JP2014069989A - Oxygen ion conductor, and electrochemical device obtained by using the same - Google Patents

Oxygen ion conductor, and electrochemical device obtained by using the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oxygen ion conductor having high density and high oxygen ion conductivity and an electrochemical device obtained by using the oxygen ion conductor.SOLUTION: The oxygen ion conductor comprises: an ion conduction part in which at least one of calcium oxide, gadolinium oxide and rare earth metal oxide is contained as a stabilizer and which is based on zirconium oxide; and an electron conduction part based on lanthanum chromite-based perovskite-type oxide. The oxygen ion conductor has the zirconium oxide content higher than the content of the lanthanum chromite-based perovskite-type oxide.

Description

本発明は、酸素イオン伝導性を有する酸素イオン伝導体およびこれを用いた電気化学装置に関する。   The present invention relates to an oxygen ion conductor having oxygen ion conductivity and an electrochemical device using the same.

メタンガス等を分解するための電気化学装置に用いられる酸素イオン伝導体は、一般的に、ペロブスカイト型構造を有する成分を主成分とする緻密質な膜からなり、酸素を含む気体から解離され、イオン化された酸素イオンを膜の表面側から裏面側に移動させて、イオンの状態で存在する、あるいは再結合させることにより、純度の高い酸素を製造することが求められる。特に、酸素イオン伝導体が、酸素イオン伝導性に加えて電子伝導性を有する場合には、その内部で酸素イオンの移動方向とは反対方向に電子が移動するため、表面と裏面とを電気的に接続して電子を裏面側から表面側に戻すための外部電極や外部回路等を設ける必要がないという利点を備えている。   Oxygen ion conductors used in electrochemical devices for decomposing methane gas, etc. are generally composed of a dense film whose main component is a component having a perovskite structure, which is dissociated from an oxygen-containing gas and ionized. It is required to produce high-purity oxygen by moving the oxygen ions thus formed from the front side to the back side of the membrane so that they exist in the state of ions or are recombined. In particular, when the oxygen ion conductor has electron conductivity in addition to oxygen ion conductivity, the electrons move in the direction opposite to the direction of oxygen ion movement, so the front and back surfaces are electrically connected. There is an advantage that it is not necessary to provide an external electrode, an external circuit, or the like for connecting electrons to and returning electrons from the back side to the front side.

例えば、特許文献1では、酸素イオンと電子を輸送するための緻密層と、層状構造体を機械的に支持する多孔支持層とを備える層状構造体を備え、緻密層が、混合伝導体、イオン伝導体、及び金属を含む混合物で形成され、混合伝導体及びイオン伝導体が混合物中に緻密層を通して酸素イオン伝導を行える量で存在し、混合伝導体と金属が混合物中に緻密層を通して電子伝導を行える量で存在し、多孔支持層が酸化物分散強化金属、金属強化金属間合金、ホウ素ドープMoSi系金属間合金又はこれらの組合せで形成される、酸素イオン輸送複合体要素が提案されている。 For example, Patent Document 1 includes a layered structure including a dense layer for transporting oxygen ions and electrons and a porous support layer that mechanically supports the layered structure, and the dense layer includes a mixed conductor, an ion It is formed of a conductor and a mixture containing a metal, and the mixed conductor and the ionic conductor are present in the mixture in an amount capable of conducting oxygen ions through the dense layer, and the mixed conductor and the metal conduct electronic through the dense layer in the mixture. Proposed oxygen ion transport composite element in which porous support layer is formed of oxide dispersion strengthened metal, metal reinforced intermetallic alloy, boron doped Mo 5 Si 3 based intermetallic alloy or a combination thereof Has been.

また、上記混合伝導体が、La0.2Sr0.8Fe0.6Ti0.4、又は、La0.2Sr0.8Fe0.8Cr0.2であって、イオン伝導体が、ガドリウムドープセリア、サマリウムドープセリア、イットリア安定化ジルコニア、セリア、ジルコニア、スカンジウム安定化ジルコニア、ランタン・ストロンチウム・ガリウム・マグネシウム酸化物、又は式MBiOx(Mはイットリア、モリブデン又はタングステンである)により表されるドープされたビスマス酸化物であることが開示されている。 The mixed conductor is La 0.2 Sr 0.8 Fe 0.6 Ti 0.4 O 3 or La 0.2 Sr 0.8 Fe 0.8 Cr 0.2 O 3. The ion conductor is gadolinium doped ceria, samarium doped ceria, yttria stabilized zirconia, ceria, zirconia, scandium stabilized zirconia, lanthanum, strontium, gallium, magnesium oxide, or the formula MBiOx (M is yttria, molybdenum or tungsten). It is disclosed that it is a doped bismuth oxide represented by

特表2007−527468号公報Special Table 2007-527468

しかしながら、特許文献1で提案された酸素イオン輸送複合体要素を構成する緻密層は、密度が十分高いとは言えず、そのために、酸素イオン伝導性を十分高くすることができないという問題があった。   However, the dense layer constituting the oxygen ion transport composite element proposed in Patent Document 1 cannot be said to have a sufficiently high density, and there is a problem that the oxygen ion conductivity cannot be sufficiently increased. .

本発明はこのような課題に鑑み、密度を十分高くすることができ、酸素イオン伝導性が高い酸素イオン伝導体およびこれを用いた電気化学装置を提供するものである。   In view of such problems, the present invention provides an oxygen ion conductor having a sufficiently high density and high oxygen ion conductivity, and an electrochemical device using the same.

本発明の酸素イオン伝導体は、酸化カルシウム,酸化ガドリニウムおよび希土類酸化物のうち少なくとも1種を安定化剤として含む酸化ジルコニウムを主成分としてなるイオン伝導部と、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物を主成分としてなる電子伝導部とを備え、前記酸化ジルコニウムの含有量が、前記ランタンクロマイト系のペロブスカ
イト型酸化物の含有量よりも多いことを特徴とする。
The oxygen ion conductor of the present invention comprises an ion conducting part mainly composed of zirconium oxide containing at least one of calcium oxide, gadolinium oxide and rare earth oxide as a stabilizer, and a lanthanum chromite perovskite oxide. And a content of the zirconium oxide is higher than a content of the lanthanum chromite perovskite oxide.

また、本発明の電気化学装置は、上記酸素イオン伝導体が、互いに対向する第1の電極と、第2の電極との間に配置されていることを特徴とする。   The electrochemical device of the present invention is characterized in that the oxygen ion conductor is disposed between a first electrode and a second electrode facing each other.

本発明の酸素イオン伝導体によれば、酸化カルシウム,酸化ガドリニウムおよび希土類酸化物のうち少なくとも1種を安定化剤として含む酸化ジルコニウムを主成分としてなるイオン伝導部と、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物を主成分としてなる電子伝導部とを備え、酸化ジルコニウムの含有量が、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物の含有量よりも多いことから、密度を十分高くすることができるとともに、電子よりも質量が大きく、移動が律速されやすい酸素イオンの搬送担体である酸化ジルコニウムの含有量が相対的に多いので、酸素イオン伝導性を高くすることができる。   According to the oxygen ion conductor of the present invention, an ion conducting portion mainly composed of zirconium oxide containing at least one of calcium oxide, gadolinium oxide and rare earth oxide as a stabilizer, and a lanthanum chromite-based perovskite oxidation An electron conducting part mainly composed of a substance, and the zirconium oxide content is higher than the content of the lanthanum chromite-based perovskite oxide, so that the density can be sufficiently increased, and more than the electrons. Oxygen ion conductivity can be increased because the content of zirconium oxide, which is a carrier of oxygen ions that is large in mass and easily controlled in movement, is relatively large.

また、本発明の電気化学装置によれば、本発明の酸素イオン伝導体が、互いに対向する第1の電極と、第2の電極との間に配置されていることから、効率よく純度の高い酸素を得ることができる。   Further, according to the electrochemical device of the present invention, the oxygen ion conductor of the present invention is disposed between the first electrode and the second electrode facing each other, so that the purity is efficiently high. Oxygen can be obtained.

本実施形態の電気化学装置の基本構成の一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of the basic composition of the electrochemical apparatus of this embodiment. 本実施形態の電気化学装置の基本構成の他の例を示し、(a)は長手方向に垂直な断面における断面図、(b)は一部を抜粋して示す斜視図である。The other example of the basic composition of the electrochemical apparatus of this embodiment is shown, (a) is sectional drawing in a cross section perpendicular | vertical to a longitudinal direction, (b) is a perspective view which extracts and shows a part. 図2に示す例の電気化学装置の長手方向に垂直な断面における部分断面図である。It is a fragmentary sectional view in the cross section perpendicular | vertical to the longitudinal direction of the electrochemical apparatus of the example shown in FIG.

本実施形態の酸素イオン伝導体は、酸化カルシウム,酸化ガドリニウムおよび希土類酸化物のうち少なくとも1種を安定化剤として含む酸化ジルコニウム(以下、酸化カルシウム,酸化ガリウムおよび希土類酸化物の少なくとも1種を安定化剤とする酸化ジルコニウムを、支障のない場合、安定化ジルコニアという。なお、安定化ジルコニアには部分安定化ジルコニアも含むものとする。)を主成分としてなるイオン伝導部と、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(以下、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物を、支障のない場合、ランタンクロマイトという。)を主成分としてなる電子伝導部とを備え、酸化ジルコニウムの含有量が、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物の含有量よりも多いことが重要である。ここで、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物は、例えば、ランタンマグネシウムクロマイトおよびランタンカルシウムクロマイトの少なくともいずれかからなる。   The oxygen ion conductor of this embodiment is a zirconium oxide containing at least one of calcium oxide, gadolinium oxide, and a rare earth oxide as a stabilizer (hereinafter, stable at least one of calcium oxide, gallium oxide, and a rare earth oxide). Zirconium oxide as an agent is referred to as stabilized zirconia if there is no hindrance (note that stabilized zirconia also includes partially stabilized zirconia), and a lanthanum chromite perovskite type. An lanthanum chromite-based perovskite-type oxide comprising an electron-conducting portion whose main component is an lanthanum chromite-based perovskite-type oxide (hereinafter referred to as lanthanum chromite if there is no problem). It is important that the content is higher than the oxide content A. Here, the lanthanum chromite-based perovskite oxide is made of, for example, at least one of lanthanum magnesium chromite and lanthanum calcium chromite.

