JP2022077365A - Proton conductive solid electrolyte, its manufacturing method, and proton conductive fuel cell - Google Patents

Proton conductive solid electrolyte, its manufacturing method, and proton conductive fuel cell Download PDF

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泰明 松田
Yasuaki Matsuda
慎也 東本
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Abstract

To provide a proton conductive solid electrolyte which exhibits a high proton conductivity in a wide temperature range from a room temperature to a high temperature of 300°C or more in the upper limit and can be manufactured at a lower baking temperature than before without using an expensive or highly toxic raw material.SOLUTION: A proton conductive solid electrolyte is represented by the compositional formula AM1-xH2x(PO3)3 yH2O, where an element A is K or Rb, and an element M is one or more elements selected from the group consisting of Ni, Zn, Co and Fe, or is the combination of Mg and one or more elements selected from the group consisting of Ni, Zn, Co and Fe, or where the element A is K and Rb, and the element M is one or more elements selected from the group consisting of Ni, Zn, Co, Fe and Mg, and where x is 0.05 or more and 0.30 or less, y is 0.3 or more and 3.0 or less, and has a predetermined structure including a tunnel type structure and has H3O+ or H+ in the tunnel type structure.SELECTED DRAWING: Figure 11

Description

特許法第30条第2項適用申請有り 書面1:文部科学省平成29年度私立大学研究ブランディング事業 最終成果報告書のコピー 書面2:公益社団法人電気化学会 第87回大会の開催概要(大会講演プログラム)と、上記大会ホームページにおける上記開催概要(大会講演プログラム)公開日の記載画面のコピー 書面3:公益社団法人電気化学会のホームページにおける講演要旨集の公開予定日記載画面、および上記講演要旨集の「プロトン導電性トンネル型リン酸塩KNi▲1-x▼H▲2x▼(PO▲3▼)▲3▼・yH▲2▼Oの合成、熱安定性と電気化学特性」の掲載頁のコピー 書面4:イノベーションジャパン2020 大学見本市Onlineの展示の開催概要と展示概要のコピー 書面5:イノベーションジャパン2020 大学見本市Onlineの展示での配布資料のコピー 書面6:INNOVATION DAYS 2020 智と技術の見本市の展示で発表した資料のコピー 書面7:RSC Advance 2020,10,7803-7811のコピーApplication for application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Law Document 1: Copy of the final result report of the 2017 Private University Research Branding Project of the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology Document 2: Outline of the 87th Annual Meeting of the Electrochemical Society of Japan (Meeting Lecture) Program) and a copy of the above-mentioned event outline (convention lecture program) release date on the website of the above-mentioned conference "Proton Conductive Tunnel Type Phosphate KNi ▲ 1-x ▼ H ▲ 2x ▼ (PO ▲ 3 ▼) ▲ 3 ▼ ・ yH ▲ 2 ▼ O Synthesis, Thermal Stability and Electrochemical Properties" Copy Document 4: Copy of the exhibition outline and exhibition outline of Innovation Japan 2020 University Trade Fair Online Document 5: Copy of handouts at the Innovation Japan 2020 University Trade Fair Online Exhibition Document 6: INNOVATION DAYS 2020 Exhibition of wisdom and technology trade fair Copy of materials presented in Document 7: Copy of RSC Advance 2020,10,7803-7811

本発明は、プロトン伝導型固体電解質とその製造方法、およびプロトン伝導型燃料電池に関する。 The present invention relates to a proton-conducting solid electrolyte, a method for producing the same, and a proton-conducting fuel cell.

燃料電池の普及のためには、燃料電池の更なる高性能化、長期耐久性の向上、低コスト化が求められている。上記燃料電池として、プロトン伝導型燃料電池(PCFC)の開発が進められており、その一環として、該プロトン伝導型燃料電池(PCFC)に用いられる、プロトン伝導型固体電解質に適した材料が幾つか提案されている。既に実用化されているプロトン伝導型固体電解質として、パーフルオロカーボン材料で形成されたNafion(登録商標)膜が挙げられる。この膜は、高いプロトン電気伝導性を示すが、作動に多量の水を要することに加え、その作動温度の上限が90℃程度であり、より高温度域で使用できないといった問題があった。 In order to popularize fuel cells, it is required to further improve the performance of fuel cells, improve long-term durability, and reduce costs. As the above fuel cell, the development of a proton conduction type fuel cell (PCFC) is underway, and as a part of the development, there are some materials suitable for the proton conduction type solid electrolyte used in the proton conduction type fuel cell (PCFC). Proposed. Examples of proton-conducting solid electrolytes that have already been put into practical use include Nafion® membranes made of perfluorocarbon materials. Although this film exhibits high proton electrical conductivity, it requires a large amount of water for operation and has a problem that the upper limit of the operating temperature is about 90 ° C. and it cannot be used in a higher temperature range.

作動温度がより高温度域にあるプロトン伝導型固体電解質として、固体酸化物を含むものが幾つか提案されている。例えば特許文献1には、BaZrO系、SrZrO系、CaZrO系、LaScO系、LaYbO系より選択されるプロトン伝導性固体電解質材料よりなる第一層と、BaCeO系またはBaCeZrO系のプロトン伝導性固体電解質材料よりなる第二層と、が接合されていることを特徴とするプロトン伝導性固体電解質が示されている。 As a proton conduction type solid electrolyte having an operating temperature in a higher temperature range, several ones containing a solid oxide have been proposed. For example, Patent Document 1 describes a first layer made of a proton-conducting solid electrolyte material selected from BaZrO 3 series, SrZrO 3 series, CaZrO 3 series, LaScO 3 series, and LaYbO 3 series, and BaCeO 3 series or BaCeZrO 3 series. A proton-conducting solid electrolyte characterized by being bonded to a second layer made of a proton-conducting solid electrolyte material is shown.

特許文献2には、プロトン伝導型の固体酸化物を用いた燃料電池システムとして、BaZrCeYXO3-δ(ただし、X=Sc、Ga、In、Gd、および、Ybのうちいずれか1または複数)で示される固体酸化物を含む固体電解質を有する燃料電池本体と、前記燃料電池本体を400℃以上700℃未満とする温度調整部と、前記固体電解質の厚みと、前記燃料電池本体の電流密度との乗算値を12.5μm・A/cm以上に維持する制御部と、を備える燃料電池システムが提案されている。 In Patent Document 2, as a fuel cell system using a proton conduction type solid oxide, BaZrCeYXO 3-δ (provided that any one or more of X = Sc, Ga, In, Gd, and Yb) is used. A fuel cell body having a solid electrolyte containing the solid oxide shown, a temperature control unit for keeping the fuel cell body at 400 ° C. or higher and lower than 700 ° C., a thickness of the solid electrolyte, and a current density of the fuel cell body. A fuel cell system including a control unit that maintains a multiplication value of 12.5 μm · A / cm 2 or more has been proposed.

特許文献3には、La1-yYb1-xIn3-δ(M=Ba,Sr,Ca,Mg;δは酸素空孔量;0<x<1;0<y≦0.2)の組成を有することを特徴とするプロトン伝導性固体電解質材料が示されている。 In Patent Document 3, La 1- y My Yb 1-x In x O 3-δ (M = Ba, Sr, Ca, Mg; δ is the amount of oxygen vacancies; 0 <x <1; 0 <y ≦ A proton conductive solid electrolyte material characterized by having the composition of 0.2) is shown.

特許文献4には、中温域温度範囲で伝導度が改善された無機イオン伝導体として、酸化数三価の金属元素、酸化数五価の金属元素、リン(P)及び酸素(O)を含む無機イオン伝導体が提案されている。 Patent Document 4 contains a trivalent metal oxide element, a pentavalent metal oxide element, phosphorus (P) and oxygen (O) as inorganic ion conductors having improved conductivity in the medium temperature range. Inorganic ion conductors have been proposed.

更に本発明者らは、非特許文献1で、トンネル型構造をもつ既知のプロトン固体電解質であるKMg1-x2x(PO・yHOと、RbMg1-x2x(PO・yHOを提案している。 Furthermore, the present inventors have described in Non-Patent Document 1 that KMg 1-x H 2x (PO 3 ) 3 · yH 2 O and RbMg 1-x H 2x (PO), which are known proton solid electrolytes having a tunnel-type structure. 3 ) 3・ yH 2 O is proposed.

特開2019-175733号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2019-175733 特開2019-21578号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2019-21578 特開2016-131075号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-13107 特開2013-191558号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-191558

Matsuda et al., Arrangement of water molecules and high proton conductivity of tunnel structure phosphates,KMg1-xH2x(PO3)3・yH2O, RSC Adv., 2020, 10, 7803-7811Matsuda et al., Arrangement of water molecules and high proton conductivity of tunnel structure phosphates, KMg1-xH2x (PO3) 3 · yH2O, RSC Adv., 2020, 10, 7803-7811

上記特許文献1~3に示された様な、例えばBaZrO等の様なペロブスカイト型プロトン固体電解質は、400℃において10-2Scm-1の高プロトン導電率を達成するが、原料が高価で、千数百℃での高温焼成が必要である。また、この材料を用いて電池を作製すると、アノードの過電圧が大きく、600℃以下での燃料電池の実用化が難しい、といった問題がある。上記特許文献4には、100℃以上の温度域で作動させる燃料電池に使用の無機イオン伝導体が示されているが、300℃以上の高温域まで高いプロトン導電率を発現させるには、更なる改善が必要であると思われる。また、上記非特許文献1のトンネル型構造をもつ既知のプロトン固体電解質は、作動温度が室温から250℃の温度域に限られる。 Perovskite-type proton solid electrolytes such as those shown in Patent Documents 1 to 3, for example, BaZrO 3 , achieve high proton conductivity of 10-2 Scm -1 at 400 ° C., but the raw materials are expensive. , High temperature firing at a thousand and several hundred degrees Celsius is required. Further, when a battery is manufactured using this material, there is a problem that the overvoltage of the anode is large and it is difficult to put the fuel cell into practical use at 600 ° C. or lower. The above-mentioned Patent Document 4 discloses an inorganic ion conductor used for a fuel cell operated in a temperature range of 100 ° C. or higher, but in order to develop high proton conductivity up to a high temperature range of 300 ° C. or higher, further. It seems that improvement is needed. Further, the known proton solid electrolyte having the tunnel type structure of Non-Patent Document 1 is limited to a temperature range in which the operating temperature is from room temperature to 250 ° C.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、室温から、上限が300℃以上の高温度までの広い温度域で高プロトン導電率を発現し、高価であるか毒性の高い原料を用いずとも、従来よりも低い焼成温度で製造することのできる、新規なプロトン伝導型固体電解質、該プロトン伝導型固体電解質の製造方法、および該プロトン伝導型固体電解質を用いたプロトン伝導型燃料電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to exhibit high proton conductivity in a wide temperature range from room temperature to a high temperature having an upper limit of 300 ° C. or higher, and it is expensive or toxic. A novel proton-conducting solid electrolyte, a method for producing the proton-conducting solid electrolyte, and protons using the proton-conducting solid electrolyte, which can be produced at a lower firing temperature than before without using high-quality raw materials. The purpose is to provide a conduction fuel cell.

