JP2023022333A - Solid electrolyte, laminate, and fuel cell - Google Patents

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Abstract

To provide a solid electrolyte capable of exhibiting excellent proton conductivity and chemical stability in an intermediate-temperature range.SOLUTION: One aspect of the present disclosure provides a solid electrolyte that contains barium zirconate with scandium added, represented by a general formula: BaZr1-xScxO3-δHy, where x is greater than 0.20 and less than 0.65, y is 0.7x to x, and δ is 0 to 0.15x.SELECTED DRAWING: None

Description

本開示は、固体電解質、積層体及び燃料電池に関する。 The present disclosure relates to solid electrolytes, laminates and fuel cells.

燃料電池は電解質の種類に応じて、アルカリ電解質型燃料電池、リン酸塩型燃料電池、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池などが知られている。固体高分子型燃料電池は、取扱性の高さや動作温度が低いことなどから家庭用などに適しているものの、触媒に白金等の貴金属、ニッケル超合金等の高価な材料を使用する必要がある。固体酸化物型燃料電池は、白金等の触媒を使用せず、低コスト化が可能であり、発電効率も高いことから特に注目されている。 Alkaline electrolyte fuel cells, phosphate fuel cells, solid polymer fuel cells, solid oxide fuel cells, and the like are known as fuel cells, depending on the type of electrolyte. Polymer electrolyte fuel cells are suitable for home use due to their ease of handling and low operating temperature, but they require the use of expensive materials such as platinum and nickel superalloys as catalysts. . Solid oxide fuel cells are attracting particular attention because they do not use a catalyst such as platinum, can be manufactured at low cost, and have high power generation efficiency.

固体酸化物型燃料電池は動作温度が700~1000℃と高温であり、動作させるために予備加熱が必要であること、燃料電池の構成材料に耐久性が求められるなどといった問題がある。そこで、動作温度の低温化を目的として、電解質として、プロトン伝導性酸化物としてペロブスカイト構造を有する酸化物を用いる検討がなされている。近年、比較的低い温度域においてプロトン伝導度を発揮することができ、かつ化学的安定性にも優れる材料として、ジルコン酸バリウムを用いた検討がなされている。 Solid oxide fuel cells operate at a high temperature of 700 to 1000° C., and thus have problems such as the need for preheating for operation and the requirement for durability of constituent materials of the fuel cell. Therefore, for the purpose of lowering the operating temperature, studies have been made on using an oxide having a perovskite structure as an electrolyte as a proton-conducting oxide. In recent years, barium zirconate has been studied as a material that can exhibit proton conductivity in a relatively low temperature range and has excellent chemical stability.

特許文献1には、イットリウム添加ジルコン酸バリウムから形成される固体電解質積層体が開示されている。また、特許文献2には、ランタンストロンチウムコバルト複合酸化物、ランタンストロンチウムコバルト鉄複合酸化物、およびランタンストロンチウム鉄複合酸化物からなる群より選ばれる少なくとも1種類の化合物、または該化合物および電解質材料の複合体からなる電極と、組成式がBaZr1-xLu3-δ(0<x<1)で表される第1の固体電解質膜と、を備え、前記電極と前記第1の固体電解質膜とが接している膜電極接合体が開示されている。そして、同文献には、組成式がBaZr1-x1 x13-δ(Mは、La、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Y、Sc、Mn、Fe、Co、Ni、Al、Ga、およびInからなる群より選ばれる少なくとも1種類の元素、0<x1<1)で表される第2の固体電解質膜をさらに備える形態も開示されている。 Patent Literature 1 discloses a solid electrolyte laminate formed from yttrium-doped barium zirconate. Further, in Patent Document 2, at least one compound selected from the group consisting of lanthanum strontium cobalt composite oxide, lanthanum strontium cobalt iron composite oxide, and lanthanum strontium iron composite oxide, or a composite of the compound and an electrolyte material and a first solid electrolyte membrane having a composition formula of BaZr 1-x Lu x O 3-δ (0<x<1), wherein the electrode and the first solid electrolyte A membrane-electrode assembly in contact with a membrane is disclosed. In the literature, the composition formula is BaZr 1-x1 M 1 x1 O 3-δ (M 1 is La, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, a second solid electrolyte membrane represented by at least one element selected from the group consisting of Yb, Y, Sc, Mn, Fe, Co, Ni, Al, Ga, and In, 0<x1<1); A form of provision is also disclosed.

特開2013-206703号公報JP 2013-206703 A 特開2018-085329号公報JP 2018-085329 A

本開示は、中温度域において、優れたプロトン伝導度及び化学的安定性を発揮し得る固体電解質を提供することを目的とする。本開示はまた、上述のような固体電解質を備える積層体を提供することを目的とする。本開示はまた、中温度域での動作に優れる燃料電池を提供することを目的とする。 An object of the present disclosure is to provide a solid electrolyte that can exhibit excellent proton conductivity and chemical stability in a medium temperature range. Another object of the present disclosure is to provide a laminate comprising the solid electrolyte as described above. Another object of the present disclosure is to provide a fuel cell that is excellent in operation in a medium temperature range.

本開示の一側面は、一般式:BaZr1-xSc3-δで表され、xが0.20超0.65未満であり、yが0.7x~xであり、δが0~0.15xであるスカンジウム添加ジルコン酸バリウムを含む、固体電解質を提供する。 One aspect of the present disclosure is represented by the general formula: BaZr 1-x Sc x O 3-δ H y , where x is greater than 0.20 and less than 0.65, y is between 0.7x and x, and δ A solid electrolyte is provided comprising scandium-doped barium zirconate having a .

上記固体電解質は、スカンジウム(Sc)によるジルコニウム(Zr)の置換率が高く、所定量のプロトンを含有することから、中温度域において、優れたプロトン伝導度及び化学的安定性を発揮し得る。 The solid electrolyte has a high substitution rate of zirconium (Zr) with scandium (Sc) and contains a predetermined amount of protons, so that it can exhibit excellent proton conductivity and chemical stability in a medium temperature range.