酸素イオン伝導体が、安定化ジルコニアと、ランタンクロマイトと、を含んでいると、密度を十分高くすることができるので、酸素イオン伝導性および電子伝導性をともに高くすることができる。   If the oxygen ion conductor contains stabilized zirconia and lanthanum chromite, the density can be sufficiently increased, so that both the oxygen ion conductivity and the electron conductivity can be increased.

併せて、ランタンクロマイトを構成するクロムイオン(Cr3+)の一部がマグネシウムイオン(Mg2+)およびカルシウムイオン(Ca2+)の少なくともいずれかに置換されると、正孔(ホール)が多く生じるので、電子はこれらの正孔を移動しやすくなることも、高い電子伝導性を得られる要因である。 In addition, when a part of the chromium ions (Cr 3+ ) constituting the lanthanum chromite is replaced with at least one of magnesium ions (Mg 2+ ) and calcium ions (Ca 2+ ), many holes (holes) are generated. Electrons can easily move these holes, which is a factor for obtaining high electron conductivity.

また、酸化ジルコニウムの含有量が、ランタンクロマイトの含有量よりも多いことにより、電子よりも質量が大きく、移動が律速されやすい酸素イオンの搬送担体である酸化ジルコニウムの含有量が相対的に多いので、酸素イオン伝導性を高くすることができる。な
お、言い換えると、本実施形態の酸素イオン伝導体においては、イオン伝導部の量が電子伝導部の量よりも多くなっている。
In addition, since the zirconium oxide content is higher than the lanthanum chromite content, the mass is larger than that of electrons, and the content of zirconium oxide, which is a carrier for oxygen ions, which is easily controlled for movement, is relatively high. , Oxygen ion conductivity can be increased. In other words, in the oxygen ion conductor of the present embodiment, the amount of the ion conducting portion is larger than the amount of the electron conducting portion.

なお、イオン伝導部および電子伝導部における主成分とは、それぞれ着目する成分の含有量が、例えば、80質量%以上である成分をいい、主成分以外、アルミニウム,珪素等の不可避不純物を含んでいても何等差し支えない。   In addition, the main component in the ion conduction part and the electron conduction part means a component in which the content of each component of interest is, for example, 80% by mass or more, and includes inevitable impurities such as aluminum and silicon other than the main component. There is nothing wrong with it.

ランタンクロマイトは、例えば、組成式がLa(Cr1−x1−y(Mはマグネシウムおよびカルシウムの少なくともいずれか1種である。また、xは0より大きく0.4以下であり、yは0以上0.1以下である。),または、LaCr1―(x+y)(Mはマグネシウムおよびカルシウムの少なくともいずれか1種であり、Nはニッケル,鉄,コバルト,亜鉛、アルミニウム,銅,マンガン,バナジウム,チタンの少なくともいずれか1種である。また、xは0より大きく0.2以下であり、yは0より大きく0.1以下である。)である。 Lanthanum chromite, for example, has a composition formula of La (Cr 1-x M x ) 1-y O 3 (M is at least one of magnesium and calcium. X is greater than 0 and 0.4 or less, y is 0 or more and 0.1 or less.), or LaCr 1− (x + y) M x N y O 3 (M is at least one of magnesium and calcium, and N is nickel, iron, cobalt, zinc, And at least one of aluminum, copper, manganese, vanadium, and titanium, and x is greater than 0 and less than or equal to 0.2, and y is greater than 0 and less than or equal to 0.1.

ここで、酸素イオン伝導体に含まれる安定化ジルコニアおよびランタンクロマイトは、X線回折法を用いて同定することができるとともに、安定化ジルコニアおよびランタンクロマイトのそれぞれの含有量は、蛍光X線分析法またはICP(Inductively Coupled Plasma)発光分光分析法によって求めることができる。例えば、安定化ジルコニアの含有量は、蛍光X線分析法またはICP(Inductively Coupled Plasma)発光分光分析法によってジルコニウムおよび安定化剤を構成する金属元素のそれぞれの含有量を求め、酸化ジルコニウムおよび前記金属元素の酸化物に換算することにより、それぞれの酸化物の含有量を算出し、その合計が安定化ジルコニアの含有量となる。   Here, the stabilized zirconia and lanthanum chromite contained in the oxygen ion conductor can be identified by using an X-ray diffraction method, and the contents of each of the stabilized zirconia and lanthanum chromite are determined by X-ray fluorescence analysis. Alternatively, it can be obtained by ICP (Inductively Coupled Plasma) emission spectroscopy. For example, the content of stabilized zirconia is determined by determining the respective contents of zirconium and the metal element constituting the stabilizer by fluorescent X-ray analysis or ICP (Inductively Coupled Plasma) emission spectroscopy. By converting to elemental oxides, the content of each oxide is calculated, and the total is the content of stabilized zirconia.

一方、ランタンクロマイトの含有量は、蛍光X線分析法またはICP(Inductively Coupled Plasma)発光分光分析法によってランタンの含有量を求め、X線回折法を用いて同定されたランタンクロマイトに換算することにより、求めることができる。   On the other hand, the content of lanthanum chromite is obtained by calculating the content of lanthanum by fluorescent X-ray analysis or ICP (Inductively Coupled Plasma) emission spectrometry and converting it to lanthanum chromite identified using X-ray diffraction. Can be sought.

また、本実施形態の酸素イオン伝導体においては、安定化ジルコニアおよびランタンクロマイトの各含有量の合計100質量%に対する安定化ジルコニアの含有量は56質量%以上70質量%以下であることが好適である。安定化ジルコニアの含有量が56質量%以上である
ことで、酸素イオンの搬送担体である安定化ジルコニアの含有量が相対的により多くなるので、酸素イオン伝導性をさらに高くすることができ、安定化ジルコニアの含有量が70質量%以下であることで、ランタンクロマイトの含有量が相対的に多くなり、電子伝導性を高くすることができるので、高い酸素イオン伝導性と高い電子伝導性とを兼ね備えた酸素イオン伝導体とすることができる。
In the oxygen ion conductor of the present embodiment, the content of stabilized zirconia is preferably 56% by mass or more and 70% by mass or less with respect to 100% by mass in total of each content of stabilized zirconia and lanthanum chromite. is there. Since the content of stabilized zirconia is 56% by mass or more, the content of stabilized zirconia, which is a carrier for oxygen ions, is relatively higher, so that the oxygen ion conductivity can be further increased and stable. Since the content of lanthanum zirconia is 70% by mass or less, the content of lanthanum chromite is relatively increased and the electron conductivity can be increased, so that high oxygen ion conductivity and high electron conductivity are achieved. The oxygen ion conductor can also be provided.

また、本実施形態の酸素イオン伝導体は、チタン,バナジウム,マンガン,鉄およびコ
バルトのうち少なくともいずれか1種がランタンクロマイトに固溶していることが好適である。このような構成であると、酸素イオン伝導性および電子伝導性を低下させるランタンジルコネートの生成が抑制されるので、これらの特性をいずれも高く維持することができる。
In the oxygen ion conductor of the present embodiment, it is preferable that at least one of titanium, vanadium, manganese, iron, and cobalt is in solid solution in lanthanum chromite. With such a configuration, the production of lanthanum zirconate that reduces oxygen ion conductivity and electronic conductivity is suppressed, so that both of these characteristics can be maintained high.

なお、ランタンジルコネートの生成が抑制される理由について、詳細は分からないが、チタン,バナジウム,マンガン,鉄およびコバルトがランタンクロマイトのBサイトに固
溶することで、ランタンの拡散を抑制することができるものと考えられる。
The reason why the production of lanthanum zirconate is suppressed is not known in detail, but titanium, vanadium, manganese, iron, and cobalt are dissolved in the B site of lanthanum chromite to suppress the diffusion of lanthanum. It is considered possible.

特に、ランタンクロマイトに固溶する上記元素は、安定化ジルコニアおよびランタンクロマイトの各含有量の合計100質量部に対して、含有量が3質量部以上15質量部以下であ
ることが好適で、この範囲であると、酸素イオン伝導性および電子伝導性を高く維持する
ことができる。
In particular, the element dissolved in lanthanum chromite preferably has a content of 3 parts by mass or more and 15 parts by mass or less with respect to a total of 100 parts by mass of each content of stabilized zirconia and lanthanum chromite. When it is within the range, oxygen ion conductivity and electronic conductivity can be maintained high.

また本実施形態において、ランタンクロマイトは、組成式が、例えば、La(Cr1―(x+y)(Mはマグネシウムおよびカルシウムの少なくともいずれか1種であり、Nはカルシウム,ストロンチウム,チタン,バナジウム,マンガン,鉄およ
びコバルトの少なくともいずれか1種である。また、xおよびyは、いずれも0より大きく0.3以下であって、zは0.9以上1以下である。)である。
In the present embodiment, lanthanum chromite, composition formula, for example, La (Cr 1- (x + y) M x N y) z O 3 (M is at least any one of magnesium and calcium, N is the calcium , Strontium, titanium, vanadium, manganese, iron and cobalt, and x and y are both greater than 0 and less than or equal to 0.3, and z is greater than or equal to 0.9 and less than or equal to 1 Yes.)

ここで、チタン,バナジウム,マンガン,鉄およびコバルトの少なくともいずれか1種
が固溶しているランタンクロマイトは、エネルギー分散形X線分光器を装着した透過型電子顕微鏡を用いて、その化学量論的組成および含有量を求めることができる。
Here, lanthanum chromite in which at least one of titanium, vanadium, manganese, iron, and cobalt is dissolved is used in a stoichiometry using a transmission electron microscope equipped with an energy dispersive X-ray spectrometer. The composition and content can be determined.

また、本実施形態の酸素イオン伝導体は、電子伝導部を構成する成分の1つとして酸化マグネシウムを含むことが好適である。酸素イオン伝導体が酸化マグネシウムを含むときには、酸化マグネシウムは線膨張係数が大きいので、例えば、酸素イオン伝導体を金属部材に接合したり、電気化学装置を構成する互いに対向する第1の電極と、第2の電極との間に配置したりする場合には、金属部材,第1の電極および第2の電極の線膨張係数に近づけることができ、高温に曝されても、信頼性が容易に損なわれにくくなる。   In addition, it is preferable that the oxygen ion conductor of the present embodiment includes magnesium oxide as one of the components constituting the electron conducting portion. When the oxygen ion conductor includes magnesium oxide, since the magnesium oxide has a large linear expansion coefficient, for example, the oxygen ion conductor is bonded to a metal member, or the first electrodes facing each other constituting the electrochemical device; When placed between the second electrode and the second electrode, the linear expansion coefficient of the metal member, the first electrode, and the second electrode can be brought close to each other, and reliability is easily obtained even when exposed to high temperatures. It becomes hard to be damaged.

