laの一部がSr、CaまたはBaによって置換されていることから、酸素欠損濃度が増加する。プロトン濃度は酸素欠損濃度に比例することから、酸素欠損濃度の増加に伴って導電率が増加する。また、表2に示すようにCuはRX*<RN<RScを満たすことから、プロトン伝導体の導電率の低下を抑制しつつ焼結性が向上する。それにより、特別な製法を用いなくても緻密度の高いプロトン伝導体を得ることができる。以上のことから、AサイトおよびBサイトに添加される金属およびその組成を上記のように限定することによって、プロトン伝導体は、良好な焼結性および良好なプロトン伝導率を併せ持つことができる。
(Second Embodiment)
The proton conductor according to the second embodiment has a composition of La (1-x) M x Sc (1-y) N y O 3-α . In the present embodiment, M is Sr, Ca or Ba, and N is Cu (copper). In this case, since a part of La is replaced by Sr, Ca, or Ba, the oxygen deficiency concentration increases. Since the proton concentration is proportional to the oxygen deficiency concentration, the conductivity increases as the oxygen deficiency concentration increases. Moreover, as shown in Table 2, since Cu satisfies R X * <R N <R Sc , the sinterability is improved while suppressing a decrease in the conductivity of the proton conductor. Thereby, a high-density proton conductor can be obtained without using a special manufacturing method. From the above, the proton conductor can have both good sinterability and good proton conductivity by limiting the metal added to the A site and the B site and the composition thereof as described above.
(第3の実施の形態)
第3の実施の形態においては、電気化学セルの一例であるプロトン伝導性電解質を備える燃料電池について説明する。図1は、本発明の第3の実施の形態に係る燃料電池100の模式的断面図である。図1に示すように、燃料電池100は、アノード10、電解質膜20およびカソード30が順に積層された構造を有する。電解質膜20は、第1の実施の形態または第2の実施の形態に係るプロトン伝導体からなる。
(Third embodiment)
In the third embodiment, a fuel cell including a proton conductive electrolyte that is an example of an electrochemical cell will be described. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a
アノード10には、水素を含有する燃料ガスが供給される。燃料ガスに含まれる水素は、アノード10においてプロトンと電子とに解離する。プロトンは、電解質膜20を伝導してカソード30に到達する。カソード30には、酸素を含有する酸化剤ガスが供給される。酸化剤ガス中の酸素とカソード30に到達したプロトンとから水が発生するとともに電力が発生する。以上の動作により、燃料電池100による発電が行われる。本実施の形態においては、電解質膜20が良好なプロトン伝導性を有することから、良好な発電性能が得られる。また、電解質膜20が良好な焼結性を有することから、ガスリークを抑制することができる。
A fuel gas containing hydrogen is supplied to the
(第4の実施の形態)
第4の実施の形態においては、電気化学セルの一例である水素分離膜電池200について説明する。ここで、水素分離膜電池とは、燃料電池の一種であり、緻密な水素分離膜を備えた燃料電池である。緻密な水素分離膜は水素透過性を有する金属によって形成される層であり、アノードとしても機能する。水素分離膜電池は、この水素分離膜上にプロトン伝導性を有する電解質が積層された構造をとっている。水素分離膜に供給された水素はプロトンに変換され、プロトン伝導性の電解質中を移動し、カソードにおいて酸素と結合して発電が行われる。以下、水素分離膜電池200の詳細について説明する。
(Fourth embodiment)
In the fourth embodiment, a hydrogen
図2は、水素分離膜電池200の模式的断面図である。図2に示すように、水素分離膜電池200は、水素分離膜110上に電解質膜120およびカソード130が順に積層された発電部がセパレータ140とセパレータ150とによって挟持された構造を有する。本実施の形態においては、水素分離膜電池200の作動温度は、300℃以上600℃以下程度である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the hydrogen
セパレータ140,150は、ステンレス等の導電性材料から構成される。セパレータ140には、水素を含む燃料ガスが流動するためのガス流路が形成されている。セパレータ150には、酸素を含む酸化剤ガスが流動するためのガス流路が形成されている。
The