本発明の態様1は、組成式AM1-x2x(PO・yHOで表され、
前記元素Aが、KまたはRbであり、前記元素Mが、Ni、Zn、CoおよびFeよりなる群から選択される1以上の元素、または、Ni、Zn、CoおよびFeよりなる群から選択される1以上の元素およびMgである組み合わせ、または、
前記元素Aが、KおよびRbであり、前記元素Mが、Ni、Zn、Co、FeおよびMgよりなる群から選択される1以上の元素の組み合わせであり、
前記xは、0.05以上、0.30以下の範囲内にあり、
前記yは、0.3以上、3.0以下の範囲内にあり、
前記元素Aのイオンと酸素が結合して形成される八面体と、前記元素Mのイオンと酸素が結合して形成される八面体とが、交互に、互いの八面体の酸素を共有して形成された、第1柱状体が複数平行して存在し、
複数のPOが酸素を共有して鎖状に連結したPO鎖にてなる、第1柱状体に平行な長手方向を有する、第2柱状体が複数平行して存在し、
3つの第2柱状体に囲まれたトンネル状空間が存在するトンネル型構造を有し、
前記トンネル状空間内にH又はHを有する、プロトン伝導型固体電解質である。
Aspect 1 of the present invention is represented by the composition formula AM 1-x H 2x (PO 3 ) 3 · yH 2 O.
The element A is K or Rb, and the element M is selected from one or more elements selected from the group consisting of Ni, Zn, Co and Fe, or the group consisting of Ni, Zn, Co and Fe. A combination of one or more elements and Mg, or
The element A is K and Rb, and the element M is a combination of one or more elements selected from the group consisting of Ni, Zn, Co, Fe and Mg.
The x is in the range of 0.05 or more and 0.30 or less.
The y is in the range of 0.3 or more and 3.0 or less.
The octahedron formed by combining the ion of the element A and oxygen and the octahedron formed by combining the ion and oxygen of the element M alternately share the oxygen of each other's octahedron. A plurality of formed first columnar bodies exist in parallel,
A plurality of second columnar bodies having a longitudinal direction parallel to the first columnar body, which are composed of PO 4 chains in which a plurality of PO 4s share oxygen and are connected in a chain, are present in parallel.
It has a tunnel-type structure in which a tunnel-like space surrounded by three second columnar bodies exists.
A proton-conducting solid electrolyte having H 3 O + or H + in the tunnel-like space.

本発明の態様2は、前記元素Aが、KまたはRbであり、前記元素Mが、Ni、ZnおよびCoよりなる群から選択される1以上の元素の組み合わせであるか、
前記元素Aが、KおよびRbであり、前記元素MがMgである、態様1に記載のプロトン伝導型固体電解質である。
In aspect 2 of the present invention, whether the element A is K or Rb and the element M is a combination of one or more elements selected from the group consisting of Ni, Zn and Co.
The proton conduction type solid electrolyte according to the first aspect, wherein the element A is K and Rb, and the element M is Mg.

本発明の態様3は、前記元素AがKであり、前記元素MがNiである、態様1に記載のプロトン伝導型固体電解質である。 Aspect 3 of the present invention is the proton conduction type solid electrolyte according to Aspect 1, wherein the element A is K and the element M is Ni.

本発明の態様4は、態様1~3のいずれかに記載のプロトン伝導型固体電解質を製造する方法であって、
前記元素Aを含む化合物と、前記元素Mを含む化合物と、リン酸を含む化合物とを、混合して混合物を得る混合工程と、
前記混合物を、250℃以上、800℃以下の温度で焼成する焼成工程とを含む、プロトン伝導型固体電解質の製造方法である。
Aspect 4 of the present invention is the method for producing the proton-conducting solid electrolyte according to any one of aspects 1 to 3.
A mixing step of mixing the compound containing the element A, the compound containing the element M, and the compound containing phosphoric acid to obtain a mixture.
A method for producing a proton-conducting solid electrolyte, which comprises a firing step of firing the mixture at a temperature of 250 ° C. or higher and 800 ° C. or lower.

本発明の態様5は、態様1~3のいずれかに記載のプロトン伝導型固体電解質を電解質に用いたプロトン伝導型燃料電池である。 Aspect 5 of the present invention is a proton conduction type fuel cell using the proton conduction type solid electrolyte according to any one of aspects 1 to 3 as an electrolyte.

本発明によれば、室温から、上限が300℃以上の高温度までの広い温度域で、高プロトン導電率を発現する新規なプロトン伝導型固体電解質を、高価であるか毒性の高い原料を用いずとも、従来よりも低い焼成温度で製造することができる。 According to the present invention, a novel proton-conducting solid electrolyte that exhibits high proton conductivity in a wide temperature range from room temperature to a high temperature of 300 ° C. or higher is used as an expensive or highly toxic raw material. Even if it is not, it can be manufactured at a lower firing temperature than before.

従来のプロトン伝導型固体電解質の粉末X線回折測定結果を示す図である。It is a figure which shows the powder X-ray diffraction measurement result of the conventional proton conduction type solid electrolyte. 従来のプロトン伝導型固体電解質のx値とプロトン導電率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the x value of the conventional proton conduction type solid electrolyte, and the proton conductivity. 本実施形態のプロトン伝導型固体電解質の長手方向の断面における一部を例示する模式図である。It is a schematic diagram which illustrates a part in the cross section in the longitudinal direction of the proton conduction type solid electrolyte of this embodiment. 本実施形態のプロトン伝導型固体電解質の長手方向に垂直な断面における一部を例示する模式図である。It is a schematic diagram which illustrates a part in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the proton conduction type solid electrolyte of this embodiment. 実施例におけるTG/DTA測定結果を示す図である。It is a figure which shows the TG / DTA measurement result in an Example. 実施例における粉末X線回折分析結果を示す図である。It is a figure which shows the powder X-ray diffraction analysis result in an Example. 実施例における別の粉末X線回折分析結果を示す図である。It is a figure which shows the result of another powder X-ray diffraction analysis in an Example. 実施例における別の粉末X線回折分析結果を示す図である。It is a figure which shows the result of another powder X-ray diffraction analysis in an Example. 実施例における組成式のxとプロトン導電率との関係を求めた結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having obtained the relationship between x of a composition formula and proton conductivity in an Example. 実施例における別の粉末X線回折分析結果を示す図である。It is a figure which shows the result of another powder X-ray diffraction analysis in an Example. 実施例における温度とプロトン導電率の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the temperature and the proton conductivity in an Example.

本発明者らは、まず従来のプロトン伝導型固体電解質であるKMg1-x2x(PO・yHOについて、250℃で約12時間焼成して得られた試料aと、300℃で約12時間焼成して得られた試料bと、800℃で約1時間焼成して得られた試料cとの合計3試料について構造を確認した。 First, the present inventors first calcined KMg 1-x H 2x (PO 3 ) 3 · yH 2 O, which is a conventional proton-conducting solid electrolyte, at 250 ° C. for about 12 hours with sample a and 300. The structures of a total of 3 samples, a sample b obtained by firing at ° C. for about 12 hours and a sample c obtained by firing at 800 ° C. for about 1 hour, were confirmed.

構造の確認のために、後記の実施例に示す条件で粉末X線回折分析を行った。その結果を図1に示す。この図1において「(a)トンネル型 KMg1-x2x(PO・yHO」と示された試料aは2θ=16.18°,17.46°,23.88°,29.72°,30.44°,32.66°,35°,28°,37.24°,38.52°,39.02°,42.62°,45.24°に空間群R3で帰属される。 In order to confirm the structure, powder X-ray diffraction analysis was performed under the conditions shown in the examples below. The results are shown in FIG. In FIG. 1, the sample a shown as “(a) tunnel type KMg 1-x H 2x (PO 3 ) 3 · yH 2 O” is 2θ = 16.18 °, 17.46 °, 23.88 °, 29.72 °, 30.44 °, 32.66 °, 35 °, 28 °, 37.24 °, 38.52 °, 39.02 °, 42.62 °, 45.24 ° in space group R3 Belonged.

これに対し、300℃で焼成して得られた試料b(図1における「(b)300℃焼成 Benitoite型構造」)と800℃で焼成して得られた試料c(図1における「(c)800℃焼成 Benitoite型構造」)は、2θ=15.48,18.18,23.94,28.52,31.26,32.72,36.36,36.76,38.80,40.08,41.74,42.80に空間群P-6c2で帰属される、ピークを有するBenitoite型の構造に変化した。すなわち、上記KMg1-x2x(PO・yHOは、300℃以上ではBenitoite型構造が安定であることがわかった。 On the other hand, the sample b obtained by calcining at 300 ° C. (“(b) Benitoite type structure fired at 300 ° C.” in FIG. 1) and the sample c obtained by calcining at 800 ° C. (“(c)” in FIG. 1). ) 800 ° C firing Benitoite type structure ”), 2θ = 15.48, 18.18, 23.94, 28.52, 31.26, 32.72, 36.36, 36.76, 38.80, 40 It changed to a Benitoite-type structure with peaks assigned to .08, 41.74, 42.80 in the space group P-6c2. That is, it was found that the Benitoite-type structure of the above KMg 1-x H 2x (PO 3 ) 3 · yH 2 O is stable at 300 ° C. or higher.