特に、酸化マグネシウムは、ランタンクロマイト100質量%に対する含有量が4質量%
以上6質量%以下であることが好適で、この範囲であると、金属部材,第1の電極および第2の電極の線膨張係数にさらに近づけることができ、信頼性が向上する。
In particular, the content of magnesium oxide is 4% by mass with respect to 100% by mass of lanthanum chromite.
The content is preferably 6% by mass or less, and within this range, the linear expansion coefficients of the metal member, the first electrode, and the second electrode can be made closer, and the reliability is improved.

酸素イオン伝導体に含まれる酸化マグネシウムは、X線回折法を用いて同定することができるとともに、その含有量は、蛍光X線分析法またはICP(Inductively Coupled Plasma)発光分光分析法によってマグネシウムの含有量を求め、酸化マグネシウムに換算すればよい。但し、ランタンクロマイトが、その組成式にマグネシウムを含む場合には、まず、エネルギー分散形X線分光器を装着した透過型電子顕微鏡を用い、ランタンクロマイトの化学量論的組成を特定する。そして、マグネシウムの含有量から化学量論的組成が特定されたランタンクロマイトを構成するマグネシウムの含有量を除いた含有量を求め、酸化マグネシウムに換算すればよい。   Magnesium oxide contained in the oxygen ion conductor can be identified using X-ray diffraction, and the content of magnesium oxide can be determined by fluorescent X-ray analysis or ICP (Inductively Coupled Plasma) emission spectroscopy. What is necessary is just to obtain | require an amount and to convert into magnesium oxide. However, when lanthanum chromite contains magnesium in its composition formula, first, the stoichiometric composition of lanthanum chromite is specified using a transmission electron microscope equipped with an energy dispersive X-ray spectrometer. And what is necessary is just to obtain | require content which remove | excluded the content of magnesium which comprises the lanthanum chromite in which the stoichiometric composition was specified from content of magnesium, and should just convert into magnesium oxide.

また、本実施形態の酸素イオン伝導体は、電子伝導部を構成する成分の1つとして酸化ニッケルを含むことが好適である。酸素イオン伝導体が酸化ニッケルを含むときには、酸化ニッケルの還元による収縮に伴って、酸素イオン伝導体の還元膨張(酸素イオンが抜けることによって生じる格子膨張)も抑制されるので、耐久性を高くすることができる。   In addition, it is preferable that the oxygen ion conductor of the present embodiment includes nickel oxide as one of the components constituting the electron conducting portion. When the oxygen ion conductor contains nickel oxide, the reductive expansion of the oxygen ion conductor (lattice expansion caused by the release of oxygen ions) is suppressed as the nickel oxide contracts due to the reduction, thereby increasing durability. be able to.

酸素イオン伝導体に含まれる酸化ニッケルは、X線回折法を用いて同定することができるとともに、その含有量は、蛍光X線分析法またはICP(Inductively Coupled Plasma)発光分光分析法によって求めることができる。但し、ランタンクロマイトが、その組成式にニッケルを含む場合には、まず、エネルギー分散形X線分光器を装着した透過型電子顕微鏡を用い、ランタンクロマイトの化学量論的組成を特定する。そして、ニッケルの含有量から化学量論的組成が特定されたランタンクロマイトを構成するニッケルの含有量を除いた含有量を求め、酸化ニッケルに換算すればよい。   Nickel oxide contained in the oxygen ion conductor can be identified by using an X-ray diffraction method, and the content thereof can be determined by fluorescent X-ray analysis or ICP (Inductively Coupled Plasma) emission spectroscopy. it can. However, when lanthanum chromite contains nickel in its composition formula, first, the stoichiometric composition of lanthanum chromite is specified using a transmission electron microscope equipped with an energy dispersive X-ray spectrometer. And what is necessary is just to obtain | require content which remove | excluded the content of nickel which comprises the lanthanum chromite in which stoichiometric composition was specified from content of nickel, and should just convert into nickel oxide.

特に、酸化ニッケルは、ランタンクロマイト100質量%に対する含有量が10質量%以下
であることが好適で、この範囲であると、ランタンクロマイトの結晶構造が変化しにくくなり、安定化する。
In particular, the content of nickel oxide with respect to 100% by mass of lanthanum chromite is preferably 10% by mass or less, and when it is within this range, the crystal structure of lanthanum chromite is difficult to change and is stabilized.

また、本実施形態の酸素イオン伝導体は、イオン伝導部と電子伝導部とが隣接して配置
されてなることが好適である。イオン伝導部と電子伝導部とが隣接して配置されてなる場合には、イオン伝導部と電子伝導部とをそれぞれ構成する成分が混在している場合に比べて、イオン伝導部と電子伝導部とをそれぞれ構成する成分の反応が抑制されやすくなるので、酸素イオン伝導性および電子伝導性を高く維持することができる。
Moreover, it is preferable that the oxygen ion conductor of this embodiment has an ion conduction part and an electron conduction part arranged adjacent to each other. When the ion conduction part and the electron conduction part are arranged adjacent to each other, the ion conduction part and the electron conduction part are compared with the case where components constituting the ion conduction part and the electron conduction part are mixed. Since the reactions of the components constituting each of the above are easily suppressed, oxygen ion conductivity and electron conductivity can be maintained high.

なお、上述の構成の酸素イオン伝導体では、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物が難焼結性であることから、酸化カルシウム,酸化ガドリニウムおよび希土類酸化物のうち少なくとも1種を安定化剤として含む酸化ジルコニウムの量が多いほど密度を高くできる。   In the oxygen ion conductor having the above-described configuration, since the lanthanum chromite-based perovskite oxide is difficult to sinter, it contains at least one of calcium oxide, gadolinium oxide, and rare earth oxide as a stabilizer. The density can be increased as the amount of zirconium oxide increases.

以上のことから、本実施形態の酸素イオン伝導体は、密度を十分高くすることができ、また、酸素イオン伝導性および電子伝導性をともに高くすることができることから、互いに対向する第1の電極(負極)と、第2の電極(正極)との間に上述の酸素イオン伝導体を配置することで、ランタンクロマイトが、第1の電極(負極)側から第2の電極(正極)側に電子を移動させて、気体から解離された酸素をイオン化し、安定化ジルコニアが、イオン化された酸素イオンを第2の電極(正極)側に移動させて再結合させることにより、純度の高い酸素を得ることができる電気化学装置とすることができる。   From the above, the oxygen ion conductor of the present embodiment can have a sufficiently high density, and both the oxygen ion conductivity and the electron conductivity can be increased. By arranging the oxygen ion conductor described above between the (negative electrode) and the second electrode (positive electrode), the lanthanum chromite is moved from the first electrode (negative electrode) side to the second electrode (positive electrode) side. Electrons are moved to ionize oxygen dissociated from the gas, and stabilized zirconia moves the ionized oxygen ions to the second electrode (positive electrode) side and recombines them, so that high purity oxygen is obtained. The electrochemical device can be obtained.

図1は、本実施形態の電気化学装置の基本構成の一例を示す斜視図である。   FIG. 1 is a perspective view showing an example of the basic configuration of the electrochemical device of the present embodiment.

図1に示す例の電気化学装置10は、酸素イオン伝導体1が、互いに対向する第1の電極2と、第2の電極3との間に配置されており、第1の電極2は、円筒状の支持体4の外周面に形成されている。また、支持体4の内部には、ガス流路6が設けられており、随伴ガスがこの内部を流れる。なお、第1の電極2を支持体として、その外周に酸素イオン伝導体1と第2の電極3を順次配置した構成とすることもできる。さらに、電気化学装置10は、円筒型に限られたものではなく、例えば平板状のそれぞれを積層してなる平板型、楕円柱状型等、適宜その形状は変更することができ、支持体4を設けない構成とすることもできる。   In the example of the electrochemical device 10 shown in FIG. 1, the oxygen ion conductor 1 is disposed between a first electrode 2 and a second electrode 3 facing each other. It is formed on the outer peripheral surface of the cylindrical support 4. Moreover, the gas flow path 6 is provided in the inside of the support body 4, and accompanying gas flows through this inside. In addition, it can also be set as the structure which has arrange | positioned the oxygen ion conductor 1 and the 2nd electrode 3 in the outer periphery in order with the 1st electrode 2 as a support body. Furthermore, the electrochemical device 10 is not limited to the cylindrical type, and the shape thereof can be changed as appropriate, for example, a flat plate type formed by laminating flat plates, an elliptical columnar type, and the like. It can also be set as the structure which does not provide.

支持体4は、外径,肉厚および長さは、例えば、8〜9mm,1〜2mm,800〜1200
mmである。また、支持体4は、酸化ニッケルと酸化イットリウムとからなり、酸化ニッケルおよび酸化イットリウムの各含有量は、それぞれ63質量%以上73質量%以下、27質量%以上37質量%以下である。
The support body 4 has an outer diameter, a thickness, and a length of, for example, 8 to 9 mm, 1 to 2 mm, and 800 to 1200.
mm. The support 4 is composed of nickel oxide and yttrium oxide, and the contents of nickel oxide and yttrium oxide are 63 mass% or more and 73 mass% or less, and 27 mass% or more and 37 mass% or less, respectively.

第1の電極2および第2の電極3は、それぞれ燃料極2,空気極3と換言される。なお、第1の電極2を空気極、第2の電極3を燃料極とした構成としてもよい。   In other words, the first electrode 2 and the second electrode 3 are the fuel electrode 2 and the air electrode 3, respectively. The first electrode 2 may be an air electrode, and the second electrode 3 may be a fuel electrode.

第1の電極2を燃料極とする場合には、例えば、厚みが10μm以上50μm以下であって、酸化ニッケルと安定化ジルコニアとからなり、酸化ニッケルおよび安定化ジルコニアの各含有量は、それぞれ60質量%以上70質量%以下,30質量%以上40質量%以下とすること
ができる。なお、その他として、酸化ニッケルとセリア系酸化物(例えば、Gdが固溶したCeO)とから構成することもできる。
In the case where the first electrode 2 is a fuel electrode, for example, the thickness is 10 μm or more and 50 μm or less, and the nickel electrode and the stabilized zirconia are included. It can be made from mass% to 70 mass%, from 30 mass% to 40 mass%. In addition, it can also comprise nickel oxide and a ceria-based oxide (for example, CeO 2 in which Gd is dissolved).