水素分離膜110は、緻密な水素透過性金属からなる。本実施の形態においては、水素分離膜110は、水素が水素原子および/またはプロトンの状態で透過する程度に密な構造を有している。また、水素分離膜110は、燃料ガスが供給されるアノードとして機能するとともに、電解質膜120を支持および補強する支持体として機能する。水素分離膜110を構成する金属は、例えば、パラジウム、バナジウム、チタン、タンタル、ニオブ等の金属またはこれらの合金等である。また、これらの水素透過性金属層の両面に、水素解離能を有するパラジウム、パラジウム合金等の膜が形成されたものを水素分離膜110として用いてもよい。水素分離膜110は、自立膜であってもよく、多孔質状の卑金属板によって支持されていてもよい。
The
カソード130は、例えば、La0.6Sr0.4CoO3、Sm0.5Sr0.5CoO3等の導電性材料から構成されている。なお、カソード130を構成する材料に白金等の触媒が担持されていてもよい。電解質膜120は、第1の実施の形態または第2の実施の形態に係るプロトン伝導体からなる。本実施の形態においては、電解質膜120が良好なプロトン伝導性を有することから、良好な発電性能が得られる。また、電解質膜120が良好な焼結性を有することから、ガスリークを抑制することができる。
The
ここで、水素分離膜電池200において良好な発電効率を維持するためには、水素分離膜110と電解質膜120との密着性が高いことが必要である。電解質膜120は混合イオン伝導体ではなくプロトン伝導性電解質であることから、アノード側における水の発生が抑制される。したがって、電解質膜120を用いることによって、水素分離膜110と電解質膜120との剥離を防止することができる。以上のことから、本発明の構成を有する電解質は、水素分離膜電池に対して特に効果を発揮する。
Here, in order to maintain good power generation efficiency in the hydrogen
(第5の実施の形態)
第5の実施の形態においては、電気化学セルの一例である水素ポンプ300について説明する。図3は、水素ポンプ300の模式図である。図3に示すように、水素ポンプ300は、アノード210、電解質膜220、カソード230および電源240を備える。アノード210、電解質膜220およびカソード230は、順に積層されている。アノード210は、電源240のプラス端子に接続されている。一方、カソード230は、電源240のマイナス端子に接続されている。電解質膜220は、第1の実施の形態または第2の実施の形態に係るプロトン伝導体からなる。
(Fifth embodiment)
In the fifth embodiment, a
電源240からアノード210およびカソード230に電圧が印加されると、アノード210において水素が電子とプロトンとに解離する。電子は、電源240に移動する。プロトンは、電解質膜220を伝導し、カソード230に到達する。カソード230においては、電源240から与えられた電子とプロトンとから水素が生成される。以上のことから、水素ポンプ300を用いて、アノード側に供給された気体から水素を分離してカソード側に移動させることができる。それにより、純度の高い水素ガスを生成することができる。
When voltage is applied from the
電解質膜220が第1の実施の形態または第2の実施の形態に係るプロトン伝導体からなることから、良好なプロトン伝導性が得られる。したがって、良好な水素分離効率が得られる。また、電解質膜220が良好な焼結性を有することから、ガスリークを抑制することができる。
Since the
以下、上記実施の形態に係るプロトン伝導体を作製し、その特性を調べた。 Hereinafter, the proton conductor according to the above embodiment was produced and the characteristics thereof were examined.
(実施例1〜実施例3)
実施例1〜実施例3においては、第1の実施の形態に係るプロトン伝導体を作製した。各実施例に係るプロトン伝導体の組成を表3に示す。La2O3、SrCO3、Sc2O3およびZnOを原料とし、固相反応法を用いて各実施例に係るプロトン伝導体を作製した。
(Example 1 to Example 3)
In Examples 1 to 3, proton conductors according to the first embodiment were produced. Table 3 shows the composition of the proton conductor according to each example. Proton conductors according to the respective examples were prepared using La 2 O 3 , SrCO 3 , Sc 2 O 3 and ZnO as raw materials and using a solid phase reaction method.
(実施例4)
実施例4においては、第2の実施の形態に係るプロトン伝導体を作製した。実施例4に係るプロトン伝導体の組成を表3に示す。La2O3、SrCO3、Sc2O3およびCuOを原料として用い、固相反応法を用いて実施例4に係るプロトン伝導体を作製した。
Example 4
In Example 4, the proton conductor according to the second embodiment was produced. The composition of the proton conductor according to Example 4 is shown in Table 3. A proton conductor according to Example 4 was prepared using La 2 O 3 , SrCO 3 , Sc 2 O 3 and CuO as raw materials and using a solid phase reaction method.