また、試料aの組成式におけるx値を変化させた試料と、試料cの組成式におけるx値を変化させた試料とのそれぞれについて、150℃でのプロトン導電率を後述の実施例と同様にして測定した。その結果を図2に示す。図2において縦軸のlogσは、導電率を対数で示したものであり、この値が高いほどプロトン導電率が高いことを示す。この図2から、KMg1-x2x(PO・yHOは、トンネル型構造からBenitoite型構造に変化すると、組成式におけるx値が同じであっても、プロトン導電率が低下することがわかる。Benitoite型構造は構造中へのプロトン導入許容量がトンネル型構造よりも小さいこと等が、Benitoite型構造の試料の導電率低下の原因であると考えられる。 Further, for each of the sample in which the x value in the composition formula of sample a was changed and the sample in which the x value in the composition formula of sample c was changed, the proton conductivity at 150 ° C. was the same as in the examples described later. Was measured. The results are shown in FIG. In FIG. 2, logσ on the vertical axis indicates the logarithm of the conductivity, and the higher the value, the higher the proton conductivity. From FIG. 2, when KMg 1-x H 2x (PO 3 ) 3 · yH 2 O changes from a tunnel type structure to a Benitoite type structure, the proton conductivity decreases even if the x value in the composition formula is the same. You can see that it does. It is considered that the Benitoite-type structure has a smaller allowance for introducing protons into the structure than the tunnel-type structure, which is the cause of the decrease in the conductivity of the sample of the Benitoite-type structure.

上記図1および図2の結果から、300℃以上でのBenitoite型構造への相転移を抑止し、300℃以上においてもトンネル型構造を維持できれば、高いプロトン導電率を発現でき、より広い温度で作動するプロトン伝導型燃料電池の開発が可能となると考えた。 From the results of FIGS. 1 and 2 above, if the phase transition to the Benitoite type structure can be suppressed at 300 ° C or higher and the tunnel type structure can be maintained even at 300 ° C or higher, high proton conductivity can be exhibited and at a wider temperature. We thought that it would be possible to develop an operating proton conduction fuel cell.

そして本発明者らは、従来の物質では、高いプロトン導電性の発揮に寄与するトンネル型構造を高温で維持できず、250℃程度までの温度域での作動が限界であることに鑑みて、室温から、上限が300℃以上の高温度までの広い温度域で、トンネル型構造を維持できる、新規なプロトン伝導型固体電解質を、高価であるか毒性の高い原料を用いずに、かつ低い焼成温度で製造するために鋭意研究を行った。 The present inventors cannot maintain a tunnel-type structure that contributes to exhibiting high proton conductivity at a high temperature with a conventional substance, and the operation in a temperature range up to about 250 ° C. is the limit. A novel proton-conducting solid electrolyte that can maintain a tunnel-type structure in a wide temperature range from room temperature to a high temperature of 300 ° C or higher, without using expensive or highly toxic raw materials, and low firing. Diligent research was done to manufacture at temperature.

その結果、プロトン伝導型固体電解質として、
組成式AM1-x2x(PO・yHOで表され、
前記元素Aが、KまたはRbであり、前記元素Mが、Ni、Zn、CoおよびFeよりなる群から選択される1以上の元素、または、Ni、Zn、CoおよびFeよりなる群から選択される1以上の元素およびMgである組み合わせ、または、
前記元素Aが、KおよびRbであり、前記元素Mが、Ni、Zn、Co、FeおよびMgよりなる群から選択される1以上の元素の組み合わせであり、
前記xは、0.05以上、0.30以下、
前記yは、0.3以上、3.0以下の範囲内にあり、かつトンネル型構造を含む所定の構造を有して、前記トンネル型構造内に、H又はHを有するようにすればよいことを見出した。
As a result, as a proton-conducting solid electrolyte,
The composition formula is expressed by AM 1-x H 2x (PO 3 ) 3 · yH 2 O.
The element A is K or Rb, and the element M is selected from one or more elements selected from the group consisting of Ni, Zn, Co and Fe, or the group consisting of Ni, Zn, Co and Fe. A combination of one or more elements and Mg, or
The element A is K and Rb, and the element M is a combination of one or more elements selected from the group consisting of Ni, Zn, Co, Fe and Mg.
The x is 0.05 or more, 0.30 or less,
The y is in the range of 0.3 or more and 3.0 or less, has a predetermined structure including a tunnel type structure, and has H3O + or H + in the tunnel type structure. I found that I should do it.

以下、本実施形態に係るプロトン伝導型固体電解質とその製造方法、およびプロトン伝導型燃料電池について詳述する。 Hereinafter, the proton conduction type solid electrolyte and its production method, and the proton conduction type fuel cell according to the present embodiment will be described in detail.

(プロトン伝導型固体電解質)
本実施形態におけるプロトン伝導型固体電解質は、
組成式AM1-x2x(PO・yHOで表され、
前記元素Aと前記元素Mの組み合わせが、
前記元素Aが、KまたはRbであって、前記元素Mが、Ni、Zn、CoおよびFeよりなる群から選択される1以上の元素の組み合わせ、
前記元素Aが、KまたはRbであって、前記元素Mが、Ni、Zn、CoおよびFeよりなる群から選択される1以上の元素およびMgである組み合わせ、
前記元素Aが、KおよびRbであって、前記元素Mが、Ni、Zn、Co、FeおよびMgよりなる群から選択される1以上の元素の組み合わせ
のいずれかである。
(Proton conduction type solid electrolyte)
The proton conduction type solid electrolyte in this embodiment is
The composition formula is expressed by AM 1-x H 2x (PO 3 ) 3 · yH 2 O.
The combination of the element A and the element M is
A combination of one or more elements in which the element A is K or Rb and the element M is selected from the group consisting of Ni, Zn, Co and Fe.
A combination in which the element A is K or Rb and the element M is one or more elements and Mg selected from the group consisting of Ni, Zn, Co and Fe.
The element A is K and Rb, and the element M is any combination of one or more elements selected from the group consisting of Ni, Zn, Co, Fe and Mg.

元素A、元素Mはそれぞれ、本実施形態のプロトン伝導型固体電解質において、該固体電解質の骨格を形成するイオン(カチオン)として存在する。元素Mは、2価のイオンのイオン半径が0.61~0.74Åの元素である。 The element A and the element M each exist as ions (cations) forming the skeleton of the solid electrolyte in the proton-conducting solid electrolyte of the present embodiment. The element M is an element having an ionic radius of 0.61 to 0.74 Å as a divalent ion.

従来のプロトン伝導型固体電解質は、元素AとしてKまたはRbと、元素MとしてMgとの組み合わせ、すなわちKMg1-x2x(PO・yHOと、RbMg1-x2x(PO・yHOであるが、該固体電解質は、300℃付近でトンネル型の結晶構造からBenitoite型(Benito石型)の結晶構造に変化した。これに対して、本実施形態に係るプロトン伝導型固体電解質は、元素AがKまたはRbである場合は、元素Mとして、Ni、Zn、CoおよびFeよりなる群から選択される1以上の元素を必須とし、元素AがKおよびRbである場合は、元素Mを、Ni、Zn、Co、FeおよびMgよりなる群から選択される1以上の元素とし、固体電解質の骨格を構成する元素を、従来のプロトン伝導型固体電解質と異なる元素とすることによって、Benitoite型(Benito石型)の構造への転移を抑止でき、その結果、室温から、上限が300℃以上の高温度までの広い温度域で高いプロトン導電率を発現できることを見出した。 The conventional proton conduction type solid electrolyte is a combination of K or Rb as the element A and Mg as the element M, that is, KMg 1-x H 2x (PO 3 ) 3 · yH 2 O and Rb Mg 1-x H 2x ( PO 3 ) Although it is 3 · yH 2 O, the solid electrolyte changed from a tunnel-type crystal structure to a Benitoite-type (Benito stone-type) crystal structure at around 300 ° C. On the other hand, in the proton conduction type solid electrolyte according to the present embodiment, when the element A is K or Rb, one or more elements selected from the group consisting of Ni, Zn, Co and Fe as the element M. Is essential, and when the element A is K and Rb, the element M is one or more elements selected from the group consisting of Ni, Zn, Co, Fe and Mg, and the element constituting the skeleton of the solid electrolyte is used. By using an element different from the conventional proton conduction type solid electrolyte, it is possible to suppress the transition to the Benitoite type (Benito stone type) structure, and as a result, a wide temperature from room temperature to a high temperature of 300 ° C or higher. It was found that high proton conductivity can be expressed in the region.

前記元素Aと元素Mの組み合わせは、好ましくは、
前記元素Aが、KまたはRbであり、前記元素Mが、Ni、ZnおよびCoよりなる群から選択される1以上の元素の組み合わせであるか、
前記元素Aが、KおよびRbであり、前記元素MがMgである。
The combination of the element A and the element M is preferable.
Whether the element A is K or Rb and the element M is a combination of one or more elements selected from the group consisting of Ni, Zn and Co.
The element A is K and Rb, and the element M is Mg.

前記元素Aと元素Mの組み合わせは、より好ましくは、前記元素AがKであり、前記元素MがNiである。 The combination of the element A and the element M is more preferably that the element A is K and the element M is Ni.

従来のプロトン伝導型固体電解質は、作動温度が250℃までであったのに対し、本実施形態のプロトン伝導型固体電解質によれば、前記組成式で元素Aと元素Mを組み合わせることによって、室温から上限が300℃以上の高温度までの広い作動温度域を達成できる。前記元素Aと元素Mの好ましい組み合わせとして、Kと、NiとZnのうちの1以上との組み合わせとすれば、作動温度の上限として300℃を超え、500℃以上を達成できる。 Whereas the conventional proton conduction type solid electrolyte has an operating temperature of up to 250 ° C., according to the proton conduction type solid electrolyte of the present embodiment, by combining the element A and the element M in the above composition formula, the room temperature is reached. It is possible to achieve a wide operating temperature range from to a high temperature of 300 ° C or higher. As a preferable combination of the element A and the element M, if K is combined with one or more of Ni and Zn, the upper limit of the operating temperature exceeds 300 ° C. and 500 ° C. or higher can be achieved.