なお、第1の電極2の厚みが薄い場合には、支持体4と同様の組成からなる支持層5を設けて、支持層5に上記第1の電極を設けたものを、支持体4に貼り付けてもよい。この場合、支持層5としては、例えば、厚みが10μm以上100μm以下であって、酸化ニッケ
ルと酸化イットリウムとからなり、酸化ニッケルおよび酸化イットリウムの各含有量は、それぞれ63質量%以上73質量%以下、27質量%以上37質量%以下とすることができる。なお、図1においては、支持層5を設けた例を示している。
In addition, when the thickness of the 1st electrode 2 is thin, what provided the support layer 5 which consists of the same composition as the support body 4 and provided the said 1st electrode in the support layer 5 is used for the support body 4 It may be pasted. In this case, for example, the support layer 5 has a thickness of 10 μm or more and 100 μm or less, and is composed of nickel oxide and yttrium oxide. Each content of nickel oxide and yttrium oxide is 63 mass% or more and 73 mass% or less, respectively. 27 mass% or more and 37 mass% or less. In addition, in FIG. 1, the example which provided the support layer 5 is shown.

また、第2の電極3は、例えば、厚みが10μm以上50μm以下であって、ランタンストロンチウムコバルト鉄や、ランタンストロンチウムマンガナイト等から構成できる。   The second electrode 3 has a thickness of 10 μm or more and 50 μm or less, and can be composed of lanthanum strontium cobalt iron, lanthanum strontium manganite, or the like.

図2は、本実施形態の電気化学装置の基本構成の他の例を示し、(a)は長手方向に垂直な断面における断面図、(b)は一部を抜粋して示す斜視図である。   2A and 2B show another example of the basic configuration of the electrochemical device of the present embodiment, in which FIG. 2A is a cross-sectional view in a cross section perpendicular to the longitudinal direction, and FIG. .

図2に示す例の電気化学装置20は、一対の対向する平坦部nと両端の弧状部mとからなる柱状の支持体24の全周を覆うように第1の電極である燃料極層22が設けられており、燃料極層22を覆うように酸素イオン伝導体である導電層21が設けられ、導電層21を覆うように、第2の電極である空気極層23が設けられている。また、支持体24の内部には、複数のガス流路26が設けられており、随伴ガスがこの内部を流れる。このような構成により、柱状の電気化学装置20が形成される。   The electrochemical device 20 of the example shown in FIG. 2 has a fuel electrode layer 22 as a first electrode so as to cover the entire circumference of a columnar support 24 composed of a pair of opposed flat portions n and arc-shaped portions m at both ends. A conductive layer 21 that is an oxygen ion conductor is provided so as to cover the fuel electrode layer 22, and an air electrode layer 23 that is a second electrode is provided so as to cover the conductive layer 21. . In addition, a plurality of gas flow paths 26 are provided inside the support 24, and accompanying gas flows through the inside. With such a configuration, a columnar electrochemical device 20 is formed.

なお、図2においては、中空で断面扁平状の支持体24上に第1の電極である燃料極層22を設けた構成の電気化学装置20を示しているが、例えば支持体24が第1の電極を兼ねるものとしてもよく、また第1の電極を空気極層とし第2の電極を燃料極層とすることもでき、さらに、全体として円筒状や、平板状の電気化学セルとすることもできる。   2 shows an electrochemical device 20 having a structure in which a fuel electrode layer 22 as a first electrode is provided on a hollow support 24 having a flat cross section. For example, the support 24 is a first support. The first electrode may be an air electrode layer, the second electrode may be a fuel electrode layer, and the whole is a cylindrical or flat electrochemical cell. You can also.

以下に、図2において示す電気化学装置20を構成する各部材について説明する。なお、導電層21については、図3において説明する。   Below, each member which comprises the electrochemical apparatus 20 shown in FIG. 2 is demonstrated. The conductive layer 21 will be described with reference to FIG.

支持体22は、ガス流路26を流れる随伴ガスを第1の電極である燃料極層23まで透過させるためにガス透過性であることから、例えば、鉄族金属成分と特定の希土類酸化物とにより形成されることが好ましい。   The support 22 is gas permeable so as to allow the associated gas flowing through the gas flow path 26 to permeate to the fuel electrode layer 23, which is the first electrode, so that, for example, an iron group metal component, a specific rare earth oxide, It is preferably formed by.

鉄族金属成分としては、鉄族金属単体、鉄族金属酸化物、鉄族金属の合金または合金酸化物等が挙げられる。より詳細には、例えば、鉄族金属としてはFe(鉄)、Ni(ニッケル)およびCo(コバルト)が挙げられ、特に安価であることから、鉄族成分としてNiおよび/またはNiOを含有することが好ましい。   Examples of the iron group metal component include an iron group metal simple substance, an iron group metal oxide, an iron group metal alloy, or an alloy oxide. More specifically, for example, the iron group metal includes Fe (iron), Ni (nickel) and Co (cobalt), and since it is particularly inexpensive, it contains Ni and / or NiO as the iron group component. Is preferred.

特定の希土類酸化物とは、支持体24の線膨張係数を、後述する導電層21の線膨張係数に近づけるために使用されるものであり、Y(イットリウム)、Lu(ルテチウム)、Yb、Tm(ツリウム)、Er(エルビウム)、Ho(ホルミウム)、Dy(ジスプロシウム)、Gd(ガドリニウム)、Sm(サマリウム)、Pr(プラセオジム)からなる群より選択される少なくとも1種の元素を含む希土類酸化物が、NiおよびNiOのうち少なくとも一方との組み合わせで使用することができる。このような希土類酸化物の具体例としては、Y、Lu、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Sm、Prを例示することができ、NiおよびNiOのうち少なくとも一方との固溶反応が殆どなく、また、線膨張係数が導電層21の線膨張係数とほとんど同程度であり、かつ安価であるという点から、Y、Ybが好ましい。 The specific rare earth oxide is used to bring the linear expansion coefficient of the support 24 close to the linear expansion coefficient of the conductive layer 21 described later. Y (yttrium), Lu (lutetium), Yb, Tm Rare earth oxide containing at least one element selected from the group consisting of (thulium), Er (erbium), Ho (holmium), Dy (dysprosium), Gd (gadolinium), Sm (samarium), Pr (praseodymium) However, it can be used in combination with at least one of Ni and NiO. Specific examples of such rare earth oxides include Y 2 O 3 , Lu 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Tm 2 O 3 , Er 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Gd 2 O. 3 , Sm 2 O 3 , Pr 2 O 3 can be exemplified, there is almost no solid solution reaction with at least one of Ni and NiO, and the linear expansion coefficient is almost the same as the linear expansion coefficient of the conductive layer 21. However, Y 2 O 3 and Yb 2 O 3 are preferable from the viewpoints of being moderate and inexpensive.

また、支持体24は良好な導電率を維持し、かつ線膨張係数を導電層21と近似させるという点で、焼成−還元後における体積比率が、Ni:希土類酸化物(例えば、Ni:Y)が35:65〜65:35(Ni/(Ni+Y)がモル比で65〜86mol%)の範囲にあることが好ましい。なお、支持体24中には、要求される特性が損なわれない限りの範囲で、他の金属成分や酸化物成分を含有していてもよい。また、支持体24は、ガス透過性を有していることが必要であるため、気孔率が30体積%以上、特に35体積%以上50体積%以下の範囲にあることが好ましい。なお気孔率は、アルキメデス法を用いて求めることができる。気孔率がこの範囲にあることで、電気化学装置20を構成する支持体24として求められる機
械的特性およびガス透過性を兼ね備えることができる。
In addition, the support 24 maintains good conductivity and approximates the linear expansion coefficient to the conductive layer 21, so that the volume ratio after firing-reduction is Ni: rare earth oxide (for example, Ni: Y 2). O 3 ) is preferably in the range of 35:65 to 65:35 (Ni / (Ni + Y) is 65 to 86 mol% in molar ratio). The support 24 may contain other metal components and oxide components as long as required characteristics are not impaired. Further, since the support 24 is required to have gas permeability, the porosity is preferably in the range of 30% by volume or more, particularly 35% by volume or more and 50% by volume or less. The porosity can be determined using the Archimedes method. When the porosity is within this range, the mechanical properties and gas permeability required for the support 24 constituting the electrochemical device 20 can be combined.

なお、支持体24の大きさは、用途に応じて適宜設定することが可能であるが、例えば主面nの長さ(支持体24のガス流路26の配列方向に沿った長さ)を15〜35mm、側面mの長さ(弧の長さ)を2〜8mm、支持体24の厚み(主面n間の厚み)を1.5〜5mmとし、
随伴ガスが流れる方向の長さを800〜1200mmとすることができる。
The size of the support 24 can be appropriately set according to the application. For example, the length of the main surface n (the length along the arrangement direction of the gas flow paths 26 of the support 24) is set. 15-35 mm, the length of the side m (arc length) is 2-8 mm, the thickness of the support 24 (thickness between the main surfaces n) is 1.5-5 mm,
The length in the direction in which the accompanying gas flows can be set to 800 to 1200 mm.

図2に示す電気化学装置20において、第1の電極である燃料極層22は、鉄族金属であるNiおよびNiOのうち少なくとも一方と、希土類元素が固溶したZrOとから形成することができる。なお、希土類元素としては、支持体24において例示した希土類元素(Y等)を用いることができる。 In the electrochemical device 20 shown in FIG. 2, the fuel electrode layer 22 as the first electrode may be formed from at least one of Ni and NiO as iron group metals and ZrO 2 in which a rare earth element is dissolved. it can. As the rare earth element, the rare earth elements exemplified in the support 24 (Y or the like) can be used.