ジルコン酸バリウムのジルコニウムをスカンジウム、イットリウム(Y)、ランタノイド等の3価の元素(以下、ドーパントともいう)で置き換えた酸化物が知られている。これらの酸化物におけるジルコニウムの置換率は、ドーパントを均等に分散配合等するために20at%(上記一般式におけるxが0.20)程度とされている。プロトン伝導度は、プロトン濃度とプロトン移動度との積で表され、一般的に両者の向上がプロトン伝導度向上には必要である。そして、プロトン濃度は、ジルコン酸バリウム中においてジルコニウムと置換された3価のドーパントの濃度に比例して増加することが知られている。このため、スカンジウムによるジルコニウムの置換率を高めることによって、プロトン濃度を高めることができると考えられる。しかし、ドーパントによるジルコニウムの置換率を高めると、プロトンが会合体(ドーパント元素とプロトンとの会合体)を形成するサイトを増加させることとなるため、一般的には、プロトンの拡散性の著しい低下、ひいてはプロトン移動度の著しい低下を招くといわれている。上述の理由によって、プロトン伝導度が最も高いイットリウム添加ジルコン酸バリウムにおいても、ドーパントによるジルコニウムの置換率は0.2付近がプロトン伝導度に優れるとされている。また、イットリウム及びランタノイドに比べ、スカンジウムは電気陰性度が大きく、プロトンを引き寄せる静電エネルギーが大きい。このため、スカンジウムをドーパントとする場合、プロトン伝導度を低下させるため、プロトン伝導性固体酸化物を得るためのドーパントとしては不適と考えられている。 Oxides obtained by replacing zirconium in barium zirconate with trivalent elements (hereinafter also referred to as dopants) such as scandium, yttrium (Y), and lanthanides are known. The substitution rate of zirconium in these oxides is about 20 at % (where x in the above general formula is 0.20) in order to evenly disperse the dopant. Proton conductivity is represented by the product of proton concentration and proton mobility, and generally, improvement of both is necessary for improvement of proton conductivity. It is known that the proton concentration increases in proportion to the concentration of the trivalent dopant substituted for zirconium in barium zirconate. Therefore, it is considered that the proton concentration can be increased by increasing the substitution rate of zirconium with scandium. However, increasing the substitution rate of zirconium with a dopant increases the number of sites where protons form associations (associations of dopant elements and protons), so in general proton diffusibility is significantly reduced. It is said that this leads to a significant decrease in proton mobility. For the reasons described above, even in yttrium-doped barium zirconate, which has the highest proton conductivity, it is said that the substitution ratio of zirconium with a dopant of around 0.2 is excellent in proton conductivity. Also, compared to yttrium and lanthanides, scandium has a higher electronegativity and a higher electrostatic energy that attracts protons. Therefore, when scandium is used as a dopant, it is considered unsuitable as a dopant for obtaining a proton-conducting solid oxide because it lowers the proton conductivity.

本発明者らは検討によって、上述のようなスカンジウムを敢えてドーパントとして使用し、更にジルコニウムを置換するスカンジウムの割合及びスカンジウム置換量に対するプロトンの割合を従来以上に高めることによって、得られる固体電解質のプロトン伝導度を向上できることを見いだした。上述のような効果が得られる理由は定かではないが、本発明者らは以下のように推測している。まず、一般的には、スカンジウムは電気陰性度が大きく、イットリウム及びランタノイドと比較してイオン半径も小さい。そのため、ドーパントであるスカンジウムと比較的近い距離において、プロトンとスカンジウムとの会合体が形成され、プロトンがスカンジウムサイト付近に拘束されることになる。したがって、スカンジウムをドーパントとして使用した場合のプロトン伝導度は低くなる。しかし、スカンジウムの周囲に複数のプロトンが存在し、さらに、高濃度のスカンジウムが存在している状況では、スカンジウムサイトに拘束されたプロトン同士の反発的な静電相互作用が、スカンジウムからの静電引力を打ち消すことになるため、プロトンの感じる静電引力が低下する。上記固体電解質においては、さらに、あらかじめ高濃度のプロトンが導入されている。このような構成によって、スカンジウム同士の近接等によって局所的にプロトンに対する静電引力が高まったサイト近傍にはプロトンが予め供給され、外部から固体電解質を通過しようとするプロトンの感じる静電引力をより均質化させることができ、全体としてプロトン伝導度を高めることができる。 Through investigations, the present inventors intentionally used scandium as described above as a dopant, and further increased the ratio of scandium to replace zirconium and the ratio of protons to the amount of scandium substituted more than before. It was found that the conductivity can be improved. Although the reason why the above effects are obtained is not clear, the present inventors presume as follows. First, scandium generally has a high electronegativity and a small ionic radius compared to yttrium and lanthanides. Therefore, an aggregate of protons and scandium is formed at a relatively short distance from the dopant scandium, and the protons are bound near the scandium site. Therefore, proton conductivity is low when scandium is used as a dopant. However, in the presence of multiple protons around scandium and a high concentration of scandium, the repulsive electrostatic interaction between the protons bound to the scandium sites causes the electrostatic Since the attractive force is canceled, the electrostatic attraction felt by protons is reduced. A high concentration of protons is introduced in advance into the solid electrolyte. With such a configuration, protons are supplied in advance to the vicinity of the site where the electrostatic attraction for protons is locally increased due to the proximity of scandium to each other, and the electrostatic attraction felt by the protons trying to pass through the solid electrolyte from the outside is increased. Homogenization can be achieved, and proton conductivity can be enhanced as a whole.

上記一般式において、yは0.8x~xであってよい。 In the above general formula, y may range from 0.8x to x.

上記一般式において、xが0.30以上0.65未満であり、yが0.8x~xであってよい。 In the above general formula, x may be 0.30 or more and less than 0.65, and y may be 0.8x to x.

上記固体電解質のプロトンに対する会合エネルギーが-30kJ/mol以上であってよい。プロトンに対する会合エネルギーが上記範囲内であることによって、プロトンの移動がより容易となるため、プロトン伝導度をより向上させることができる。 The solid electrolyte may have an association energy of −30 kJ/mol or more with respect to protons. When the association energy for protons is within the above range, the protons can move more easily, and the proton conductivity can be further improved.

上記固体電解質は、結晶粒の平均粒径が3μm以上であってよい。結晶粒の平均粒径が上記範囲内であることによって、固体電解質における粒界密度の上昇を抑制することができ、プロトン伝導度をより向上させることができる。 The solid electrolyte may have crystal grains with an average grain size of 3 μm or more. When the average grain size of the crystal grains is within the above range, an increase in the grain boundary density in the solid electrolyte can be suppressed, and the proton conductivity can be further improved.