(x値について)
前記xは、0.05以上、0.30以下の範囲内にある。xを0.05以上とし、元素Mの一部を欠損させることによって、プロトン伝導型固体電解質内にプロトンを容易に導入させることができる。前記xは、好ましくは0.10以上、より好ましくは0.15以上である。また、過剰な水分吸収を抑制する観点から、xは好ましくは0.25以下であり、より好ましくは0.20以下である。
(About x value)
The x is in the range of 0.05 or more and 0.30 or less. Protons can be easily introduced into the proton-conducting solid electrolyte by setting x to 0.05 or more and deleting a part of the element M. The x is preferably 0.10 or more, more preferably 0.15 or more. Further, from the viewpoint of suppressing excessive water absorption, x is preferably 0.25 or less, more preferably 0.20 or less.

(y値について)
yは、0.3以上、3.0以下の範囲内とすることができる。本実施形態のプロトン伝導型固体電解質は、製造時の焼成後においても構造内に水分子(結晶水)が確保され、水分子鎖が形成されていると考えられる。プロトン伝導型燃料電池の作動時に、この固体電解質内に形成された水分子鎖を介して、プロトンが高速拡散すると考えられる。よって、本実施形態のプロトン伝導型固体電解質であれば、燃料電池の作動時に大規模な加湿装置を設置しなくとも高いプロトン導電率を発現させることができる。この観点から、本実施形態のプロトン伝導型固体電解質に含まれる水分子は多いほど好ましく、yは、好ましくは1.0以上、より好ましくは1.5以上である。一方、本実施形態のプロトン伝導型固体電解質が構造上保持できる水分子(結晶水)量として、yの値は3.0以下とする。yは、好ましくは2.5以下、より好ましくは2.0以下である。
(About y value)
y can be in the range of 0.3 or more and 3.0 or less. It is considered that in the proton conduction type solid electrolyte of the present embodiment, water molecules (crystal water) are secured in the structure even after firing at the time of production, and a water molecule chain is formed. It is considered that protons diffuse at high speed through the water molecule chain formed in this solid electrolyte during the operation of the proton conduction type fuel cell. Therefore, the proton-conducting solid electrolyte of the present embodiment can exhibit high proton conductivity without installing a large-scale humidifying device when the fuel cell is operated. From this point of view, the more water molecules contained in the proton-conducting solid electrolyte of the present embodiment, the more preferable, and y is preferably 1.0 or more, more preferably 1.5 or more. On the other hand, the value of y is 3.0 or less as the amount of water molecules (water of crystallization) that can be structurally retained by the proton-conducting solid electrolyte of the present embodiment. y is preferably 2.5 or less, more preferably 2.0 or less.

次に本実施形態のプロトン伝導型固体電解質の構造について説明する。
本実施形態のプロトン伝導型固体電解質は、
前記元素Aのイオンと酸素が結合して形成される八面体と、前記元素Mのイオンと酸素が結合して形成される八面体とが、交互に、互いの八面体の酸素を共有して形成された、第1柱状体が複数平行して存在し、
複数のPOが酸素を共有して鎖状に連結したPO鎖にてなる、第1柱状体に平行な長手方向を有する、第2柱状体が複数平行して存在し、
3つの第2柱状体に囲まれたトンネル状空間が存在するトンネル型構造を有し、
前記トンネル状空間内にH又はHを有する。
Next, the structure of the proton conduction type solid electrolyte of the present embodiment will be described.
The proton conduction type solid electrolyte of this embodiment is
The octahedron formed by combining the ion of the element A and oxygen and the octahedron formed by combining the ion and oxygen of the element M alternately share the oxygen of each other's octahedron. A plurality of formed first columnar bodies exist in parallel,
A plurality of second columnar bodies having a longitudinal direction parallel to the first columnar body, which are composed of PO 4 chains in which a plurality of PO 4s share oxygen and are connected in a chain, are present in parallel.
It has a tunnel-type structure in which a tunnel-like space surrounded by three second columnar bodies exists.
It has H 3 O + or H + in the tunnel-like space.

本実施形態のプロトン伝導型固体電解質の構造を、模式図を用いて詳述するが、本実施形態のプロトン伝導型固体電解質はかかる実施形態に限定されるものではない。 The structure of the proton-conducting solid electrolyte of the present embodiment will be described in detail with reference to a schematic diagram, but the proton-conducting solid electrolyte of the present embodiment is not limited to such an embodiment.

図3は、本実施形態のプロトン伝導型固体電解質の長手方向の断面における一部を例示する模式図を示し、図4は、本実施形態のプロトン伝導型固体電解質の長手方向に垂直な断面における一部を例示する模式図である。 FIG. 3 shows a schematic diagram illustrating a part of the longitudinal section of the proton-conducting solid electrolyte of the present embodiment, and FIG. 4 shows a sectional view perpendicular to the longitudinal direction of the proton-conducting solid electrolyte of the present embodiment. It is a schematic diagram which exemplifies a part.

本実施形態のプロトン伝導型固体電解質1は、元素A(符号2、例えばK)のイオンと酸素3Aが結合して形成される八面体4と、元素M(符号5、例えばNi)のイオンと酸素3Bが結合して形成される八面体6とが、交互に、互いの八面体の酸素を共有して形成、すなわち、交互に、互いの八面体の一辺7が重複するように形成された、第1柱状体8を複数有する。更に、PO(符号9)が酸素原子3Cを共有して鎖状に連結して形成された、第1柱状体8と平行な長手方向を有する、第2柱状体10を複数有する。 The proton conduction type solid electrolyte 1 of the present embodiment contains an octahedron 4 formed by combining the ions of the element A (reference numeral 2, for example, K) and oxygen 3A, and the ions of the element M (reference numeral 5, for example, Ni). The octahedron 6 formed by combining oxygen 3B is alternately formed by sharing the oxygen of each other's octahedron, that is, alternately formed so that one side 7 of each other's octahedron overlaps. , Has a plurality of first columnar bodies 8. Further, it has a plurality of second columnar bodies 10 having a longitudinal direction parallel to the first columnar body 8 formed by PO 4 (reference numeral 9) sharing the oxygen atom 3C and connecting them in a chain shape.

そしてPO鎖を構成する、連続または一つおきのPOの一の酸素が一の第1柱状体と酸素を共有し、一の第1柱状体と酸素を共有していないPOは隣接する他の第1柱状体と酸素を共有する。詳細には、図3に示される通り、前記元素Mのイオンと酸素が結合して形成される八面体6Aは、PO鎖を構成する2つの連続するPO9A、9Bと、酸素31D、32Dを共有している。また、前記元素Aのイオンと酸素が結合して形成される八面体4Aは、PO鎖を構成する3つの連続するPO9B、9C、9Dのうち、一つおきのPO、すなわち第1番目のPO9Bと第3番目のPO9Dと、酸素32D、33Dを共有している。そして第2番目のPO9Cは図3には示されていない他の第1柱状体と酸素を共有している。 And one oxygen of continuous or every other PO 4 constituting the PO 4 chain shares oxygen with one first columnar body, and PO 4 which does not share oxygen with one first columnar body is adjacent. Shares oxygen with other first columnar bodies. Specifically, as shown in FIG. 3, the octahedron 6A formed by combining the ion of the element M and oxygen is composed of two consecutive PO 49A and 9B constituting the PO 4 chain and oxygen 31D. It shares 32D. Further, the octahedron 4A formed by combining the ions of the element A and oxygen is the every other PO 4 among the three consecutive PO 49B, 9C, and 9D constituting the PO 4 chain, that is, the first PO 4 . It shares oxygen 32D and 33D with the first PO 49B and the third PO 49D. And the second PO 49C shares oxygen with other first columnar bodies not shown in FIG.

そして更に、図3に例示する通り、第1柱状体8と第2柱状体10とが酸素3Dを共有することで、第1柱状体8と第2柱状体10に平行してトンネル状空間11の形成されたトンネル型構造を有し、前記トンネル状空間11内に水分子12が鎖状に存在する。 Further, as illustrated in FIG. 3, the first columnar body 8 and the second columnar body 10 share oxygen 3D, so that the tunnel-shaped space 11 is parallel to the first columnar body 8 and the second columnar body 10. It has a tunnel-shaped structure in which water molecules 12 are formed, and water molecules 12 are present in a chain in the tunnel-shaped space 11.

前記図4は、前記図3の第1柱状体と第2柱状体の長手方向に垂直な断面における一部の構造を示している。図4において、第2柱状体は、一つの第1柱状体を中心軸として約120度間隔に3方向、つまり、三角形の各頂点に位置している。また、第1柱状体は、一つの第2柱状体を中心軸として約120度間隔に3方向、つまり、三角形の各頂点に位置している。そして、図4に例示する通り、第2柱状体8A、第2柱状体8B、第2柱状体8Cの、3つの第2柱状体に囲まれたトンネル状空間11が存在するトンネル型構造を有している。より詳細には、前記トンネル型構造は、3つの前記第1柱状体10A、10Bおよび10Cと、3つの前記第2柱状体8A、8Bおよび8Cが、隣り合う柱状体を構成する酸素を共有することによって形成される。さらに詳細には、図4において、3つの前記第1柱状体で形成される三角形の空間内に、3つの前記第2柱状体、すなわち、3つの前記PO鎖がさらに配列することにより、3つの前記PO鎖によって囲まれたトンネル状空間が形成される。図4は、前記垂直な断面における一部の構造を示したものであって、本実施形態のプロトン伝導型固体電解質は、上記図4で示された構造が紙面上において連続した構造を有している。 FIG. 4 shows a part of the structure in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the first columnar body and the second columnar body of FIG. In FIG. 4, the second columnar body is located at each apex of the triangle in three directions at intervals of about 120 degrees with one first columnar body as the central axis. Further, the first columnar body is located at each apex of the triangle in three directions at intervals of about 120 degrees with one second columnar body as the central axis. Then, as illustrated in FIG. 4, it has a tunnel-type structure in which a tunnel-shaped space 11 surrounded by three second columnar bodies of the second columnar body 8A, the second columnar body 8B, and the second columnar body 8C exists. are doing. More specifically, in the tunnel type structure, the three first columnar bodies 10A, 10B and 10C and the three second columnar bodies 8A, 8B and 8C share oxygen constituting the adjacent columnar bodies. Formed by More specifically, in FIG. 4, the three said second columnar bodies, that is, the three said PO4 chains, are further arranged in the triangular space formed by the three said first columnar bodies. A tunnel-like space surrounded by the two PO4 chains is formed. FIG. 4 shows a part of the structure in the vertical cross section, and the proton conduction type solid electrolyte of the present embodiment has a structure in which the structure shown in FIG. 4 is continuous on the paper surface. ing.