燃料極層22において、NiおよびNiOのうち少なくとも一方と、希土類元素が固溶したZrOの含有量は、焼成−還元後における体積比率が、Ni:希土類元素が固溶したZrO(例えば、NiO:YSZ)が35:65〜65:35の範囲にあるのが好ましい。さらに、この燃料極層22の気孔率は、15体積%以上、特に、20体積%以上40体積%以下の範囲にあるのが好ましく、その厚みは、1μm以上30μm以下であるのが好ましい。例えば、燃料極層22の厚みがあまり薄いと、性能が低下するおそれがあり、またあまり厚いと、導電層21と燃料極層22との間で熱膨張係数差等による剥離やクラックを生じるおそれがある。 In the fuel electrode layer 22, and at least one of Ni and NiO, ZrO 2 content of the rare earth element is solid-solved is fired - volume ratio after reduction, Ni: ZrO 2 (e.g. a rare earth element in solid solution, NiO: YSZ) is preferably in the range of 35:65 to 65:35. Further, the porosity of the fuel electrode layer 22 is preferably 15% by volume or more, particularly preferably in the range of 20% by volume or more and 40% by volume or less, and the thickness thereof is preferably 1 μm or more and 30 μm or less. For example, if the thickness of the fuel electrode layer 22 is too thin, the performance may be degraded, and if it is too thick, peeling or cracking may occur between the conductive layer 21 and the fuel electrode layer 22 due to a difference in thermal expansion coefficient, etc. There is.

また、図2に示す電気化学装置20において、第2の電極である空気極層23は、ガス透過性を有する必要があり、従って、空気極層23を形成するセラミックス(ペロブスカイト型酸化物)は、気孔率が20体積%以上、特に30体積%以上50体積%以下の範囲にあることが好ましい。さらに、空気極層23の厚みは、30μm以上100μm以下であることが好ましい
In addition, in the electrochemical device 20 shown in FIG. 2, the air electrode layer 23 as the second electrode needs to have gas permeability. Therefore, the ceramic (perovskite oxide) forming the air electrode layer 23 is The porosity is preferably in the range of 20% by volume or more, particularly 30% by volume or more and 50% by volume or less. Furthermore, the thickness of the air electrode layer 23 is preferably 30 μm or more and 100 μm or less.

空気極層23を構成するセラミックスとしては、いわゆるABO型のペロブスカイト型複合酸化物を主成分とする焼結体からなるセラミックスにより形成されるのが好ましく、遷移金属ペロブスカイト型酸化物、特にAサイトにSr(ストロンチウム)とLa(ランタン)が共存するLaSrCoFeO系酸化物(例えばLaSrCoFeO)、LaMnO系酸化物(例えばLaSrMnO)、LaFeO系酸化物(例えばLaSrFeO)、LaCoO系酸化物(例えばLaSrCoO)の少なくとも1種が好ましく、600〜1000℃程度の作動温度での電気伝導性が高いという点からLaSrCoFe
系酸化物が特に好ましい。なお、上記ペロブスカイト型酸化物においては、Bサイトに、Co(コバルト)とともにFe(鉄)やMn(マンガン)が存在しても良い。
The ceramic constituting the air electrode layer 23 is preferably formed of a ceramic made of a sintered body mainly composed of a so-called ABO 3 type perovskite type complex oxide, and is preferably a transition metal perovskite type oxide, particularly an A site. Sr (strontium) and La (lanthanum) coexist with LaSrCoFeO 3 oxide (eg LaSrCoFeO 3 ), LaMnO 3 oxide (eg LaSrMnO 3 ), LaFeO 3 oxide (eg LaSrFeO 3 ), LaCoO 3 oxide At least one of the materials (for example, LaSrCoO 3 ) is preferable, and LaSrCoFe is highly conductive at an operating temperature of about 600 to 1000 ° C.
O 3 -based oxides are particularly preferable. In the perovskite oxide, Fe (iron) or Mn (manganese) may exist at the B site together with Co (cobalt).

図3は、図2に示す例の電気化学装置の長手方向に垂直な断面における部分断面図である。   FIG. 3 is a partial cross-sectional view of a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the example electrochemical device shown in FIG.

図3に示すように、本実施形態の電気化学装置において、酸素イオン伝導体1である導電層21は、酸素イオンを伝導するイオン伝導部21aと、電子を伝導する電子伝導部21bとが隣接して配置されている。なお、本実施形態においては、平面視において、酸化ジルコニウムを主成分とするイオン伝導部21aの面積を、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物を主成分とする電子伝導部21bの面積よりも大きくすることで、酸化ジルコニウムの含有量を、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物の含有量よりも多くすることができる。なお、図1に示す電気化学装置10も同様の構成とすることができる。   As shown in FIG. 3, in the electrochemical device of this embodiment, the conductive layer 21 that is the oxygen ion conductor 1 has an ion conductive portion 21a that conducts oxygen ions and an electron conductive portion 21b that conducts electrons adjacent to each other. Are arranged. In the present embodiment, in plan view, the area of the ion conducting portion 21a mainly composed of zirconium oxide is made larger than the area of the electron conducting portion 21b mainly composed of a lanthanum chromite perovskite oxide. Thus, the content of zirconium oxide can be made larger than the content of the lanthanum chromite perovskite oxide. Note that the electrochemical device 10 shown in FIG. 1 can have the same configuration.

酸素イオン伝導体1(導電層21)の酸素イオン伝導性は600℃程度から高くなるため、600℃以上の温度域で、第1の電極(燃料極層22)に随伴ガスを、第2の電極(空気極層23
)に酸素を含むガスをそれぞれ供給する。第1の電極(燃料極層22)に供給された随伴ガスがメタン(CH)ガスである場合、メタン(CH)ガスは、第2の電極(空気極層23)から酸素イオン伝導体1(導電層21)を通じて移動した酸素イオンと、以下の式(1)に示すように反応して、水素,一酸化炭素および電子を発生する。発生した電子は、第1の電極(燃料極層22)から酸素イオン伝導体1(導電層21)を通じて第2の電極(空気極層23)に移動し、以下の式(2)に示すように酸素分子をイオン化する。以下の式(1),(2)に示す反応を繰り返すことによって、水素および一酸化炭素が生成され、この生成された気体を、例えば、フィッシャー・トロプシュ法(FT法)を用いて合成することにより、石油の代替品となる合成油や合成燃料を作り出すことができる。
Since the oxygen ion conductivity of the oxygen ion conductor 1 (conductive layer 21) is increased from about 600 ° C., the associated gas is supplied to the first electrode (fuel electrode layer 22) in the temperature range of 600 ° C. or higher. Electrode (Air electrode layer 23
) Are each supplied with oxygen-containing gas. When the accompanying gas supplied to the first electrode (fuel electrode layer 22) is methane (CH 4 ) gas, the methane (CH 4 ) gas is transferred from the second electrode (air electrode layer 23) to the oxygen ion conductor. The oxygen ions moved through 1 (conductive layer 21) react with each other as shown in the following formula (1) to generate hydrogen, carbon monoxide and electrons. The generated electrons move from the first electrode (fuel electrode layer 22) to the second electrode (air electrode layer 23) through the oxygen ion conductor 1 (conductive layer 21), as shown in the following formula (2). To ionize oxygen molecules. By repeating the reactions shown in the following formulas (1) and (2), hydrogen and carbon monoxide are generated, and the generated gas is synthesized using, for example, the Fischer-Tropsch method (FT method). This makes it possible to create synthetic oils and synthetic fuels that can replace petroleum.

第1の電極(燃料極層22): CH+O2- → 2H2+CO+2e- …(1)
第2の電極(空気極層23): 1/2O2+2e- → O2- …(2)
次に、本実施形態の図1に示す例の酸素イオン伝導体および電気化学装置の製造方法について説明する。
First electrode (fuel electrode layer 22): CH 4 + O 2− → 2H 2 + CO + 2e (1)
Second electrode (air electrode layer 23): 1 / 2O 2 + 2e → O 2− (2)
Next, the manufacturing method of the oxygen ion conductor and the electrochemical device of the example shown in FIG. 1 of the present embodiment will be described.

まず、酸化ニッケルを主成分とし、酸化イットリウムを副成分としてなる円筒状の脱脂体の外周面に、酸化ニッケルの粉末を主成分とし、安定化ジルコニアの粉末を副成分とする混合粉末のペーストをスクリーン印刷法を用いて塗布する。なお、支持層5を設ける場合には、円筒状の脱脂体の外周面に、脱脂体を構成する成分と同じ成分からなるグリーンシートを巻き付けて、そのグリーンシート状にスクリーン印刷法等により、上記ペーストを塗布すればよい。   First, a paste of mixed powder containing nickel oxide powder as a main component and stabilized zirconia powder as a subcomponent on the outer peripheral surface of a cylindrical degreased body containing nickel oxide as a main component and yttrium oxide as a subcomponent. Apply using screen printing. In addition, when providing the support layer 5, the green sheet which consists of the same component as the component which comprises a degreasing | defatting body is wound around the outer peripheral surface of a cylindrical degreasing body, and the above-mentioned green sheet is formed by screen printing or the like. What is necessary is just to apply | coat a paste.

次に、ペーストを塗布した円筒状の脱脂体を、例えば、温度および保持時間をそれぞれ1150℃以上1250℃,1時間以上3時間以下として熱処理する。そして、安定化ジルコニアおよびランタンクロマイトの各粉末を含むスラリーに、脱脂体を浸漬することによって、皮膜が得られ、例えば、温度および保持時間をそれぞれ1440℃以上1500℃以下,1時間以上3時間以下として大気雰囲気中にて焼成する。そして、この焼成により、円筒状の脱脂体,グリーンシート,塗布された混合粉末のペーストおよび皮膜は、それぞれ支持体4,第1の電極2,酸素イオン伝導体1となる。   Next, the cylindrical degreased body to which the paste is applied is heat-treated at, for example, a temperature and a holding time of 1150 ° C. or more and 1250 ° C. for 1 to 3 hours, respectively. A film is obtained by immersing the degreased body in a slurry containing each powder of stabilized zirconia and lanthanum chromite. For example, the temperature and the holding time are 1440 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower and 1 hour or longer and 3 hours or shorter, respectively. Calcination in an air atmosphere. And by this baking, the cylindrical degreased body, the green sheet, the applied mixed powder paste and the film become the support 4, the first electrode 2, and the oxygen ion conductor 1, respectively.

ここで、安定化ジルコニアおよびランタンクロマイトの各含有量は、例えば、それぞれ56質量%以上70質量%以下,30質量%以上44質量%以下となるように、各粉末を混合してスラリーを作製すればよい。   Here, each powder is mixed so that the respective contents of the stabilized zirconia and lanthanum chromite are, for example, 56 mass% to 70 mass% and 30 mass% to 44 mass%, respectively, to prepare a slurry. That's fine.