(比較例1)
比較例1においては、Bサイトへ元素を添加していないプロトン伝導体を作製した。比較例1に係るプロトン伝導体の組成を表3に示す。La2O3、SrCO3およびSc2O3を原料として用い、固相反応法を用いて比較例1に係るプロトン伝導体を作製した。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, a proton conductor in which no element was added to the B site was produced. Table 3 shows the composition of the proton conductor according to Comparative Example 1. A proton conductor according to Comparative Example 1 was prepared using La 2 O 3 , SrCO 3 and Sc 2 O 3 as raw materials and using a solid phase reaction method.
(比較例2)
比較例2においては、実施例1〜実施例3と同様の組成を有し、x=0.3であるものを作製した。比較例2に係るプロトン伝導体の組成を表3に示す。La2O3、SrCO3、Sc2O3およびZnOを原料とし、固相反応法を用いて比較例2に係るプロトン伝導体を作製した。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, one having the same composition as in Examples 1 to 3 and x = 0.3 was produced. The composition of the proton conductor according to Comparative Example 2 is shown in Table 3. A proton conductor according to Comparative Example 2 was produced using La 2 O 3 , SrCO 3 , Sc 2 O 3 and ZnO as raw materials and using a solid phase reaction method.
(比較例3)
比較例3においては、Aサイトへ元素を添加していないプロトン伝導体を作製した。比較例3に係るプロトン伝導体の組成を表3に示す。La2O3、Sc2O3およびZnOを原料として用い、固相反応法を用いて比較例3に係るプロトン伝導体を作製した。
(Comparative Example 3)
In Comparative Example 3, a proton conductor in which no element was added to the A site was produced. The composition of the proton conductor according to Comparative Example 3 is shown in Table 3. A proton conductor according to Comparative Example 3 was produced using La 2 O 3 , Sc 2 O 3 and ZnO as raw materials and using a solid phase reaction method.
(比較例4)
比較例4に係るプロトン伝導体は、Bサイトにマグネシウムが添加されたプロトン伝導体であり、Solid State Ionics 125(1999)
339−344に開示されている。比較例4に係るプロトン伝導体に関しては、表4に示す分析1〜分析3の結果についても上記文献から抜粋してある。
(Comparative Example 4)
The proton conductor according to Comparative Example 4 is a proton conductor in which magnesium is added to the B site, and Solid State Ionics 125 (1999).
339-344. Regarding the proton conductor according to Comparative Example 4, the results of
(分析1)
分析1においては、各実施例および比較例1〜3に係るプロトン伝導体に対してXRD測定を行った。表4に結果を示す。表4に示すように、比較例2以外のプロトン伝導体はペロブスカイト単相からなることがわかった。比較例2に係るプロトン伝導体においては層状ペロブスカイトSrO(LaScO3)n、n=1,2のピークが含まれていることがわかった。したがって、単相のプロトン伝導体を得るには、xは0.3未満である。
(Analysis 1)
In
(分析2)
分析2においては、各実施例および比較例1〜3に係るプロトン伝導体の相対密度を求めた。相対密度は、上記各プロトン伝導体を1600℃で10時間焼成した後に測定した。ここで、相対密度とは、各プロトン伝導体の実測密度/理論密度である。理論密度とは、結晶構造および格子定数から算出される、全く空隙がない単結晶の密度である。したがって、相対密度が高くなると緻密度が向上する。表4および図4に結果を示す。図4においては、横軸はBサイトへのZnドープ量(モル比率)を示し、縦軸は相対密度を示す。表4および図4に示すように、BサイトへのZnの添加量が多くなると相対密度が向上した。
(Analysis 2)
In
ここで、結晶には、空隙が生じることがある。この空隙には、オープンポアとクローズドポアとがある。オープンポアとは、水に浸した場合に水が入る空隙のことであり、クローズドポアとは、水に浸した場合に水が入らない空隙のことである。燃料電池の電解質としてプロトン伝導体を用いる場合、クローズドポアは存在しても構わないが、オープンポアはガスリークを引き起こすおそれがあることから存在しないことが好ましい。通常のセラミックス焼結体においては、相対密度が90%以上になるとクローズドポアがなくなると言われている。したがって、図4からすると、Znドープ量は0.02以上であることが好ましい。また、表4に示すように、BサイトへCuを添加することによって、相対密度が大幅に向上することがわかった。 Here, voids may occur in the crystal. This void includes an open pore and a closed pore. An open pore is a void into which water enters when immersed in water, and a closed pore is a void into which water does not enter when immersed in water. When a proton conductor is used as an electrolyte for a fuel cell, closed pores may be present, but open pores are preferably absent because they may cause gas leakage. In a normal ceramic sintered body, it is said that closed pores disappear when the relative density is 90% or more. Therefore, from FIG. 4, the Zn doping amount is preferably 0.02 or more. Moreover, as shown in Table 4, it was found that the relative density was significantly improved by adding Cu to the B site.