上記構造は、後記する実施例に示す通り、X線回折分析によって同定することができる。本実施形態のプロトン伝導型固体電解質の構造において「トンネル型構造」とは、X線回折分析において得られたX線回折図形をもとに決定される、空間群R3で帰属される結晶構造をいう。なお、組成や構成元素の違いにより、単位格子のサイズが若干変化するため、ピーク位置に若干のズレが観測されうるが、同じ結晶構造、すなわち空間群R3で帰属される結晶構造であれば、類似した回折パターンが観測される。そして、回折パターンのピークが空間群R3で帰属されていれば、本実施形態に係るトンネル型構造といえる。 The above structure can be identified by X-ray diffraction analysis as shown in Examples described later. In the structure of the proton conduction type solid electrolyte of the present embodiment, the "tunnel type structure" refers to a crystal structure attributed to the space group R3, which is determined based on the X-ray diffraction pattern obtained in the X-ray diffraction analysis. say. Since the size of the unit cell changes slightly depending on the composition and constituent elements, a slight deviation can be observed at the peak position, but if the crystal structure is the same, that is, the crystal structure attributed to the space group R3. A similar diffraction pattern is observed. If the peak of the diffraction pattern is assigned by the space group R3, it can be said that the tunnel type structure according to the present embodiment.

本実施形態のプロトン伝導型固体電解質が結晶水を含むことは、後記の図5に示すように熱測定であるTG/DTA測定から確認できる。また、元素Mを欠損させることによるプロトンの導入は、FTIR測定から確認できる。 The fact that the proton-conducting solid electrolyte of the present embodiment contains water of crystallization can be confirmed from the TG / DTA measurement, which is a thermal measurement, as shown in FIG. 5 below. Further, the introduction of protons by deleting the element M can be confirmed from the FTIR measurement.

(プロトン伝導型固体電解質の製造方法)
本実施形態のプロトン伝導型固体電解質の製造方法について説明する。本実施形態のプロトン伝導型固体電解質の製造方法は、前記元素Aを含む化合物と、前記元素Mを含む化合物と、リン酸を含む化合物とを、混合して混合物を得る混合工程と、前記混合物を、250℃以上、800℃以下の温度で焼成する焼成工程とを含む。本実施形態のプロトン伝導型固体電解質は、共沈法、固相法により製造することができる。
(Manufacturing method of proton conduction type solid electrolyte)
The method for producing the proton-conducting solid electrolyte of the present embodiment will be described. The method for producing a proton-conducting solid electrolyte of the present embodiment includes a mixing step of mixing a compound containing the element A, a compound containing the element M, and a compound containing a phosphoric acid to obtain a mixture, and the mixture. Includes a firing step of firing at a temperature of 250 ° C. or higher and 800 ° C. or lower. The proton conduction type solid electrolyte of the present embodiment can be produced by a coprecipitation method or a solid phase method.

以下、各工程について説明する。 Hereinafter, each step will be described.

〔前記元素Aを含む化合物と、前記元素Mを含む化合物と、リン酸を含む化合物とを混合して混合物を得る工程〕
本実施形態のプロトン伝導型固体電解質を構成する、前記元素Aを含む化合物と、前記元素Mを含む化合物と、リン酸を含む化合物を、原料として用意する。これらの化合物の種類は、焼成後に所定の組成が得られる原料であれば問わず、固体であっても液体であってもよい。これらの化合物の固体原料として、例えば、元素A、元素Mそれぞれの、炭酸塩、硝酸塩、アンモニウム塩、リン酸塩等の塩、水酸化物を用いることが好ましい。硫酸塩、ハロゲン化物、炭化物、硫化物は、合成後にSO、ハロゲン元素、C、Sが残存しやすいため好ましくない。固体原料はあらかじめ粉砕されたものであってもよい。これらは水等の溶媒に溶解されていてもよい。リン酸を含む化合物として、リン酸アンモニウムのような固体粉末であってもリン酸水溶液であってもよい。上記原料は、組成式における元素A、元素M、リン酸の各モル比となるよう秤量する。本実施形態によれば、従来技術のような希土類元素等の高価な原料、毒性の強い原料を用いなくとも製造することができる。
[Step of mixing the compound containing the element A, the compound containing the element M, and the compound containing phosphoric acid to obtain a mixture]
A compound containing the element A, a compound containing the element M, and a compound containing phosphoric acid, which constitute the proton conduction type solid electrolyte of the present embodiment, are prepared as raw materials. The type of these compounds may be solid or liquid as long as it is a raw material that can obtain a predetermined composition after firing. As the solid raw material of these compounds, for example, salts such as carbonates, nitrates, ammonium salts and phosphates and hydroxides of each of element A and element M are preferably used. Sulfates, halides, carbides, and sulfides are not preferable because SO 4 , halogen elements, C, and S tend to remain after synthesis. The solid raw material may be pre-ground. These may be dissolved in a solvent such as water. The compound containing phosphoric acid may be a solid powder such as ammonium phosphate or an aqueous solution of phosphoric acid. The raw materials are weighed so as to have the molar ratios of element A, element M, and phosphoric acid in the composition formula. According to this embodiment, it can be produced without using expensive raw materials such as rare earth elements and highly toxic raw materials as in the prior art.

上記原料を混合して混合物を得る。混合するにあたり、溶媒の有無は問わない。容易に混合できる場合には、溶媒なしで混合してもよい。溶媒を用いる場合、該溶媒として、水系またはヘキサン、アセトン等の有機溶媒を用いることができる。有機溶媒を用いた場合、例えば湿式ボールミルで粉砕、混合して焼成することが挙げられる。好ましくは水溶液に上記原料を混合させることによって、上記原料を構成する塩が溶解し、十分に混合させることができる。上記混合では、原料が完全に溶解していてもよいし、一部のみが溶解していてもよい。例えば、水酸化ニッケルを用いた場合には一部のみが溶解する。 The above raw materials are mixed to obtain a mixture. The presence or absence of a solvent does not matter when mixing. If it can be easily mixed, it may be mixed without a solvent. When a solvent is used, an aqueous solvent or an organic solvent such as hexane or acetone can be used as the solvent. When an organic solvent is used, for example, it may be pulverized with a wet ball mill, mixed and fired. Preferably, by mixing the raw material with the aqueous solution, the salts constituting the raw material are dissolved and can be sufficiently mixed. In the above mixing, the raw material may be completely dissolved or only a part thereof may be dissolved. For example, when nickel hydroxide is used, only a part of it is dissolved.

本実施形態において、上記得られた混合物を焼成してもよいが、例えば前記混合物が溶媒を含む場合、混合工程と焼成工程の間に、加熱撹拌工程と乾燥工程を設けてもよい。 In the present embodiment, the obtained mixture may be calcined, but for example, when the mixture contains a solvent, a heating stirring step and a drying step may be provided between the mixing step and the calcining step.

加熱撹拌工程および乾燥工程を行う場合、例えば次の通り実施することができる。加熱撹拌工程では、例えば上記混合物を、好ましくは80℃以上、200℃以下で加熱撹拌して、濃縮された混合物を得ることができる。上記撹拌の方法は特に限定されず、例えば、マグネチックスターラー、メカニカルスターラー、ホモミキサー、ホモジナイザー等を用いた撹拌が挙げられる。撹拌の速度と時間は、製造量等に応じて適宜決定すればよい。上記加熱は、例えばホットスターラー等を用いて行うことができる。 When the heating and stirring step and the drying step are performed, for example, they can be carried out as follows. In the heating and stirring step, for example, the above mixture can be heated and stirred at preferably 80 ° C. or higher and 200 ° C. or lower to obtain a concentrated mixture. The stirring method is not particularly limited, and examples thereof include stirring using a magnetic stirrer, a mechanical stirrer, a homomixer, a homogenizer, and the like. The stirring speed and time may be appropriately determined according to the production amount and the like. The heating can be performed using, for example, a hot stirrer or the like.

前記乾燥工程では、通常の操作で行うことができ、例えば100℃以上で加熱乾燥することができ、大気中100~200℃で行うことができる。乾燥時間は、必要に応じて決定すればよい。前記乾燥工程により、固体ではあるが、非晶質であってトンネル型構造を有しない前駆体を得ることができる。乾燥して得られた前駆体を、必要に応じて粉砕してから成型してもよい。成型方法として、例えば加圧成型が挙げられ、例えば一軸加圧成型、CIP(Cold Isostatic Pressing:冷間等方圧加圧)による成型を行うことができる。 The drying step can be carried out by a normal operation, for example, can be heated and dried at 100 ° C. or higher, and can be carried out at 100 to 200 ° C. in the atmosphere. The drying time may be determined as needed. By the drying step, a precursor which is solid but amorphous and does not have a tunnel-type structure can be obtained. If necessary, the precursor obtained by drying may be pulverized and then molded. Examples of the molding method include pressure molding, and for example, uniaxial pressure molding and molding by CIP (Cold Isostatic Pressing: cold isotropic pressing) can be performed.