上記固体電解質は、結晶粒の平均粒径が6~7μmであってよい。結晶粒の平均粒径が上記範囲内であることによって、固体電解質における粒界密度の上昇を抑制することができ、プロトン伝導度を更に向上させることができる。 The solid electrolyte may have an average grain size of 6 to 7 μm. When the average grain size of the crystal grains is within the above range, an increase in grain boundary density in the solid electrolyte can be suppressed, and the proton conductivity can be further improved.

本開示の一側面は、第一の電極と、上記第一の電極上に設けられた電解質膜と、上記電解質膜の上記第一の電極側とは反対側に設けられた第二の電極と、を備え、上記電解質膜が、上述の固体電解質を含む、積層体を提供する。 One aspect of the present disclosure includes a first electrode, an electrolyte membrane provided on the first electrode, and a second electrode provided on the side of the electrolyte membrane opposite to the first electrode side. , wherein the electrolyte membrane includes the solid electrolyte described above.

上記積層体は、電解質膜として上述の固体電解質を含むことから、中温度域において、優れたプロトン伝導性を有する積層体となる。 Since the laminate contains the above solid electrolyte as the electrolyte membrane, the laminate has excellent proton conductivity in the intermediate temperature range.

上記電解質膜が多結晶構造を有してもよい。 The electrolyte membrane may have a polycrystalline structure.

本開示の一側面は、上述の積層体を備える、燃料電池を提供する。 One aspect of the present disclosure provides a fuel cell comprising the laminate described above.

上記燃料電池は、上述の固体電解質を含む電解質膜を備えることから、中温度域における動作に優れる。 Since the fuel cell includes an electrolyte membrane containing the solid electrolyte described above, it is excellent in operation in a medium temperature range.

本開示によれば、中温度域において、優れたプロトン伝導度及び化学的安定性を発揮し得る固体電解質を提供することができる。本開示によればまた、上述のような固体電解質を備える積層体を提供することができる。本開示によればまた、中温度域における動作に優れる燃料電池を提供することができる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a solid electrolyte that can exhibit excellent proton conductivity and chemical stability in a medium temperature range. According to the present disclosure, it is also possible to provide a laminate comprising the solid electrolyte as described above. According to the present disclosure, it is also possible to provide a fuel cell that is excellent in operation in a medium temperature range.

図1は、実施例1及び比較例1の固体電解質に対して行ったプロトン伝導度の測定結果を示すグラフである。FIG. 1 is a graph showing the results of proton conductivity measurement performed on the solid electrolytes of Example 1 and Comparative Example 1. FIG. 図2は、実施例1及び比較例1の固体電解質に対して行ったプロトン濃度の測定結果を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing the results of proton concentration measurement performed on the solid electrolytes of Example 1 and Comparative Example 1. FIG. 図3は、実施例1及び比較例1の固体電解質に対して行ったプロトン拡散係数の測定結果を示すグラフである。3 is a graph showing the measurement results of the proton diffusion coefficients of the solid electrolytes of Example 1 and Comparative Example 1. FIG. 図2は、実施例1の固体電解質に対して行った化学的安定性の評価結果を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing the evaluation results of chemical stability of the solid electrolyte of Example 1. FIG. 図5は、焼結体の破断面の一部を示す走査型電子顕微鏡写真を示す図である。FIG. 5 is a scanning electron micrograph showing a part of the fracture surface of the sintered body. 図6は、結晶粒の粒径に関する頻度分布を示すグラフある。FIG. 6 is a graph showing the frequency distribution regarding the grain size of crystal grains. 図7は、BaZr0.4Sc0.63-δにおける異なるプロトン導入率におけるプロトン拡散係数の測定結果を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing measurement results of proton diffusion coefficients at different proton introduction rates in BaZr 0.4 Sc 0.6 O 3-δH y . 図8は、プロトンに対する会合エネルギーと、固体電解質へのドーパント濃度に対するプロトンの導入率との関係を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the relationship between the association energy for protons and the introduction rate of protons with respect to the dopant concentration in the solid electrolyte.

以下、場合によって図面を参照しながら、本開示の実施形態について説明する。ただし、以下の実施形態は、本開示を説明するための例示であり、本開示を以下の内容に限定する趣旨ではない。上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。各要素の寸法比率は図面に図示された比率に限られるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings as the case may be. However, the following embodiments are examples for explaining the present disclosure, and are not intended to limit the present disclosure to the following contents. Positional relationships such as up, down, left, and right are based on the positional relationships shown in the drawings unless otherwise specified. The dimensional ratio of each element is not limited to the ratio shown in the drawings.

本明細書において例示する材料は特に断らない限り、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。組成物中の各成分の含有量は、組成物中の各成分に該当する物質が複数存在する場合には、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数の物質の合計量を意味する。また本明細書において「~」を用いて示された数値範囲は、「~」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を示す。 The materials exemplified in this specification can be used singly or in combination of two or more unless otherwise specified. The content of each component in the composition means the total amount of the multiple substances present in the composition unless otherwise specified when there are multiple substances corresponding to each component in the composition. . Further, in this specification, a numerical range indicated using "to" indicates a range including the numerical values described before and after "to" as the minimum and maximum values, respectively.

固体電解質の一実施形態は、一般式:BaZr1-xSc3-δで表されるスカンジウム添加ジルコン酸バリウムを含む。上記スカンジウム添加ジルコン酸バリウムは、ジルコン酸バリウムのジルコニウムの一部をスカンジウムに置き換え、更にプロトンを導入したペロブスカイト構造を有する化合物である。上記スカンジウム添加ジルコン酸バリウムは、250~650℃程度の中温度域においても化学的に安定である。固体電解質は、主に膜状、シート状又は板状に成形して用いるが、粉体であってもよい。この観点から、上記固体電解質は、固体電解質用の粉体ともいえる。 One embodiment of the solid electrolyte comprises scandium-doped barium zirconate represented by the general formula: BaZr 1-x Sc x O 3-δ H y . The scandium-doped barium zirconate is a compound having a perovskite structure in which a part of zirconium in barium zirconate is replaced with scandium and protons are introduced. The scandium-doped barium zirconate is chemically stable even in a medium temperature range of about 250 to 650.degree. The solid electrolyte is mainly used in the form of a film, sheet or plate, but may be powder. From this point of view, the solid electrolyte can be said to be a powder for a solid electrolyte.