(分析3)
分析3においては、各実施例および比較例1〜3に係るプロトン伝導体の導電率を求めた。導電率は、800℃の加湿水素雰囲気中で直流4端子法により測定した。表4および図5に結果を示す。図5は、BサイトへZnを添加したプロトン伝導体の導電率を示す。図5においては、横軸はAサイトへのSrドープ量(モル比率)を示し、縦軸は比導電率を示す。ここで、比導電率とは、比較例1に係るプロトン伝導体の導電率を「1」とした場合における、各プロトン伝導体の導電率のことをいう。
(Analysis 3)
In Analysis 3, the conductivity of the proton conductor according to each Example and Comparative Examples 1 to 3 was obtained. The conductivity was measured by a direct current four-terminal method in a humidified hydrogen atmosphere at 800 ° C. The results are shown in Table 4 and FIG. FIG. 5 shows the conductivity of a proton conductor obtained by adding Zn to the B site. In FIG. 5, the horizontal axis indicates the amount of Sr doping (molar ratio) to the A site, and the vertical axis indicates the specific conductivity. Here, the specific conductivity means the conductivity of each proton conductor when the conductivity of the proton conductor according to Comparative Example 1 is “1”.
表4および図5に示すように、Aサイトへのドープ量が多くなるほど、導電率は向上した。しかしながら、Aサイトへのドープ量が0.3以上になると、不安定な層状ペロブスカイト相が出現し始めるため、Aサイトへのドープ量は0.3未満であることが好ましい。また、図5からすると、良好なプロトン伝導率を得るためには、Aサイトへのドープ量は0.08を上回ることが好ましい。一方、表4に示すように、Bサイトにマグネシウムを添加した場合には、導電率が低くなった。 As shown in Table 4 and FIG. 5, the electrical conductivity improved as the doping amount to the A site increased. However, since the unstable layered perovskite phase begins to appear when the doping amount to the A site becomes 0.3 or more, the doping amount to the A site is preferably less than 0.3. Further, from FIG. 5, in order to obtain good proton conductivity, the doping amount to the A site is preferably more than 0.08. On the other hand, as shown in Table 4, when magnesium was added to the B site, the conductivity was low.
以上のことから、0<x<0.3にし、0.02≦y≦0.1にすることによって、良好なプロトン伝導率および良好な焼結性が得られることがわかった。また、0.08<x<0.3とすることによって、より良好なプロトン伝導率が得られることがわかった。なお、実施例1〜実施例4においては、AサイトまたはBサイトのいずれか一方へ元素を添加する場合に比較して、導電率が高くなった。したがって、AサイトおよびBサイトへの元素の添加により、相乗効果が得られることがわかった。 From the above, it was found that good proton conductivity and good sinterability can be obtained by setting 0 <x <0.3 and 0.02 ≦ y ≦ 0.1. It was also found that a better proton conductivity can be obtained by setting 0.08 <x <0.3. In Examples 1 to 4, the conductivity was higher than in the case where an element was added to either the A site or the B site. Therefore, it was found that a synergistic effect was obtained by adding elements to the A site and the B site.
10 アノード
20,120,220 電解質膜
30,130 カソード
100 燃料電池
110 水素分離膜
200 水素分離膜電池
300 水素ポンプ
DESCRIPTION OF
Claims (3)
Mは、ストロンチウム、カルシウムまたはバリウムであり、
Nは、亜鉛であり、
xは、0<x<0.3を満たす値であり、
yは、0.02≦y≦0.1を満たす値であることを特徴とするプロトン伝導体。 A proton conductor having a composition of La (1-x) M x Sc (1-y) N y O 3-α ,
M is strontium, calcium or barium;
N is zinc;
x is a value satisfying 0 <x <0.3;
y is a proton conductor having a value satisfying 0.02 ≦ y ≦ 0.1.
Mは、ストロンチウム、カルシウムまたはバリウムであり、
Nは、銅であることを特徴とするプロトン伝導体。 A proton conductor having a composition of La (1-x) M x Sc (1-y) N y O 3-α ,
M is strontium, calcium or barium;
A proton conductor, wherein N is copper.
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