前記前駆体は、前記乾燥工程の代わりに、前記混合物を、例えば100~230℃で仮焼成を行っても得ることができる。仮焼成を行う場合、混合物を仮焼成して粉末を得た後、成型し、本焼成として下記の焼成を行えばよい。 The precursor can also be obtained by calcining the mixture at, for example, 100 to 230 ° C. instead of the drying step. In the case of tentative firing, the mixture may be tentatively fired to obtain a powder, then molded, and the following firing may be performed as the main firing.

〔前駆体を250℃以上、800℃以下の温度で焼成する焼成工程〕
前記前駆体を250℃以上、800℃以下の温度で焼成する。250℃以上の結晶化温度で焼成することによって、トンネル型構造を有する本実施形態のプロトン伝導型固体電解質が得られる。前記焼成温度を高めとすることによって、固体電解質の緻密化を十分図ることができる。その観点から、焼成温度は、より好ましくは280℃以上、更に好ましくは300℃以上とする。一方、例えば固体電解質内の結晶水を十分確保する観点からは、焼成温度は、好ましくは600℃以下、より好ましくは400℃以下である。
[Baking step of firing the precursor at a temperature of 250 ° C or higher and 800 ° C or lower]
The precursor is calcined at a temperature of 250 ° C. or higher and 800 ° C. or lower. By firing at a crystallization temperature of 250 ° C. or higher, the proton conduction type solid electrolyte of the present embodiment having a tunnel type structure can be obtained. By raising the firing temperature, the solid electrolyte can be sufficiently densified. From this point of view, the firing temperature is more preferably 280 ° C. or higher, still more preferably 300 ° C. or higher. On the other hand, for example, from the viewpoint of sufficiently securing water of crystallization in the solid electrolyte, the firing temperature is preferably 600 ° C. or lower, more preferably 400 ° C. or lower.

(プロトン伝導型燃料電池)
本実施形態のプロトン伝導型燃料電池は、固体電解質として、本実施形態のプロトン伝導型固体電解質を用いる以外は、従来の構成を採用することができる。例えば、上記固体電解質の形状として、例えば層としたときの厚さ、電気化学セルを構成する酸素極、水素極の材質、厚さ、これら酸素極と水素極の製造方法は、公知の方法を採用することができる。
(Proton conduction fuel cell)
The proton conduction type fuel cell of the present embodiment can adopt the conventional configuration except that the proton conduction type solid electrolyte of the present embodiment is used as the solid electrolyte. For example, as the shape of the solid electrolyte, for example, the thickness when formed into a layer, the oxygen electrode constituting the electrochemical cell, the material and thickness of the hydrogen electrode, and the method for producing these oxygen electrode and hydrogen electrode are known methods. Can be adopted.

本実施形態のプロトン伝導型固体電解質によれば、約300℃付近での構造の変化が抑止され、室温から約300℃以上の高温度までの広い温度域で、高プロトン導電率を発現できる。プロトン伝導型固体電解質を構成する元素によっては、室温から約520℃の温度域まで作動させることができる。すなわち、本実施形態のプロトン伝導型固体電解質を備えたプロトン伝導型燃料電池は、従来のプロトン伝導型燃料電池と比較して、高プロトン導電率を発現する温度域が広い。燃料電池の発電温度として切望されていた100~500℃の温度域での作動を実現できる。更に、加湿をせずに高プロトン導電性を発現するので、燃料電池システムの開発の際に、大規模な加湿装置を必須としない。更に、貴金属や希土類のような高価な元素を含まず、また毒性の高い原料を用いずに、安価な原料で製造することができる。更には1000℃未満の低温で製造可能であるため、製造コストを抑えることもできる。 According to the proton-conducting solid electrolyte of the present embodiment, structural changes at around 300 ° C. are suppressed, and high proton conductivity can be exhibited in a wide temperature range from room temperature to a high temperature of about 300 ° C. or higher. Depending on the elements constituting the proton conduction type solid electrolyte, it can be operated from room temperature to a temperature range of about 520 ° C. That is, the proton conduction type fuel cell provided with the proton conduction type solid electrolyte of the present embodiment has a wide temperature range in which high proton conductivity is exhibited as compared with the conventional proton conduction type fuel cell. It is possible to realize operation in the temperature range of 100 to 500 ° C., which has been coveted as the power generation temperature of the fuel cell. Furthermore, since it exhibits high proton conductivity without humidification, a large-scale humidifier is not essential when developing a fuel cell system. Further, it does not contain expensive elements such as precious metals and rare earths, and can be produced with inexpensive raw materials without using highly toxic raw materials. Furthermore, since it can be manufactured at a low temperature of less than 1000 ° C., the manufacturing cost can be suppressed.

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前述および後述する趣旨に合致し得る範囲で、適宜変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. The present invention is not limited by the following examples, and can be carried out with appropriate modifications to the extent that it can meet the above-mentioned and later-described intent, and both of them are the technical scope of the present invention. Included in.

〔試料の製造〕
まず、下記製造例1~6に示す通り、種々の試料を製造した。
(製造例1)
試料1:KNi1-x2x(PO・yHO(x=0~0.18)の製造
炭酸カリウムと水酸化ニッケルを所定のモル比になるように秤量し、0.5molL-1リン酸水溶液30mLに溶解し、120℃で加熱撹拌した。次いで、前記加熱撹拌により得られた濃縮溶液(約5mL)を、テフロン(登録商標)シートを置いた時計皿に移し、乾燥機にて120℃で24時間乾燥した。得られた前駆体を粉砕混合し、その粉末を直径1cmで厚み1mm程度の円柱型に成型し、400℃で6~12時間焼成して、試料1を得た。
[Production of sample]
First, various samples were produced as shown in Production Examples 1 to 6 below.
(Manufacturing Example 1)
Sample 1: Production of KNi 1-x H 2x (PO 3 ) 3 · yH 2 O (x = 0 to 0.18) Potassium carbonate and nickel hydroxide are weighed to a predetermined molar ratio and 0.5 molL. It was dissolved in 30 mL of a -1 phosphoric acid aqueous solution, and heated and stirred at 120 ° C. Then, the concentrated solution (about 5 mL) obtained by heating and stirring was transferred to a watch glass on which a Teflon (registered trademark) sheet was placed, and dried in a dryer at 120 ° C. for 24 hours. The obtained precursor was pulverized and mixed, and the powder was molded into a cylindrical shape having a diameter of 1 cm and a thickness of about 1 mm and calcined at 400 ° C. for 6 to 12 hours to obtain Sample 1.

(製造例2)
試料2:KZn1-x2x(PO・yHO(x=0~0.20)の製造
炭酸カリウムと硝酸亜鉛六水和物を所定のモル比になるように秤量し、0.5molL-1リン酸水溶液30mLに溶解し、200℃で加熱撹拌した。次いで、前記加熱撹拌により得られた濃縮溶液(約5mL)を、テフロン(登録商標)シートを置いた時計皿に移し、乾燥機にて200℃で24時間乾燥した。得られた前駆体を粉砕混合し、その粉末を直径1cmで厚み1mm程度の円柱型に成型し、330℃で12時間焼成し、試料2を得た。
(Manufacturing Example 2)
Sample 2: Production of KZn 1-x H 2x (PO 3 ) 3.yH 2 O (x = 0 to 0.20) Potassium carbonate and zinc nitrate hexahydrate were weighed to a predetermined molar ratio. It was dissolved in 30 mL of a 0.5 molL-1 phosphoric acid aqueous solution, and heated and stirred at 200 ° C. Then, the concentrated solution (about 5 mL) obtained by heating and stirring was transferred to a watch glass on which a Teflon (registered trademark) sheet was placed, and dried in a dryer at 200 ° C. for 24 hours. The obtained precursor was pulverized and mixed, and the powder was molded into a cylindrical shape having a diameter of 1 cm and a thickness of about 1 mm and calcined at 330 ° C. for 12 hours to obtain Sample 2.

(製造例3)
試料3:KCo1-x2x(PO・yHO(x=0~0.20)の製造
炭酸カリウムと硝酸コバルト六水和物を所定のモル比になるように秤量し、0.5molL-1リン酸水溶液30mLに溶解し、120℃で加熱撹拌した。次いで、前記加熱撹拌により得られた濃縮溶液(約5mL)を、テフロン(登録商標)シートを置いた時計皿に移し、乾燥機にて200℃で24時間乾燥した。得られた前駆体を粉砕混合し、その粉末を直径1cmで厚み1mm程度の円柱型に成型し、250~270℃で12時間焼成し、試料3を得た。
(Manufacturing Example 3)
Sample 3: Production of KCo 1-x H 2x (PO 3 ) 3 · yH 2 O (x = 0 to 0.20) Potassium carbonate and cobalt nitrate hexahydrate were weighed to a predetermined molar ratio. It was dissolved in 30 mL of a 0.5 molL-1 phosphoric acid aqueous solution, and heated and stirred at 120 ° C. Then, the concentrated solution (about 5 mL) obtained by heating and stirring was transferred to a watch glass on which a Teflon (registered trademark) sheet was placed, and dried in a dryer at 200 ° C. for 24 hours. The obtained precursor was pulverized and mixed, and the powder was molded into a cylindrical shape having a diameter of 1 cm and a thickness of about 1 mm and calcined at 250 to 270 ° C. for 12 hours to obtain Sample 3.

(製造例4)
試料4:K(Ni0.82-zZn)H2x(PO・yHO(z=0.01,0.42)の製造
炭酸カリウム、水酸化ニッケル、および硝酸亜鉛六水和物を所定のモル比になるように秤量し、0.5molL-1リン酸水溶液30mLに溶解し、120℃で加熱撹拌した。次いで、前記加熱撹拌により得られた濃縮溶液(約5mL)を、テフロン(登録商標)シートを置いた時計皿に移し、乾燥機にて120℃で24時間乾燥した。得られた前駆体を粉砕混合し、その粉末を直径1cmで厚み1mm程度の円柱型に成型し、370~400℃で6-12時間焼成し、試料4を得た。
(Manufacturing Example 4)
Sample 4: Production of K (Ni 0.82-z Zn z ) H 2x (PO 3 ) 3 · yH 2 O (z = 0.01, 0.42) Potassium carbonate, nickel hydroxide, and zinc nitrate hexahydrate The Japanese product was weighed to a predetermined molar ratio, dissolved in 30 mL of a 0.5 molL-1 phosphoric acid aqueous solution, and heated and stirred at 120 ° C. Then, the concentrated solution (about 5 mL) obtained by heating and stirring was transferred to a watch glass on which a Teflon (registered trademark) sheet was placed, and dried in a dryer at 120 ° C. for 24 hours. The obtained precursor was pulverized and mixed, and the powder was molded into a cylindrical shape having a diameter of 1 cm and a thickness of about 1 mm and calcined at 370 to 400 ° C. for 6-12 hours to obtain Sample 4.