スカンジウム添加ジルコン酸バリウムは、上記一般式において、xは0.20超0.65未満であるが、例えば、0.30以上0.65未満、0.30~0.60、又は0.50~0.60であってよい。また、上記一般式において、yは0.7x~xであるが、プロトン伝導度をより向上させる観点から、好ましくは0.8x~xである。上記一般式において、yは、例えば、0.40~0.60、又は0.50~0.60であってよい。上記x及びyは、スカンジウム添加ジルコン酸バリウムを調製する際の原料組成、プロトン導入を目的とした水蒸気雰囲気下における熱処理時における相対湿度、熱処理温度、及び保持時間、並びに、試料の冷却速度などを調整することによって制御できる。なお、上記一般式において、δは0~0.15xであるが、(x-y)/2で表されてもよい。 In the scandium-doped barium zirconate, x is more than 0.20 and less than 0.65 in the above general formula, but for example, 0.30 or more and less than 0.65, 0.30 to 0.60, or 0.50 to It may be 0.60. In the above general formula, y ranges from 0.7x to x, but preferably ranges from 0.8x to x from the viewpoint of further improving proton conductivity. In the general formula above, y may be, for example, 0.40 to 0.60, or 0.50 to 0.60. The above x and y are the raw material composition when preparing scandium-doped barium zirconate, the relative humidity, heat treatment temperature, and holding time during heat treatment in a steam atmosphere for the purpose of introducing protons, and the cooling rate of the sample. can be controlled by adjusting In the above general formula, δ ranges from 0 to 0.15x, but may be represented by (xy)/2.

本明細書における固体電解質又はスカンジウム添加ジルコン酸バリウムの組成は、エネルギー分散型X線分析(EDS分析)によって決定することができる。乾燥空気中で焼結したスカンジウム添加ジルコン酸バリウムの緻密体における表面を、シリコンカーバイド研磨紙で100μm以上研磨して面出ししたサンプルを測定対象とする。上記サンプルの上記面に対して、15kVで加速した電子線を照射し、これによって発生した特性X線強度を走査型電子顕微鏡(株式会社日立ハイテクテクノロジーズ製、製品名:SU3500)を用いて観測することで、固体電解質及びスカンジウム添加ジルコン酸バリウムの組成を決定できる。定量法にはZAF法を用いる。 The composition of the solid electrolyte or scandium-doped barium zirconate herein can be determined by energy dispersive X-ray analysis (EDS analysis). A sample obtained by polishing the surface of a dense body of scandium-added barium zirconate sintered in dry air to a thickness of 100 μm or more with silicon carbide abrasive paper to level the surface is used as a measurement target. The surface of the sample is irradiated with an electron beam accelerated at 15 kV, and the characteristic X-ray intensity generated by this is observed using a scanning electron microscope (manufactured by Hitachi High-Tech Technologies Co., Ltd., product name: SU3500). Thus, the composition of the solid electrolyte and scandium-doped barium zirconate can be determined. The ZAF method is used for the quantitative method.

固体電解質は、上述のスカンジウム添加ジルコン酸バリウムに加えて、その他のプロトン伝導性酸化物を含んでもよく、上述のスカンジウム添加ジルコン酸バリウムのみからなってよい。燃料電池などに使用される電解質膜として用いる場合、電解質膜をより均質に製造することが望ましい。上記固体電解質は、より一層均一な膜を形成する観点から、上述のスカンジウム添加ジルコン酸バリウムのみからなってもよい。 The solid electrolyte may contain other proton-conducting oxides in addition to the scandium-doped barium zirconate described above, and may consist of the above-described scandium-doped barium zirconate alone. When used as an electrolyte membrane for a fuel cell or the like, it is desirable to manufacture the electrolyte membrane more homogeneously. From the viewpoint of forming a more uniform film, the solid electrolyte may consist of only the above-described scandium-doped barium zirconate.

上記固体電解質は上述のスカンジウム添加ジルコン酸バリウムを含むことから、プロトンに対する会合エネルギーが比較的低い。上記固体電解質のプロトンに対する会合エネルギーの下限値は、例えば、-30kJ/mol以上、-28kJ/mol以上、-25kJ/mol以上、-22kJ/mol以上、-20kJ/mol以上、-18kJ/mol以上、又は-17kJ/mol以上であってよい。上記固体電解質のプロトンに対する会合エネルギーの下限値が上記範囲内であることで、固体電解質のより優れたプロトン伝導性を発揮し得る。上記固体電解質のプロトンに対する会合エネルギーの上限値は、特に制限されるものでは無いが、例えば、-10kJ/mol以下、又は-15kJ/mol以下であってよい。上記固体電解質のプロトンに対する会合エネルギーは上述の範囲内で調整することができ、例えば、-30~-10kJ/mol、又は-30~-15kJ/molであってよい。 Since the solid electrolyte contains the above-described scandium-doped barium zirconate, the association energy with protons is relatively low. The lower limit of the association energy for protons of the solid electrolyte is, for example, -30 kJ/mol or more, -28 kJ/mol or more, -25 kJ/mol or more, -22 kJ/mol or more, -20 kJ/mol or more, -18 kJ/mol or more. , or −17 kJ/mol or more. When the lower limit of association energy for protons of the solid electrolyte is within the above range, the solid electrolyte can exhibit more excellent proton conductivity. The upper limit of the association energy of the solid electrolyte with protons is not particularly limited, but may be -10 kJ/mol or less, or -15 kJ/mol or less, for example. The association energy for protons of the solid electrolyte can be adjusted within the above range, and may be -30 to -10 kJ/mol, or -30 to -15 kJ/mol, for example.