また、上記スラリーに酸化マグネシウムの粉末を適宜添加して、ランタンクロマイト100質量%に対して4質量%以上6質量%以下で酸化マグネシウムを含む酸素イオン伝導体
1を得ることができる。
In addition, magnesium oxide powder can be appropriately added to the slurry to obtain oxygen ion conductor 1 containing magnesium oxide in an amount of 4% by mass to 6% by mass with respect to 100% by mass of lanthanum chromite.

また、上記スラリーに酸化ニッケルの粉末を適宜添加することで、ランタンクロマイト100質量%に対して10質量%以下で酸化ニッケルを含む酸素イオン伝導体1を得ることが
できる。
Further, by appropriately adding nickel oxide powder to the slurry, the oxygen ion conductor 1 containing nickel oxide at 10% by mass or less with respect to 100% by mass of lanthanum chromite can be obtained.

そして、支持体4,第1の電極2および酸素イオン伝導体1を形成した後、ランタンストロンチウムコバルト鉄の粉末を含むスラリーに、酸素イオン伝導体1を浸漬することによって、酸素イオン伝導体1の外周面上に皮膜が得られ、この皮膜は、例えば、温度および保持時間をそれぞれ1100℃以上1200℃以下,1時間以上3時間以下として焼成することによって、第2の電極(空気極)3となり、図1に示す例の本実施形態の電気化学装置を得ることができる。なお、電気化学装置10は、その後、内部に水素ガスを流し、支持体4および第1の電極(燃料極)2の還元処理を行なう。その際、例えば750℃以上1000℃以
下で、5時間以上20時間以下還元処理するのが好ましい。
And after forming the support body 4, the 1st electrode 2, and the oxygen ion conductor 1, the oxygen ion conductor 1 of the oxygen ion conductor 1 is immersed in the slurry containing the powder of lanthanum strontium cobalt iron. A film is obtained on the outer peripheral surface, and this film becomes, for example, a second electrode (air electrode) 3 by firing at a temperature and a holding time of 1100 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower and 1 hour or longer and 3 hours or shorter, respectively. The electrochemical device of the present embodiment of the example shown in FIG. 1 can be obtained. In addition, the electrochemical device 10 then causes hydrogen gas to flow therein, and performs the reduction treatment of the support 4 and the first electrode (fuel electrode) 2. At that time, for example, it is preferable to perform a reduction treatment at 750 ° C. to 1000 ° C. for 5 hours to 20 hours.

次に、本実施形態の図2に示す酸素イオン伝導体(導電層)および電気化学装置の製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the oxygen ion conductor (conductive layer) and the electrochemical device shown in FIG. 2 of the present embodiment will be described.

先ず、ニッケルおよび酸化ニッケルの少なくとも一方を主成分とする粉末と、酸化イットリウムなどの希土類酸化物を副成分とする粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合して坏土を調製し、この坏土を用いて押出成形法により、支持体成形体を作製し、これを乾燥する。なお、支持体成形体として、支持体成形体を900℃以上1000℃以下にて2時間以
上6時間以下で仮焼した仮焼体を用いてもよい。
First, a clay is prepared by mixing a powder mainly composed of at least one of nickel and nickel oxide, a powder mainly containing a rare earth oxide such as yttrium oxide, an organic binder, and a solvent. A support molded body is prepared by an extrusion method using soil and dried. In addition, you may use the calcined body which calcined the support body molded object in 900 degreeC or more and 1000 degrees C or less for 2 hours or more and 6 hours or less as a support body molded object.

次に、酸化ニッケルの粉末を主成分とし、安定化ジルコニアの粉末を副成分とする混合粉末に、有機バインダーおよび溶媒を混合して第1の電極である燃料極層用スラリーを調製し、ドクターブレード等の方法により成形してシート状の燃料極層成形体を作製する。   Next, a slurry for the fuel electrode layer, which is the first electrode, is prepared by mixing an organic binder and a solvent with a mixed powder containing nickel oxide powder as a main component and stabilized zirconia powder as a subcomponent. A sheet-like fuel electrode layer molded body is formed by molding using a method such as a blade.

続いて、電子伝導部用材料(ランタンクロマイトの粉末と、必要に応じて、酸化チタン,酸化バナジウム,酸化マンガン, 酸化鉄および酸化コバルトの少なくともいずれか1種からなる粉末、さらには必要に応じて酸化マグネシウム粉末、酸化ニッケル粉末)、有機バインダーおよび溶媒を混合してスラリーを調製し、スクリーン印刷法にて、上記燃料極層成形体上に間をあけて塗布して、電子伝導部成形体を作製する。   Subsequently, the material for the electron conducting part (lanthanum chromite powder and, if necessary, powder comprising at least one of titanium oxide, vanadium oxide, manganese oxide, iron oxide and cobalt oxide, and further if necessary (Magnesium oxide powder, nickel oxide powder), an organic binder and a solvent are mixed to prepare a slurry, which is applied on the fuel electrode layer molded body with a screen printing method at intervals, and an electron conducting part molded body is formed. Make it.

続いて、電子伝導部成形体が設けられた燃料極層成形体のシートを、燃料極層成形体が支持体成形体側となるようにして巻きつけて、900℃以上1000℃以下にて2時間以上6時
間以下で仮焼する。
Subsequently, the sheet of the fuel electrode layer molded body provided with the electron conductive portion molded body is wound so that the fuel electrode layer molded body is on the support body molded body side, and the temperature is 900 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower for 2 hours. Calcination is performed for 6 hours or less.

次に、上記電子伝導部成形体をマスキングした後、酸化カルシウム,酸化ガリウムおよび希土類酸化物の少なくとも1種を安定化剤として含む安定化ジルコニアの粉末に、トルエン,有機バインダーおよび分散剤等を加えてスラリーを調整し、該スラリーに浸漬して、電子伝導部成形体間にイオン伝導部成形体を形成し、積層体成形体を得る。この際イオン伝導部成形体の面積が電子伝導部成形体の面積よりも大きくなるように成形する。なお、イオン伝導部成形体と電子伝導部成形体の作製順序を逆としてもよい。また、イオン伝導部成形体と電子伝導部成形体とが一部重なるように成形してもよい。   Next, after masking the molded body of the electron conducting part, toluene, an organic binder, a dispersant and the like are added to the stabilized zirconia powder containing at least one of calcium oxide, gallium oxide and rare earth oxide as a stabilizer. The slurry is prepared and immersed in the slurry to form an ion conductive portion molded body between the electron conductive portion molded bodies, thereby obtaining a laminate molded body. At this time, molding is performed so that the area of the ion conductive portion molded body is larger than the area of the electron conductive portion molded body. In addition, it is good also as the preparation order of an ion conduction part molded object and an electron conduction part molded object being reverse. Moreover, you may shape | mold so that an ion conduction part molded object and an electronic conduction part molded object may overlap partially.

次いで、積層体成形体を脱バインダー処理し、酸素含有雰囲気中、1400℃以上1600℃以下にて2時間以上6時間以下、同時焼結(同時焼成)する。   Next, the laminate compact is debindered and simultaneously sintered (simultaneously fired) in an oxygen-containing atmosphere at 1400 ° C. to 1600 ° C. for 2 hours to 6 hours.

次いで、空気極層用材料(例えば、LaSrCoFeO系酸化物や(La,Sr)MnO系酸化物の粉末)、溶媒および造孔剤を含有するスラリーをディッピング等により、イオン伝導部21aおよび電子伝導部21b上に塗布し、1000℃以上1300℃以下で、2時間以上6時間以下焼き付けることにより、図2に示す構造の電気化学装置20を得ることができる。なお、電気化学装置20は、その後、内部に水素ガスを流し、支持体24および燃料極層22の還元処理を行なう。その際、例えば750℃以上1000℃以下5時間以上20時間以
下時間還元処理するのが好ましい。
Next, a slurry containing an air electrode layer material (for example, LaSrCoFeO 3 -based oxide or (La, Sr) MnO 3 -based oxide powder), a solvent, and a pore-forming agent is subjected to dipping or the like to cause ion conduction portion 21a and electrons. The electrochemical device 20 having the structure shown in FIG. 2 can be obtained by coating on the conductive portion 21b and baking at 1000 to 1300 ° C. for 2 to 6 hours. In addition, the electrochemical device 20 then causes hydrogen gas to flow therein and performs a reduction treatment of the support 24 and the fuel electrode layer 22. At that time, for example, it is preferable to perform a reduction treatment for 750 ° C. to 1000 ° C. for 5 hours to 20 hours.

以上のようにして作製された電気化学装置は、酸素イオン伝導性および電子伝導性をいずれも高く維持することができる酸素イオン伝導体である導電層21を備えるため、効率よく随伴ガスを分解することができる。   Since the electrochemical device manufactured as described above includes the conductive layer 21 that is an oxygen ion conductor that can maintain both oxygen ion conductivity and electron conductivity high, the associated gas is efficiently decomposed. be able to.

あわせて、電気化学装置20は、イオン伝導部21aと電子伝導部21bとが隣接して設けられてなる導電層21と、導電層21の一方の面を覆うように設けられた第1の電極(空気極層)22と、導電層21の他方の面を覆うように設けられた第の2電極(燃料極層)23とを備え
ること、また、多孔質の支持体24上に、第1の電極(空気極層)22,導電層21,第2の電極(燃料極層)23がこの順に積層されていることから、効率よく随伴ガスを分解することができる。
In addition, the electrochemical device 20 includes a conductive layer 21 in which an ion conductive portion 21a and an electron conductive portion 21b are provided adjacent to each other, and a first electrode provided so as to cover one surface of the conductive layer 21. (Air electrode layer) 22 and a second second electrode (fuel electrode layer) 23 provided so as to cover the other surface of the conductive layer 21, and on the porous support 24, the first electrode Since the electrode (air electrode layer) 22, the conductive layer 21, and the second electrode (fuel electrode layer) 23 are laminated in this order, the associated gas can be efficiently decomposed.