(製造例5)
試料5:(Rb0.50.5)Mg0.90.2(PO・yHOの製造
炭酸カリウム、炭酸ルビジウムおよび水酸化ニッケルを所定のモル比になるように秤量し、0.5molL-1リン酸水溶液30mLに溶解し、120℃で加熱撹拌した。次いで、前記加熱撹拌により得られた濃縮溶液(約5mL)を、テフロン(登録商標)シートを置いた時計皿に移し、乾燥機にて120℃で24時間乾燥した。得られた前駆体を粉砕混合し、その粉末を直径1cmで厚み1mm程度の円柱型に成型し、270℃で15時間焼成し、試料5を得た。
(Manufacturing Example 5)
Sample 5: (Rb 0.5 K 0.5 ) Mg 0.9 H 0.2 (PO 3 ) Production of 3 · yH 2 O Potassium carbonate, rubidium carbonate and nickel hydroxide so as to have a predetermined molar ratio. Weighed, dissolved in 30 mL of 0.5 molL-1 phosphoric acid aqueous solution, heated and stirred at 120 ° C. Then, the concentrated solution (about 5 mL) obtained by heating and stirring was transferred to a watch glass on which a Teflon (registered trademark) sheet was placed, and dried in a dryer at 120 ° C. for 24 hours. The obtained precursor was pulverized and mixed, and the powder was molded into a cylindrical shape having a diameter of 1 cm and a thickness of about 1 mm and calcined at 270 ° C. for 15 hours to obtain Sample 5.

(製造例6)
試料6:RbNi0.950.10(PO・yHOの製造
炭酸ルビジウムと水酸化ニッケルを所定のモル比になるように秤量し、0.5molL-1リン酸水溶液30mLに溶解し、120℃で加熱撹拌した。次いで、前記加熱撹拌により得られた濃縮溶液(約5mL)を、テフロン(登録商標)シートを置いた時計皿に移し、乾燥機にて120℃で24時間乾燥した。得られた前駆体を粉砕混合し、その粉末を直径1cmで厚み1mm程度の円柱型に成型し、270℃で12時間焼成し、試料6を得た。
(Manufacturing Example 6)
Sample 6: RbNi 0.95 H 0.10 (PO 3 ) 3 · Production of yH 2 O Rubidium carbonate and nickel hydroxide are weighed to a predetermined molar ratio and made into 30 mL of 0.5 mol L-1 phosphoric acid aqueous solution. It was dissolved and heated and stirred at 120 ° C. Then, the concentrated solution (about 5 mL) obtained by heating and stirring was transferred to a watch glass on which a Teflon (registered trademark) sheet was placed, and dried in a dryer at 120 ° C. for 24 hours. The obtained precursor was pulverized and mixed, and the powder was molded into a cylindrical shape having a diameter of 1 cm and a thickness of about 1 mm and calcined at 270 ° C. for 12 hours to obtain Sample 6.

〔試料の測定手段〕
得られた上記試料を用いて、X線回折分析、プロトン導電率等の測定を行った。前記プロトン導電率の測定では、上記試料をそのまま用いた。前記X線回折分析では、上記試料を粉砕して得られた、粒径がおおよそ0.5~20μmの範囲の粉末を用いた。
(粉末X線回折)
上記試料の構造は、下記の条件で粉末X線回折を行って確認した。
・使用装置:株式会社リガク製 Rint2000
・測定条件
光源:Cu管球
特性X線:CuKα=1.54Å
測定範囲:15度-60度
ステップ幅:0.02/度
[Sample measuring means]
Using the obtained sample, X-ray diffraction analysis, proton conductivity and the like were measured. In the measurement of the proton conductivity, the above sample was used as it was. In the X-ray diffraction analysis, a powder having a particle size in the range of about 0.5 to 20 μm, which was obtained by pulverizing the sample, was used.
(Powder X-ray diffraction)
The structure of the sample was confirmed by powder X-ray diffraction under the following conditions.
・ Equipment used: Rigaku Co., Ltd. Rint2000
・ Measurement conditions Light source: Cu tube Characteristic X-ray: CuKα = 1.54 Å
Measurement range: 15 degrees -60 degrees Step width: 0.02 / degree

(プロトン導電率の測定)
上記試料のプロトン導電率は、日置電機株式会社のLCR meter(品番IM3536)を用いて、Nガス気流中で、交流インピーダンス法により測定した。なお、上記プロトン導電率測定時の雰囲気は、不活性雰囲気であればよく、上記Nガス気流中である他、Arガス気流中であってもよい。
(Measurement of proton conductivity)
The proton conductivity of the above sample was measured by the AC impedance method in an N2 gas stream using an LCR meter (product number IM3536) manufactured by Hioki Electric Co., Ltd. The atmosphere at the time of measuring the proton conductivity may be an inert atmosphere, and may be in the N2 gas airflow or in the Ar gas airflow.

(その他の測定)
本実施形態のプロトン伝導型固体電解質が、元素Mの欠損によりプロトンの導入されたものであることは、製造例1(KNi1-x2x(PO・yHO、x=0.18)の試料を用い、株式会社島津製作所製 フーリエ変換赤外分光光度計(IRAffinity-1S)を用いてFTIR測定を行って確認した。
(Other measurements)
The fact that the proton-conducting solid electrolyte of the present embodiment has a proton introduced due to a deficiency of the element M is that Production Example 1 (KNi 1-x H 2x (PO 3 ) 3 · yH 2 O, x = 0. Using the sample of .18), FTIR measurement was performed using a Fourier transform infrared spectrophotometer (IRAffinity-1S) manufactured by Shimadzu Corporation.

また、本実施形態のプロトン伝導型固体電解質が結晶水を含み、y値が1.0であったことは、製造例1(KNi1-x2x(PO・yHO、x=0.10)の試料を用いて、熱測定であるTG/DTA測定を、エスアイアイナノテクノロジー株式会社製 示差熱熱重量同時測定装置(TG/DTA)6300を用いて確認した。その結果を図5に示す。図5は、Nガス気流中で10℃/minの昇温速度で測定したTG/DTA曲線である。 Further, the fact that the proton conduction type solid electrolyte of the present embodiment contained crystalline water and the y value was 1.0 indicates that Production Example 1 (KNi 1-x H 2x (PO 3 ) 3 · yH 2 O, x Using the sample of = 0.10), TG / DTA measurement, which is a thermal measurement, was confirmed using a differential thermal thermal weight simultaneous measurement device (TG / DTA) 6300 manufactured by SI Nanotechnology Co., Ltd. The results are shown in FIG. FIG. 5 is a TG / DTA curve measured at a heating rate of 10 ° C./min in an N2 gas stream.

〔試料の評価〕
(評価1:種々の試料の構造)
組成式AM1-x2x(PO・yHOの元素Aと元素Mが種々の試料について、粉末X線回折を行った結果を図6に示す。図6から、本実施形態に係る試料は、いずれも、空間群R3で帰属される反射(ピーク)が観測され、トンネル型構造が形成されていることを確認した。
[Sample evaluation]
(Evaluation 1: Structure of various samples)
Composition formula AM 1-x H 2x (PO 3 ) 3. The results of powder X-ray diffraction of various samples of element A and element M of yH 2 O are shown in FIG. From FIG. 6, it was confirmed that the reflections (peaks) attributed to the space group R3 were observed in all the samples according to the present embodiment, and that a tunnel-type structure was formed.

(評価2:x値の変更)
組成式KNi1-x2x(PO・yHO、KZn1-x2x(PO・yHOのそれぞれについて、xの値が種々の試料について、粉末X線回折を行った結果を図7、図8に示す。図7のx=0~0.18の全ての試料、図8のx=0~0.20の全ての試料において、いずれも、空間群R3で帰属される反射(ピーク)のみが観測され、トンネル型構造の単一相(不純物の無い試料)が得られた。但し、x=0の物質は、前述のとおりプロトン導電性に劣るため好ましくない。
(Evaluation 2: Change of x value)
Composition formula For each of KNi 1-x H 2x (PO 3 ) 3 · yH 2 O and KZn 1-x H 2x (PO 3 ) 3 · yH 2 O, powder X-ray diffraction for samples with various x values. The results of the above are shown in FIGS. 7 and 8. In all the samples of x = 0 to 0.18 in FIG. 7 and all the samples of x = 0 to 0.20 in FIG. 8, only the reflection (peak) attributed to the space group R3 was observed. A single phase (sample without impurities) with a tunnel-type structure was obtained. However, the substance with x = 0 is not preferable because it is inferior in proton conductivity as described above.

更に、組成式KNi1-x2x(PO・yHOについて、x=0.10、0.15および0.18の場合の導電率を測定した結果を図9に示す。上記図9から、xの値が増加するほどプロトン導電率が高まることがわかる。このことについて次のように考えられる。すなわち、Ni2+の一部を欠損させた際に、試料中に2つのHが導入されることで、試料の電気的な中性(プラスマイナスのバランス)が保たれる。上記欠損の量を増やすことによって、試料中のプロトン量が多くなり、プロトン導電率の向上が見込まれると考えられる。 Further, FIG. 9 shows the results of measuring the conductivity of the composition formula KNi 1-x H 2x (PO 3 ) 3 · yH 2 O when x = 0.10, 0.15 and 0.18. From FIG. 9, it can be seen that the proton conductivity increases as the value of x increases. This can be considered as follows. That is, when a part of Ni 2+ is deleted, two H + are introduced into the sample, so that the electrical neutrality (plus or minus balance) of the sample is maintained. By increasing the amount of the above defects, the amount of protons in the sample is increased, and it is considered that the proton conductivity is expected to be improved.