本明細書におけるプロトンに対する会合エネルギーは、プロトン拡散係数の温度依存性を調べることによって決定する。まず、熱重量分析測定によるプロトン濃度と交流インピーダンス法とからプロトン伝導度を得て、当該プロトン伝導度からプロトン拡散係数を算出する。得られたプロトン拡散係数について、プロトン拡散係数のアレニウスプロットを作成する。当該アレニウスプロットにおける600~400℃の温度範囲から得られる活性化エネルギーと、100℃以下の温度範囲によって得られる活性化エネルギーとの差として算出される値を意味する。 The association energy for protons herein is determined by examining the temperature dependence of the proton diffusion coefficient. First, the proton conductivity is obtained from the proton concentration measured by thermogravimetric analysis and the AC impedance method, and the proton diffusion coefficient is calculated from the proton conductivity. An Arrhenius plot of the proton diffusion coefficient is generated for the obtained proton diffusion coefficient. It means a value calculated as the difference between the activation energy obtained from the temperature range of 600 to 400° C. in the Arrhenius plot and the activation energy obtained from the temperature range of 100° C. or lower.

固体電解質は、複数の結晶粒の集合体であってよく、当該集合体は多結晶構造を有していてもよい。上記固体電解質は比較的大きな粒径を有する結晶粒を含む。結晶粒の平均粒径の下限値は、例えば、0.5μm以上、1μm以上、2μm以上、3μm以上、4μm以上、5μm以上、又は6μm以上であってよい。結晶粒の平均粒径の下限値が上記範囲内であることで、固体電解質における粒界密度の上昇を抑制することができ、プロトン伝導度をより向上させることができる。上記結晶粒の平均粒径の上限値は、特に制限されるものでは無いが、10μm以下、9μm以下、8μm以下、又は7μm以下であってよい。結晶粒の平均粒径は上述の範囲内で調整することができ、例えば、0.5~10μm、3~10μm、又は6~7μmであってよい。 The solid electrolyte may be an aggregate of multiple crystal grains, and the aggregate may have a polycrystalline structure. The solid electrolyte contains crystal grains having a relatively large grain size. The lower limit of the average grain size of crystal grains may be, for example, 0.5 μm or more, 1 μm or more, 2 μm or more, 3 μm or more, 4 μm or more, 5 μm or more, or 6 μm or more. When the lower limit of the average grain size of the crystal grains is within the above range, an increase in grain boundary density in the solid electrolyte can be suppressed, and the proton conductivity can be further improved. The upper limit of the average grain size of the crystal grains is not particularly limited, but may be 10 μm or less, 9 μm or less, 8 μm or less, or 7 μm or less. The average grain size of the crystal grains can be adjusted within the range described above, and can be, for example, 0.5-10 μm, 3-10 μm, or 6-7 μm.

本明細書における結晶粒の平均粒径は、固体電解質に対する走査型電子顕微鏡の画像解析によって決定することができる。具体的には、対象とする固体電解質を機械的に破断し、未研磨の破断面に対する走査型電子顕微鏡によって観測される倍率540倍の1視野において、任意に300個以上の結晶粒を選択し、それぞれの結晶粒径(長軸)を測定する。測定された結果から頻度分布曲線を作成し、その頻度分布曲線を正規分布曲線へフィッティングして、得られる正規分布の中央値(ピークトップ)に対応する粒径を平均粒径とする。 The average grain size of crystal grains in this specification can be determined by image analysis of a scanning electron microscope for a solid electrolyte. Specifically, the target solid electrolyte is mechanically fractured, and 300 or more crystal grains are arbitrarily selected in one field of view at a magnification of 540 times observed by a scanning electron microscope on an unpolished fractured surface. , to measure the grain size (major axis) of each. A frequency distribution curve is created from the measured results, the frequency distribution curve is fitted to the normal distribution curve, and the particle size corresponding to the median value (peak top) of the resulting normal distribution is defined as the average particle size.

固体電解質は中温度域におけるプロトン伝導度に優れる。このため、上記固体電解質を用いることで、プロトン伝導度を高めるために電解質膜を薄膜化することは必ずしも必要とならず、燃料電池等のデバイスの製造コストを低減することができる。上記固体電解質のプロトン伝導度は、例えば、0.001Scm-1以上、0.005Scm-1以上、又は0.01Scm-1以上とすることができる。 Solid electrolytes have excellent proton conductivity in the medium temperature range. Therefore, by using the solid electrolyte, it is not always necessary to make the electrolyte membrane thinner in order to increase the proton conductivity, and the manufacturing cost of devices such as fuel cells can be reduced. The proton conductivity of the solid electrolyte can be, for example, 0.001 Scm −1 or more, 0.005 Scm −1 or more, or 0.01 Scm −1 or more.

本明細書における中温度域におけるプロトン伝導度は、交流インピーダンス測定によって求めることができる。具体的には、本明細書の実施例に記載の方法にしたがって決定する。なお、上記プロトン伝導度は、結晶粒内のプロトン伝導度、すなわちバルクにおけるプロトン伝導度(σH.bulk)を意味し、測定温度域における最小値で表す。 The proton conductivity in the middle temperature range in this specification can be determined by AC impedance measurement. Specifically, it is determined according to the method described in the Examples of the present specification. The above proton conductivity means proton conductivity in crystal grains, that is, bulk proton conductivity (σ H.bulk ), and is represented by the minimum value in the measurement temperature range.