そして、上述した電気化学装置セル10,20を複数個備えることで、随伴ガスを効率よく
分解することができる。さらに、電気化学装置10,20に随伴ガスを供給するための随伴ガスタンクに電気化学装置10,20の一端を固定し、随伴ガスを分解して生じる水素ガスタンクに電気化学装置10,20の他端を固定することで、効率よく随伴ガスを分解できるとともに、分解により生じた水素ガスを効率よく回収することができる。
The accompanying gas can be efficiently decomposed by providing a plurality of the electrochemical device cells 10 and 20 described above. Furthermore, one end of the electrochemical devices 10 and 20 is fixed to the accompanying gas tank for supplying the accompanying gas to the electrochemical devices 10 and 20, and the other end of the electrochemical devices 10 and 20 is generated in the hydrogen gas tank generated by decomposing the accompanying gas. By fixing the gas, the accompanying gas can be efficiently decomposed and the hydrogen gas generated by the decomposition can be efficiently recovered.

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。   Although the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and improvements can be made without departing from the scope of the present invention.

例えば、上述の例において、支持体24として導電性の支持体24を用いる例を説明したが、支持体24の表面に導電性を有する層が設けられている場合には、支持体24を絶縁性とすることもできる。   For example, in the above-described example, the example in which the conductive support 24 is used as the support 24 has been described. However, in the case where a conductive layer is provided on the surface of the support 24, the support 24 is insulated. It can also be sex.

また、上述の例において、支持体24上に、燃料極層22の1層を設ける構成について説明したが、燃料極層22と空気極層23との間で、電子やイオンの伝導をより効率よく行うにあたり、燃料極層22と支持体24との間に、より導電性を有する材料からなる層を設けることもできる。   In the above example, the configuration in which one layer of the fuel electrode layer 22 is provided on the support 24 has been described. However, the conduction of electrons and ions between the fuel electrode layer 22 and the air electrode layer 23 is more efficient. When performing well, a layer made of a more conductive material may be provided between the fuel electrode layer 22 and the support 24.

また電気化学装置20を円筒型や平板型とする場合には、適宜公知の方法により、第1の電極と、第1の電極を覆うように設けられイオン伝導部と電子伝導部とが隣接して設けられてなる導電層と、導電層を覆うように設けられた第2の電極とを備える構成とすればよい。   Further, when the electrochemical device 20 is a cylindrical type or a flat plate type, the first electrode and the ion conducting unit and the electron conducting unit are adjacently provided so as to cover the first electrode by a known method as appropriate. The conductive layer may be provided, and the second electrode may be provided so as to cover the conductive layer.

以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   Examples of the present invention will be specifically described below, but the present invention is not limited to these examples.

まず、酸素イオン伝導体を構成する成分が、焼結体としてそれぞれ表1に示す種類および含有量となるように、各成分の粉末を調合した。   First, powders of the respective components were prepared so that the components constituting the oxygen ion conductor had the types and contents shown in Table 1 as sintered bodies.

そして、調合した粉末に、有機溶媒として、トルエンを加え、ミルを用いて粉砕・混合した後、結合剤としてパラフィンワックスを所定量添加し、乾式加圧成形法を用い、圧力を98MPaとして成形することにより、円板の成形体を得た。   Then, toluene is added as an organic solvent to the prepared powder, and after pulverizing and mixing using a mill, a predetermined amount of paraffin wax is added as a binder, and molding is performed at a pressure of 98 MPa using a dry pressure molding method. As a result, a disk shaped body was obtained.

そして、電気炉に成形体を配置した後、大気雰囲気中、温度を1460℃、2時間保持することによって直径および厚さがそれぞれ15mm,0.2mmである円板状の焼結体を得た。   And after arrange | positioning a molded object to an electric furnace, the temperature was kept at 1460 degreeC in air | atmosphere for 2 hours, and the disk-shaped sintered compact whose diameter and thickness were 15 mm and 0.2 mm was obtained, respectively.

そして、この焼結体の一方主面に酸化ニッケルおよび安定化ジルコニアの各含有量が、それぞれ65質量%,35質量%である第1の電極を、焼結体の他方主面にランタンストロン
チウムマンガナイトからなる第2の電極をそれぞれ形成し、酸素イオン伝導性を評価するための試料No.1〜16を得た。
Then, a first electrode having a content of nickel oxide and stabilized zirconia of 65% by mass and 35% by mass, respectively, is provided on one main surface of the sintered body, and lanthanum strontium manganate on the other main surface of the sintered body. Sample No. 2 for forming a second electrode made of knight and evaluating oxygen ion conductivity was prepared. 1-16 were obtained.

なお、表1に示す安定化ジルコニアの成分を示す組成式は、最初の数字が安定化剤の含有量、次のアルファベットが安定化剤の金属成分であり、例えば、8YSZであれば、8モル%の酸化イットリウムを安定化剤として含む酸化ジルコニウムである。   In addition, the composition formula showing the component of the stabilized zirconia shown in Table 1 is that the first number is the content of the stabilizer and the next alphabet is the metal component of the stabilizer. For example, if it is 8YSZ, % Zirconium oxide containing 1% yttrium oxide as a stabilizer.

そして、酸素透過試験機を用い、ガスを供給するための円筒内の所定位置に各試料を固定し、第1の電極側にはメタンを30体積%含むアルゴンガスを、また、第2の電極側には空気をそれぞれ供給し、酸素透過量を測定した。   Then, using an oxygen permeation tester, each sample is fixed at a predetermined position in a cylinder for supplying gas, argon gas containing 30% by volume of methane on the first electrode side, and second electrode Air was supplied to each side, and the oxygen transmission rate was measured.

各試料を構成する成分およびその含有量と、各試料の酸素透過量を表1に示す。   Table 1 shows the components constituting each sample, their contents, and the oxygen permeation amount of each sample.

Figure 2014069989
Figure 2014069989

表1に示す結果から分かるように、試料No.1〜3,5〜16は、酸化カルシウム,酸化ガドリニウムおよび希土類酸化物のうち少なくとも1種を安定化剤として含む酸化ジルコニウムを主成分としてなるイオン伝導部と、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物を主成分としてなる電子伝導部とを備え、酸化ジルコニウムの含有量が、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物の含有量よりも多いことから、酸化ジルコニウムの含有量が相対的に多いので、酸素イオン伝導性を高くすることができる。   As can be seen from the results shown in Table 1, Sample No. 1 to 3 and 5 to 16 include an ion conducting portion mainly composed of zirconium oxide containing at least one of calcium oxide, gadolinium oxide and rare earth oxide as a stabilizer, and a lanthanum chromite perovskite oxide. It has an electron conduction part as the main component, and the content of zirconium oxide is higher than the content of lanthanum chromite perovskite oxide, so the content of zirconium oxide is relatively high, so oxygen ion conduction Sexuality can be increased.

まず、酸素イオン伝導体において、、イオン伝導部を構成する成分として8モル%の酸化イットリウムを安定化剤として含む酸化ジルコニウム、電子伝導部を構成する成分としてランタンマグネシウムクロマイトおよび酸化マンガンを含み、各成分の含有量が、焼結体として56質量%,44質量%,表2に示す含有量になるように各成分の粉末を調合した。但し、酸化マンガンの含有量は、酸化ジルコニウムおよびランタンマグネシウムクロマイトの各含有量の合計100質量部に対する含有量である。   First, in the oxygen ion conductor, zirconium oxide containing 8 mol% of yttrium oxide as a stabilizer as a component constituting the ion conducting portion, lanthanum magnesium chromite and manganese oxide as components constituting the electron conducting portion, The powder of each component was prepared so that the content of the components was 56% by mass and 44% by mass as the sintered body, and the content shown in Table 2. However, the content of manganese oxide is a content with respect to a total of 100 parts by mass of each content of zirconium oxide and lanthanum magnesium chromite.

そして、実施例1で示した方法と同じ方法で長さ,幅および厚さがそれぞれ20mm,5mm,5mmである角柱状の焼結体である試料No.17〜22を得た。   Sample No. 1 which is a prismatic sintered body having a length, a width and a thickness of 20 mm, 5 mm and 5 mm, respectively, by the same method as shown in Example 1. 17-22 were obtained.

そして,X線回折法により、ランタンジルコネートの有無を確認した。ランタンジルコネートが確認された試料には有、確認されなかった試料には無を表2に示した。   And the presence or absence of lanthanum zirconate was confirmed by X-ray diffraction. Table 2 shows the presence of lanthanum zirconate in samples that were confirmed and the absence of lanthanum zirconate in samples.

また、イオン伝導率と電子伝導率の和である混合導電率を、4端子法により、温度を1000℃として測定し、その測定値を表2に示した。   The mixed conductivity, which is the sum of the ionic conductivity and the electron conductivity, was measured at a temperature of 1000 ° C. by the four-terminal method, and the measured values are shown in Table 2.

Figure 2014069989
Figure 2014069989

表2に示す結果から分かるように、試料No.18〜22は、マンガンがペロブスカイト型酸化物であるランタンマグネシウムクロマイトに固溶していることから、酸素イオン伝導性および電子伝導性を低下させるランタンジルコネートの生成が抑制されているので、これらの特性がいずれも高くなっていることがわかる。   As can be seen from the results shown in Table 2, the sample No. In 18-22, since manganese is dissolved in lanthanum magnesium chromite, which is a perovskite oxide, the production of lanthanum zirconate, which reduces oxygen ion conductivity and electron conductivity, is suppressed. It can be seen that the characteristics are all high.

まず、酸素イオン伝導体において、イオン伝導部を構成する成分として8モル%の酸化イットリウムを安定化剤として含む酸化ジルコニウム、電子伝導部を構成する成分としてランタンマグネシウムクロマイトおよび酸化マグネシウムを含み、各成分の含有量が、焼結体として56質量%,44質量%,表3に示す含有量(酸化マグネシウムはランタンマグネシウムクロマイト100質量%に対する含有量)になるように各成分の粉末を調合した。但
し、酸化マグネシウムの含有量は、ランタンマグネシウムクロマイトに対する含有量である。
First, in the oxygen ion conductor, zirconium oxide containing 8 mol% of yttrium oxide as a stabilizer as a component constituting the ion conducting portion, lanthanum magnesium chromite and magnesium oxide as components constituting the electron conducting portion, The powders of the respective components were prepared so that the content of was 56% by mass and 44% by mass as a sintered body, and the content shown in Table 3 (magnesium oxide was content relative to 100% by mass of lanthanum magnesium chromite). However, the content of magnesium oxide is the content with respect to lanthanum magnesium chromite.

そして、実施例1で示した方法と同じ方法で長さ,幅および厚さがそれぞれ20mm,5mm,5mmである角柱状の焼結体である試料No.23〜27を得た。   Sample No. 1 which is a prismatic sintered body having a length, a width and a thickness of 20 mm, 5 mm and 5 mm, respectively, by the same method as shown in Example 1. 23-27 were obtained.