(評価3:高温での構造)
製造時の焼成温度を変化させて、高温時の構造を確認した。詳細には、製造例1において焼成温度400℃で焼成して得られた試料であるKNi1-x2x(PO・yHO(x=0.18)と、焼成温度を500℃とした以外は、製造例1と同様にして得られたKNi1-x2x(PO・yHO(x=0.18)の、粉末X線回折分析を行った。その結果を図10に示す。
(Evaluation 3: Structure at high temperature)
The structure at high temperature was confirmed by changing the firing temperature at the time of manufacture. Specifically, KNi 1-x H 2x (PO 3 ) 3 · yH 2 O (x = 0.18), which is a sample obtained by firing at a firing temperature of 400 ° C. in Production Example 1, and a firing temperature of 500. Powder X-ray diffraction analysis was performed on KNi 1-x H 2x (PO 3 ) 3 · yH 2 O (x = 0.18) obtained in the same manner as in Production Example 1 except that the temperature was set to ° C. The results are shown in FIG.

図10から、500℃で焼成して得られた試料においても、空間群R3で帰属される反射(ピーク)が観測され、トンネル型構造であることが確認され、Benitoite型構造の回折図形は確認されなかった。上記焼成温度は、トンネル型構造を維持することの可能な温度とみなすことができる。このことから、従来のKMg1-x2x(PO・yHOでは高温で観測された相転移が、本実施形態に係るプロトン伝導型固体電解質では抑止されていると考えられる。 From FIG. 10, even in the sample obtained by firing at 500 ° C., the reflection (peak) attributed to the space group R3 was observed, it was confirmed that it had a tunnel type structure, and the diffraction pattern of the Benitoite type structure was confirmed. Was not done. The firing temperature can be regarded as a temperature at which the tunnel type structure can be maintained. From this, it is considered that the phase transition observed at high temperature in the conventional KMg 1-x H 2x (PO 3 ) 3 · yH 2 O is suppressed in the proton conduction type solid electrolyte according to the present embodiment.

(評価4:プロトン導電率の温度依存性について)
種々の試料を用い、室温から500℃を超える温度域でのプロトン導電率を上記の通り測定した結果を図11に示す。図11の横軸は導電率測定時の温度を示す。図11から、本実施形態に係る試料として、元素AがKで元素MがNiの組み合わせ、元素AがKで元素MがNiとZnの組み合わせは、室温から上限が300℃以上の高温度までの広い温度域で、高プロトン導電率を発現した。特に元素AがKで元素MがNiの組み合わせは、室温から上限が520℃を超えるより広い温度域で、高プロトン導電率を発現した。また、前記図11から、元素MとしてNiの一部をZnで置換した試料よりも、元素MがNi単独である試料の方がプロトン導電率は高くなった。これは、Niの一部をZnで置換することにより、粒界抵抗が増大したことが導電率低下の原因として考えられる。
(Evaluation 4: Temperature dependence of proton conductivity)
FIG. 11 shows the results of measuring the proton conductivity in the temperature range from room temperature to over 500 ° C. using various samples as described above. The horizontal axis of FIG. 11 shows the temperature at the time of conductivity measurement. From FIG. 11, as a sample according to the present embodiment, the combination of element A being K and element M being Ni, and the combination of element A being K and element M being Ni and Zn are from room temperature to a high temperature of 300 ° C. or higher. High proton conductivity was developed in a wide temperature range. In particular, the combination of the element A as K and the element M as Ni exhibited high proton conductivity in a wider temperature range from room temperature to an upper limit exceeding 520 ° C. Further, from FIG. 11, the proton conductivity of the sample in which the element M is Ni alone is higher than that in the sample in which a part of Ni as the element M is replaced with Zn. It is considered that this is because the grain boundary resistance is increased by substituting a part of Ni with Zn, which is the cause of the decrease in conductivity.

本実施形態に係るプロトン伝導型固体電解質は、例えばプロトン伝導型燃料電池として好ましく使用され得る。本実施形態に係るプロトン伝導型固体電解質は、作動温度域が従来のプロトン伝導型固体電解質よりも広いため、該プロトン伝導型燃料電池に適用されたときに、発電温度域の選択性の拡大と材料および製造コストの低減を実現できる。 The proton conduction type solid electrolyte according to the present embodiment can be preferably used as, for example, a proton conduction type fuel cell. Since the proton conduction type solid electrolyte according to the present embodiment has a wider operating temperature range than the conventional proton conduction type solid electrolyte, when applied to the proton conduction type fuel cell, the selectivity of the power generation temperature range is expanded. Material and manufacturing costs can be reduced.

1 プロトン伝導型固体電解質
2 元素A
3A、3B、3C、3D、31D、32D、33D 酸素(原子)
4、4A 元素Aのイオンと酸素が結合して形成される八面体
5 元素M
6、6A 元素Mのイオンと酸素が結合して形成される八面体
7 元素Aのイオンと酸素が結合して形成される八面体と元素Mのイオンと酸素が結合して形成される八面体の重複する一辺
8、8A、8B、8C 第1柱状体
9、9A、9B、9C、9D PO
10、10A、10B、10C 第2柱状体
11 トンネル状空間
12 水分子
1 Proton conduction type solid electrolyte 2 Element A
3A, 3B, 3C, 3D, 31D, 32D, 33D Oxygen (atom)
4, 4A Octahedron formed by combining the ions of element A and oxygen 5 element M
6, 6A Eighthedron formed by combining the ions of element M and oxygen 7 The octahedron formed by combining the ions of element A and oxygen and the octahedron formed by combining the ions of element M and oxygen Overlapping sides of 8, 8A, 8B, 8C 1st columnar body 9, 9A, 9B, 9C, 9D PO 4
10, 10A, 10B, 10C 2nd columnar body 11 Tunnel-like space 12 Water molecules

Claims (5)

組成式AM1-x2x(PO・yHOで表され、
前記元素Aが、KまたはRbであり、前記元素Mが、Ni、Zn、CoおよびFeよりなる群から選択される1以上の元素、または、Ni、Zn、CoおよびFeよりなる群から選択される1以上の元素およびMgである組み合わせ、または、
前記元素Aが、KおよびRbであり、前記元素Mが、Ni、Zn、Co、FeおよびMgよりなる群から選択される1以上の元素の組み合わせであり、
前記xは、0.05以上、0.30以下の範囲内にあり、
前記yは、0.3以上、3.0以下の範囲内にあり、
前記元素Aのイオンと酸素が結合して形成される八面体と、前記元素Mのイオンと酸素が結合して形成される八面体とが、交互に、互いの八面体の酸素を共有して形成された、第1柱状体が複数平行して存在し、
複数のPOが酸素を共有して鎖状に連結したPO鎖にてなる、第1柱状体に平行な長手方向を有する、第2柱状体が複数平行して存在し、
3つの第2柱状体に囲まれたトンネル状空間が存在するトンネル型構造を有し、
前記トンネル状空間内にH又はHを有する、プロトン伝導型固体電解質。
The composition formula is expressed by AM 1-x H 2x (PO 3 ) 3 · yH 2 O.
The element A is K or Rb, and the element M is selected from one or more elements selected from the group consisting of Ni, Zn, Co and Fe, or the group consisting of Ni, Zn, Co and Fe. A combination of one or more elements and Mg, or
The element A is K and Rb, and the element M is a combination of one or more elements selected from the group consisting of Ni, Zn, Co, Fe and Mg.
The x is in the range of 0.05 or more and 0.30 or less.
The y is in the range of 0.3 or more and 3.0 or less.
The octahedron formed by combining the ion of the element A and oxygen and the octahedron formed by combining the ion and oxygen of the element M alternately share the oxygen of each other's octahedron. A plurality of formed first columnar bodies exist in parallel,
A plurality of second columnar bodies having a longitudinal direction parallel to the first columnar body, which are composed of PO 4 chains in which a plurality of PO 4s share oxygen and are connected in a chain, are present in parallel.
It has a tunnel-type structure in which a tunnel-like space surrounded by three second columnar bodies exists.
A proton-conducting solid electrolyte having H 3 O + or H + in the tunnel-like space.
前記元素Aが、KまたはRbであり、前記元素Mが、Ni、ZnおよびCoよりなる群から選択される1以上の元素の組み合わせであるか、
前記元素Aが、KおよびRbであり、前記元素MがMgである、請求項1に記載のプロトン伝導型固体電解質。
Whether the element A is K or Rb and the element M is a combination of one or more elements selected from the group consisting of Ni, Zn and Co.
The proton conduction type solid electrolyte according to claim 1, wherein the element A is K and Rb, and the element M is Mg.
前記元素AがKであり、前記元素MがNiである、請求項1に記載のプロトン伝導型固体電解質。 The proton conduction type solid electrolyte according to claim 1, wherein the element A is K and the element M is Ni. 請求項1~3のいずれかに記載のプロトン伝導型固体電解質を製造する方法であって、
前記元素Aを含む化合物と、前記元素Mを含む化合物と、リン酸を含む化合物とを、混合して混合物を得る混合工程と、
前記混合物を、250℃以上、800℃以下の温度で焼成する焼成工程とを含む、プロトン伝導型固体電解質の製造方法。
The method for producing a proton-conducting solid electrolyte according to any one of claims 1 to 3.
A mixing step of mixing the compound containing the element A, the compound containing the element M, and the compound containing phosphoric acid to obtain a mixture.
A method for producing a proton-conducting solid electrolyte, which comprises a firing step of firing the mixture at a temperature of 250 ° C. or higher and 800 ° C. or lower.
請求項1~3のいずれかに記載のプロトン伝導型固体電解質を電解質に用いたプロトン伝導型燃料電池。 A proton conduction type fuel cell using the proton conduction type solid electrolyte according to any one of claims 1 to 3 as an electrolyte.
JP2020188188A 2020-11-11 2020-11-11 Proton conductive solid electrolyte, its manufacturing method, and proton conductive fuel cell Pending JP2022077365A (en)

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