上述の固体電解質は、溶液合成及び固相合成のいずれの合成方法でも調製することができる。上述の固体電解質は、例えば、以下のような方法によって製造することができる。固体電解質の製造方法の一実施形態は、例えば、構成元素としてバリウムを有する化合物、構成元素としてジルコニウムを有する化合物、及び構成元素としてスカンジウムを有する化合物を含む原料混合物と、エチレンジアミン四酢酸と、クエン酸と、溶媒とを混合し、pHを9.0~10.0に調整することで溶解させて反応溶液を調製する工程(反応溶液調製工程)と、上記反応溶液を加熱処理しゲル状物を得、上記ゲル状物における溶媒含有量を低減して固形物を得る工程(第一の加熱処理工程)と、上記固形物を900℃以上の温度で加熱処理して加熱処理物を得る工程(第二の加熱処理工程)と、前記加熱処理物を粉砕して得られる粉砕物を加熱処理(例えば、1600℃)して、スカンジウム添加ジルコン酸バリウムを含む焼結体を得る工程(第三の加熱処理工程)と、上記焼結体を水蒸気下で第三の加熱処理工程の温度よりも低い温度(例えば、450℃)で加熱処理してスカンジウム添加ジルコン酸バリウムにプロトンを導入する工程(プロトン導入工程)と、を有する。第三の加熱処理工程は、例えば、粉砕物を加圧成形することを含んでもよい。加圧成形は、例えば、一軸加圧成型及び冷間等方圧縮などを含んでもよい。 The solid electrolyte described above can be prepared by either synthesis method of solution synthesis and solid phase synthesis. The solid electrolyte described above can be produced, for example, by the following method. One embodiment of a method for producing a solid electrolyte includes, for example, a raw material mixture containing a compound having barium as a constituent element, a compound having zirconium as a constituent element, and a compound having scandium as a constituent element, ethylenediaminetetraacetic acid, and citric acid. and a solvent, and a step of dissolving by adjusting the pH to 9.0 to 10.0 to prepare a reaction solution (reaction solution preparation step); obtaining a solid by reducing the solvent content in the gel (first heat treatment step); and obtaining a heat-treated product by heat-treating the solid at a temperature of 900° C. or higher ( a second heat treatment step), and a step of heat-treating (for example, 1600 ° C.) the pulverized product obtained by pulverizing the heat-treated product to obtain a sintered body containing scandium-added barium zirconate (third heat treatment step), and a step of heat-treating the sintered body under water vapor at a temperature lower than the temperature of the third heat treatment step (for example, 450 ° C.) to introduce protons into scandium-doped barium zirconate (proton introduction step). A third heat treatment step may include, for example, pressing the pulverized material. Pressing may include, for example, uniaxial pressing and cold isostatic pressing.

構成元素としてバリウムを有する化合物としては、例えば、硝酸バリウム(Ba(NO)、及び炭酸バリウム(BaCO)等を用いることができる。構成元素としてジルコニウムを有する化合物としては、例えば、オキシ硝酸ジルコニウムn水和物(ZrO(NO・nHO)、及び酸化ジルコニウム(ZrO)等を用いることができる。構成元素としてスカンジウムを有する化合物としては、例えば、硝酸スカンジウムn水和物(Sc(NO・nHO)、及び酸化スカンジウム(Sc)等を用いることができる。 As a compound containing barium as a constituent element, for example, barium nitrate (Ba(NO 3 ) 2 ), barium carbonate (BaCO 3 ), and the like can be used. Examples of compounds having zirconium as a constituent element include zirconium oxynitrate n-hydrate (ZrO(NO 3 ) 2 ·nH 2 O) and zirconium oxide (ZrO 2 ). Examples of compounds having scandium as a constituent element include scandium nitrate n-hydrate (Sc(NO 3 ) 3.nH 2 O) and scandium oxide (Sc 2 O 3 ).

上記原料混合物における、構成元素としてバリウムを有する化合物、構成元素としてジルコニウムを有する化合物、及び構成元素としてスカンジウムを有する化合物の含有量比は、得られるスカンジウム添加ジルコン酸バリウムのターゲット組成に応じて、調整することができる。 The content ratio of the compound having barium as a constituent element, the compound having zirconium as a constituent element, and the compound having scandium as a constituent element in the raw material mixture is adjusted according to the target composition of the obtained scandium-doped barium zirconate. can do.

上記原料混合物は、構成元素としてバリウムを有する化合物、構成元素としてジルコニウムを有する化合物、及び構成元素としてスカンジウムを有する化合物に加えて、その他の化合物を更に含んでいてもよい。その他の化合物としては、例えば、構成元素としてセリウムを有する化合物、及び焼結助剤等が挙げられる。上記原料混合物が、構成元素としてセリウムを有する化合物を更に含む場合、プロトン伝導度をより向上させ得る。構成元素としてセリウムを有する化合物としては、例えば、硝酸セリウム六水和物、及び酸化セリウム等が挙げられる。上記原料混合物が、構成元素としてセリウムを有する化合物を更に含む場合、その含有量は、上記原料混合物におけるジルコニウムの含有量に応じて適宜調整することができる。上記原料混合物が焼結助剤を更に含む場合、結晶粒の成長をより促すことができる。焼結助剤としては、例えば、酸化ニッケル、酸化亜鉛、及び酸化コバルト等が挙げられる。上記原料混合物が焼結助剤を含む場合、焼結助剤の含有量は、原料混合物の全量を基準として、例えば、0.1~10質量%、又は0.1~1質量%であってよい。 The raw material mixture may further contain other compounds in addition to the compound having barium as a constituent element, the compound having zirconium as a constituent element, and the compound having scandium as a constituent element. Other compounds include, for example, compounds containing cerium as a constituent element, sintering aids, and the like. When the raw material mixture further contains a compound containing cerium as a constituent element, the proton conductivity can be further improved. Examples of compounds containing cerium as a constituent element include cerium nitrate hexahydrate and cerium oxide. When the raw material mixture further contains a compound having cerium as a constituent element, the content thereof can be appropriately adjusted according to the zirconium content in the raw material mixture. When the raw material mixture further contains a sintering aid, it is possible to promote the growth of crystal grains. Examples of sintering aids include nickel oxide, zinc oxide, and cobalt oxide. When the raw material mixture contains a sintering aid, the content of the sintering aid is, for example, 0.1 to 10% by mass, or 0.1 to 1% by mass, based on the total amount of the raw material mixture. good.

上述の固体電解質は、例えば、燃料電池等の構成部材として有用である。構成部材は、具体的には、電極間に上述の固体電解質を配置した積層体などが挙げられる。積層体の一実施形態は、第一の電極と、上記第一の電極上に設けられた電解質膜と、上記電解質膜の上記第一の電極側とは反対側に設けられた第二の電極と、を備える。上記電解質膜は上述の固体電解質を含む。 The solid electrolyte described above is useful, for example, as a constituent member of a fuel cell or the like. A specific example of the constituent member is a laminate in which the above-described solid electrolyte is arranged between electrodes. One embodiment of the laminate includes a first electrode, an electrolyte membrane provided on the first electrode, and a second electrode provided on the side of the electrolyte membrane opposite to the first electrode side. And prepare. The electrolyte membrane contains the solid electrolyte described above.

第一の電極及び第二の電極は、同一の素材で構成されていてもよく、互いに異なる素材で構成されていてもよい。上記積層体が燃料電池の構成部材である場合、例えば、第一の電極がアノード電極(燃料極)、第二の電極がカソード電極(空気極)であってよい。 The first electrode and the second electrode may be made of the same material, or may be made of different materials. When the laminate is a constituent member of a fuel cell, for example, the first electrode may be an anode electrode (fuel electrode) and the second electrode may be a cathode electrode (air electrode).