また、各試料の室温から1000℃における線膨張係数をJIS R 1618−2002に準拠して求め、その測定値を表3に示した。   Moreover, the linear expansion coefficient from room temperature to 1000 ° C. of each sample was determined according to JIS R 1618-2002, and the measured values are shown in Table 3.

Figure 2014069989
Figure 2014069989

表3に示す結果から分かるように、試料No.24〜27は、電子伝導部を構成する成分として線膨張係数が大きい酸化マグネシウムを含むことから、酸素イオン伝導体を電気化学装置10を構成する互いに対向する第1の電極2と、第2の電極3との間に配置する場合には、酸化マグネシウムを含まない試料No.23よりも第1の電極2および第2の電極3の
線膨張係数10×10−6/℃(測定範囲:室温〜1000℃)に近づけることができ、高温に曝されても、信頼性が容易に損なわれにくくなると言える。また、酸素イオン伝導体を電気化学装置20を構成する互いに対向する第1の電極22と、第2の電極23との間に配置する場合についても同様のことが言える。
As can be seen from the results shown in Table 3, Sample No. Since 24 to 27 contain magnesium oxide having a large linear expansion coefficient as a component constituting the electron conducting portion, the first electrode 2 and the second electrode facing each other that constitute the electrochemical device 10 with the oxygen ion conductor are used. In the case of being arranged between the electrodes 3, the linear expansion coefficients of the first electrode 2 and the second electrode 3 are 10 × 10 −6 / ° C. (measurement range: room temperature) rather than the sample No. 23 containing no magnesium oxide. It can be said that reliability is not easily lost even when exposed to high temperatures. The same applies to the case where the oxygen ion conductor is disposed between the first electrode 22 and the second electrode 23 that constitute the electrochemical device 20 facing each other.

なお、酸化マグネシウムの量を多く含む試料No.27は、酸化マグネシウムを含まない資料No.23よりも第1の電極2および第2の電極3の線膨張係数10×10−6/℃(測定範囲:室温〜1000℃)に近づけることができているものの、その効果が低かった。 Note that Sample No. containing a large amount of magnesium oxide was used. No. 27 is a document No. containing no magnesium oxide. Although the linear expansion coefficient of the first electrode 2 and the second electrode 3 can be closer to 10 × 10 −6 / ° C. (measurement range: room temperature to 1000 ° C.) than 23, the effect is low.

支持層を備える電気化学装置を以下の方法で作製した。   An electrochemical device provided with a support layer was produced by the following method.

まず、酸化ニッケルおよび酸化イットリウムがそれぞれ68質量%,32質量%である円筒状の脱脂体の外周面に、脱脂体を構成する成分と同じ成分からなるグリーンシートを巻き付けた。次に、このグリーンシート上に酸化ニッケルおよび安定化ジルコニアの各粉末がそれぞれ65質量%,35質量%である混合粉末のペーストを、スクリーン印刷法を用いて塗布し、温度および保持時間をそれぞれ1190℃,2時間として熱処理した。そして、イオン伝導部を構成する成分として8モル%の酸化イットリウムを安定化剤として含む酸化ジルコニウム、電子伝導部を構成する成分としてランタンマグネシウムクロマイトおよび酸化ニッケルの各粉末を含むスラリーに、脱脂体を浸漬することによって、皮膜を形成し、温度および保持時間をそれぞれ1460℃,2時間として大気雰囲気中にて焼成した。なお、酸化ニッケルは焼結体として表4に示す含有量となるように粉末を調合した。そして、この焼成により、円筒状の脱脂体,グリーンシート,塗布された混合粉末のペーストおよび皮膜をそれぞれ支持体4,支持層5,第1の電極(燃料極)2,酸素イオン伝導体1とした。   First, the green sheet which consists of the same component as the component which comprises a degreasing | defatting body was wound around the outer peripheral surface of the cylindrical degreasing | defatting body whose nickel oxide and yttrium oxide are 68 mass% and 32 mass%, respectively. Next, a paste of mixed powder in which the nickel oxide powder and the stabilized zirconia powder are 65% by mass and 35% by mass, respectively, is applied onto the green sheet by using a screen printing method, and the temperature and holding time are 1190 respectively. Heat treatment was performed at 2 ° C. for 2 hours. Then, the degreased body is added to a slurry containing zirconium oxide containing 8 mol% of yttrium oxide as a stabilizer as a component constituting the ion conductive portion and lanthanum magnesium chromite and nickel oxide powders as components constituting the electron conductive portion. By dipping, a film was formed, and the temperature and holding time were 1460 ° C. and 2 hours, respectively, and firing was performed in an air atmosphere. In addition, the powder was prepared so that nickel oxide might become content shown in Table 4 as a sintered compact. And by this firing, the cylindrical degreased body, the green sheet, the paste and the coating of the applied mixed powder are respectively transferred to the support 4, the support layer 5, the first electrode (fuel electrode) 2, and the oxygen ion conductor 1. did.

ここで、酸素イオン伝導体1に含まれる酸化イットリウムを安定化剤として含む酸化ジルコニウム,ランタンマグネシウムクロマイトおよび酸化ニッケルの各含有量は、焼結体としてそれぞれ56質量%,44質量%,表4に示す含有量(酸化ニッケルはランタンマグネシウムクロマイト100質量%に対する含有量)になるように各成分の粉末を調合した。   Here, the contents of zirconium oxide, lanthanum magnesium chromite and nickel oxide containing yttrium oxide contained in the oxygen ion conductor 1 as stabilizers are 56 mass% and 44 mass%, respectively, as sintered bodies. The powder of each component was prepared so that it might be shown content (nickel oxide is content with respect to 100 mass% of lanthanum magnesium chromite).

そして、支持体4,支持層5,第1の電極2および酸素イオン伝導体1を形成した後、ランタンストロンチウムコバルト鉄の粉末を含むスラリーに、酸素イオン伝導体1を浸漬することによって、酸素イオン伝導体1の外周面上に皮膜を形成した。そして、温度および保持時間をそれぞれ1140℃,2時間として焼成することによって、第2の電極(空気極)3となり、図1に示す例の本実施形態の電気化学装置10である試料No.28〜31を、試料毎に10個作製した。   And after forming the support body 4, the support layer 5, the 1st electrode 2, and the oxygen ion conductor 1, oxygen ion conductor 1 is immersed in the slurry containing the powder of a lanthanum strontium cobalt iron, oxygen ion A film was formed on the outer peripheral surface of the conductor 1. Then, by baking at a temperature and a holding time of 1140 ° C. for 2 hours, respectively, a second electrode (air electrode) 3 is obtained, and the sample No. 1 which is the electrochemical device 10 of the present embodiment of the example shown in FIG. Ten samples 28 to 31 were prepared for each sample.

そして、支持体4の内側にメタン(CH)ガスを、第2の電極3の外周側に空気をそれぞれ供給した状態で、850℃において100時間保持した後に、冷却し、光学顕微鏡を用い、倍率を50倍として酸素イオン伝導体1のメタン(CH)ガスが供給される側の端面におけるクラックを観察した。クラックが観察された試料の比率を表4に示した。 Then, methane (CH 4 ) gas was supplied to the inside of the support 4, and air was supplied to the outer peripheral side of the second electrode 3. After holding at 850 ° C. for 100 hours, cooling, using an optical microscope, Cracks were observed on the end face of the oxygen ion conductor 1 on the side supplied with methane (CH 4 ) gas at a magnification of 50 times. Table 4 shows the ratio of samples in which cracks were observed.

Figure 2014069989
Figure 2014069989

表4に示す結果から分かるように、試料No.29〜31は酸化ニッケルを含んでいることから、酸化ニッケルの還元による収縮に伴って、酸素イオン伝導体の還元膨張が抑制されるので、クラックが生じにくくなっており、耐久性を高くすることができると言える。   As can be seen from the results shown in Table 4, sample No. Since 29 to 31 contain nickel oxide, reductive expansion of the oxygen ion conductor is suppressed as the nickel oxide contracts due to reduction, so cracks are less likely to occur and durability is increased. Can be said.

1,21:酸素イオン伝導体(導電層)
2,22:第1の電極(燃料極,燃料極層)
3,23:第2の電極(空気極,空気極層)
10,20:電気化学装置
1,21: Oxygen ion conductor (conductive layer)
2, 22: First electrode (fuel electrode, fuel electrode layer)
3, 23: Second electrode (air electrode, air electrode layer)
10, 20: Electrochemical equipment

Claims (6)

酸化カルシウム,酸化ガドリニウムおよび希土類酸化物のうち少なくとも1種を安定化剤として含む酸化ジルコニウムを主成分としてなるイオン伝導部と、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物を主成分としてなる電子伝導部とを備え、前記酸化ジルコニウムの含有量が、前記ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物の含有量よりも多いことを特徴とする酸素イオン伝導体。   An ion conducting part mainly composed of zirconium oxide containing at least one of calcium oxide, gadolinium oxide and rare earth oxide as a stabilizer, and an electron conducting part mainly composed of a lanthanum chromite perovskite oxide. And an oxygen ion conductor characterized in that the zirconium oxide content is greater than the content of the lanthanum chromite perovskite oxide. チタン,バナジウム,マンガン,鉄およびコバルトのうち少なくともいずれか1種が前
記ペロブスカイト型酸化物に固溶していることを特徴とする請求項1に記載の酸素イオン伝導体。
2. The oxygen ion conductor according to claim 1, wherein at least one of titanium, vanadium, manganese, iron and cobalt is dissolved in the perovskite oxide.
酸化マグネシウムを含むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の酸素イオン伝導体。   The oxygen ion conductor according to claim 1 or 2, characterized by containing magnesium oxide. 酸化ニッケルを含むことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の酸素イオン伝導体。   The oxygen ion conductor according to any one of claims 1 to 3, further comprising nickel oxide. 前記イオン伝導部と前記電子伝導部とが隣接して配置されてなることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の酸素イオン伝導体。   The oxygen ion conductor according to any one of claims 1 to 4, wherein the ion conducting portion and the electron conducting portion are disposed adjacent to each other. 請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の酸素イオン伝導体が、互いに対向する第1の電極と、第2の電極との間に配置されていることを特徴とする電気化学装置。   6. An electrochemical device, wherein the oxygen ion conductor according to claim 1 is disposed between a first electrode and a second electrode facing each other.
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