アノード電極の素材は、例えば、銀、白金、パラジウム、ニッケル、ニッケル及びジルコニア系酸化物との混合物、ニッケル及びセリア系酸化物、並びに、ニッケル及びジルコン酸バリウム系酸化物との混合物等であってよい。 Materials for the anode electrode include, for example, silver, platinum, palladium, nickel, mixtures of nickel and zirconia oxides, nickel and ceria oxides, and mixtures of nickel and barium zirconate oxides. good.

カソード電極の素材は、例えば、銀、白金、並びに、希土類元素及び3d遷移金属を含むペロブスカイト型酸化物等を用いることができる。このようなペロブスカイト型酸化物は、例えば、一般式:A11-aA2B11-bB2(0≦a≦1、0≦b≦1)で表される酸化物を使用することができる。ここで、A1及びA2は、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジウム(Pr)、及びサマリウム(Sm)等のランタノイド(Ln)、若しくは、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)等のアルカリ土類金属(AE)であってよい。B1及びB2は、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、及びコバルト(Co)等であってよい。カソード電極の素材としては、具体的には、Ln1-aAEMn1-bFe、Ln1-aAEMn1-bCo、及びLn1-aAECo1-bFe、AE1-aAECo1-bFe等であってよい。 Materials for the cathode electrode include, for example, silver, platinum, and perovskite-type oxides containing rare earth elements and 3d transition metals. As such a perovskite-type oxide, for example, an oxide represented by the general formula: A1 1-a A2 a B1 1-b B2 b O 3 (0≦a≦1, 0≦b≦1) is used. be able to. Here, A1 and A2 are lanthanides (Ln) such as lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), and samarium (Sm), or calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba ) and other alkaline earth metals (AE). B1 and B2 may be manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), and the like. Specific examples of materials for the cathode electrode include Ln 1-a AE a Mn 1-b Fe b O 3 , Ln 1-a AE a Mn 1-b Co b O 3 , and Ln 1-a AE a Co 1-b Fe b O 3 , AE 1-a AE a Co 1-b Fe b O 3 and the like.

第一の電極及び第二の電極の厚さは、積層体の用途等に応じて調整することができる。 The thicknesses of the first electrode and the second electrode can be adjusted according to the use of the laminate.

電解質膜の厚さは、積層体に求める性能及び積層体の用途等に応じて調整することができる。電解質膜の厚さの上限値は、例えば、500μm以下、300μm以下、150μm以下、50μm以下、25μm以下、又は15μm以下であってよい。電解質膜の厚さの上限値は上記範囲内とすることで、プロトン伝導度をより向上させることができる。電解質膜の厚さの下限値は、例えば、0.1μm以上、0.5μm以上、1.0μm以上、3μm以上、5μm以上、又は10μm以上であってよい。電解質膜の厚さの下限値を上記範囲内とすることで、電解質膜自体の機械強度の低下を抑制すると共に、電極間の絶縁破壊をより十分に抑制することができる。電解質膜の厚さは上述の範囲内で調整することができ、例えば、0.1~500μm、1.0~50μm、又は10~15μmであってよい。 The thickness of the electrolyte membrane can be adjusted according to the performance required of the laminate, the use of the laminate, and the like. The upper limit of the thickness of the electrolyte membrane may be, for example, 500 μm or less, 300 μm or less, 150 μm or less, 50 μm or less, 25 μm or less, or 15 μm or less. By setting the upper limit of the thickness of the electrolyte membrane within the above range, the proton conductivity can be further improved. The lower limit of the thickness of the electrolyte membrane may be, for example, 0.1 μm or more, 0.5 μm or more, 1.0 μm or more, 3 μm or more, 5 μm or more, or 10 μm or more. By setting the lower limit of the thickness of the electrolyte membrane within the above range, it is possible to suppress the deterioration of the mechanical strength of the electrolyte membrane itself and to more sufficiently suppress the dielectric breakdown between the electrodes. The thickness of the electrolyte membrane can be adjusted within the ranges described above, and can be, for example, 0.1-500 μm, 1.0-50 μm, or 10-15 μm.

上記積層体は、第一の電極、電解質膜及び第二の電極に加えてその他の層を備えていてもよい。その他の層としては、例えば、第一の電極と電解質間に挿入される層、及び第二の電極と電解質間に挿入される層などが挙げられる。第一の電極と電解質間に挿入される層としては、例えば、ニッケル及びジルコン酸バリウム系混合物層、ニッケル及びジルコニア系酸化物混合層、並びにニッケル及び酸化セリウム系酸化物混合層等が挙げられる。第二の電極と電解質間に挿入される層としては、例えば、酸化セリウム系酸化物、ジルコン酸バリウム系酸化物、セリウム添加ジルコン酸バリウム系酸化物、及びセリウム酸バリウム系酸化物等が挙げられる。 The laminate may include other layers in addition to the first electrode, the electrolyte membrane, and the second electrode. Other layers include, for example, a layer inserted between the first electrode and the electrolyte and a layer inserted between the second electrode and the electrolyte. Examples of the layer inserted between the first electrode and the electrolyte include a nickel and barium zirconate-based mixture layer, a nickel and zirconia-based oxide mixed layer, and a nickel and cerium oxide-based oxide mixed layer. Examples of the layer inserted between the second electrode and the electrolyte include cerium oxide-based oxides, barium zirconate-based oxides, cerium-added barium zirconate-based oxides, and barium cerate-based oxides. .

上記積層体を有する固体酸化物型燃料電池は、上述の固体酸化物を電解質として含むことから動作温度を低く設定することができる。上記固体酸化物型燃料電池の動作温度の上限値は、例えば、600℃以下、550℃以下、540℃以下、530℃以下、500℃以下、又は450℃以下とすることができる。上記固体酸化物型燃料電池の動作温度の下限値は、例えば、370℃以上、380℃以上、又は390℃以上とすることができる。上記固体酸化物型燃料電池の動作温度は上述の範囲内で調整することができ、例えば、370~550℃、390~540℃であってよい。上記積層体を有する固体酸化物型燃料電池はまた、上述の固体酸化物を電解質として含むことから長時間(例えば、200時間以上)に亘り安定して動作させることができる。 Since the solid oxide fuel cell having the above laminate contains the above solid oxide as an electrolyte, the operating temperature can be set low. The upper limit of the operating temperature of the solid oxide fuel cell can be, for example, 600° C. or less, 550° C. or less, 540° C. or less, 530° C. or less, 500° C. or less, or 450° C. or less. The lower limit of the operating temperature of the solid oxide fuel cell can be, for example, 370° C. or higher, 380° C. or higher, or 390° C. or higher. The operating temperature of the solid oxide fuel cell can be adjusted within the ranges described above, and can be, for example, 370-550°C, 390-540°C. Since the solid oxide fuel cell having the above-described laminate contains the above-described solid oxide as an electrolyte, it can be stably operated for a long period of time (for example, 200 hours or more).

以上、幾つかの実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に何ら限定されるものではない。また、上述した実施形態についての説明内容は、互いに適用することができる。 Although several embodiments have been described above, the present disclosure is not limited to the above embodiments. Also, the descriptions of the above-described embodiments can be applied to each other.

以下、実施例及び比較例を参照して本開示の内容をより詳細に説明する。ただし、本開示は、下記の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the contents of the present disclosure will be described in more detail with reference to examples and comparative examples. However, the present disclosure is not limited to the following examples.

(実施例1)
[BaZr0.4Sc0.63-δで表されるスカンジウム添加ジルコン酸バリウムの調製]
容器に、硝酸バリウム(富士フイルム和光純薬株式会社製、Ba(NO、純度:99.9質量%)と、オキシ硝酸ジルコニウム二水和物(関東化学株式会社製、ZrO(NO・2HO)と、硝酸スカンジウムn水和物(株式会社高純度化学研究所、Sc(NO・nHO、純度:3N)とを、目的とするスカンジウム添加ジルコン酸バリウムの組成式(一般式においてxが0.6となる組成式)に沿った化学量論比となるように測り取り、約800mLの蒸留水に溶解し水溶液を調製した。なお、水和物については、水和量を熱重量分析で確認したうえで配合量を調整した。
(Example 1)
[Preparation of scandium-doped barium zirconate represented by BaZr 0.4 Sc 0.6 O 3-δH y ]
Barium nitrate (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., Ba(NO 3 ) 2 , purity: 99.9% by mass) and zirconium oxynitrate dihydrate (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd., ZrO(NO 3 ) 2.2H 2 O) and scandium nitrate n-hydrate (Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd., Sc(NO 3 ) 3.nH 2 O, purity: 3N) are combined into the desired scandium-added barium zirconate (a composition formula in which x is 0.6 in the general formula), and dissolved in about 800 mL of distilled water to prepare an aqueous solution. As for the hydrates, the blending amount was adjusted after confirming the amount of hydration by thermogravimetric analysis.

上記水溶液に対して、エチレンジアミン四酢酸(富士フイルム和光純薬株式会社製、EDTA、純度:99.0質量%)及びクエン酸(富士フイルム和光純薬株式会社製、純度:99.0質量%)を、水溶液中の金属イオンの総モル数を基準として、それぞれ0.5モル量となるようにさらに添加し、反応溶液のpHをアンモニア水溶液によって9.0以上10以下に調整することで、添加試薬を溶解させ、反応溶液を得た。次に、反応溶液をホットスターラー上で撹拌しながら約300分間加熱し、内容物を反応させると共に溶媒を系外に除去した。この際、ホットスターラーの表面温度が180℃となるように調整した。得られたゲル状物をマイクロ波加熱炉にて加熱し、ゲル状物に含まれる溶媒を除去し、固形物を得た。 Ethylenediaminetetraacetic acid (manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Industries, Ltd., EDTA, purity: 99.0% by mass) and citric acid (manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Industries, Ltd., purity: 99.0% by mass) are added to the above aqueous solution. , based on the total number of moles of metal ions in the aqueous solution, is further added so that each amount is 0.5 moles, and the pH of the reaction solution is adjusted to 9.0 or more and 10 or less with an aqueous ammonia solution. The reagent was dissolved to obtain a reaction solution. Next, the reaction solution was heated with stirring on a hot stirrer for about 300 minutes to react the contents and remove the solvent out of the system. At this time, the surface temperature of the hot stirrer was adjusted to 180°C. The obtained gel was heated in a microwave heating furnace to remove the solvent contained in the gel to obtain a solid.

上述のようにして得られた固形物を加熱炉に静置し、室温から5℃/分の昇温速度で加熱し、900℃に到達してから10時間焼成して、前駆体を得た。得られた前駆体を容器に入れ、所定量のエタノール、及びジルコニア製のボールを加え、遊星型ボールミル(フリッチュ社製、製品名:遊星型ボールミル Pulverisette 7)を用いて、回転速度300rpmで2時間、湿式粉砕し、粉砕物を得た。粉砕物を乾燥させた。本粉砕工程を終えた時点で、X線回折法によって、スカンジウム添加ジルコン酸バリウム、スカンジウム添加酸化ジルコニウム、炭酸バリウムの混合物となっていることを確認した。 The solid material obtained as described above was placed in a heating furnace, heated from room temperature at a temperature increase rate of 5° C./min, and fired for 10 hours after reaching 900° C. to obtain a precursor. . The obtained precursor is placed in a container, a predetermined amount of ethanol and zirconia balls are added, and a planetary ball mill (manufactured by Fritsch, product name: planetary ball mill Pulverisette 7) is used for 2 hours at a rotational speed of 300 rpm. , wet pulverized to obtain a pulverized product. The grind was dried. At the end of the pulverization step, it was confirmed by X-ray diffraction that a mixture of scandium-added barium zirconate, scandium-added zirconium oxide, and barium carbonate was formed.

上記粉砕混合物を、一軸加圧成型機を用いて直径:20mm、厚み:約2mmのペレット状に成形し、更に冷間等方加圧法にて300MPaで加圧した。当該ペレットを、100mL/分の流速で乾燥空気を流しながら、1600℃で24時間加熱処理して、焼結体を得た。焼結によって直径:15mmに収縮し、焼結体の密度は5.3g/cmの焼結体となった。得られた焼結体の組成を、X線回折法(XRD法)によって解析し、単一のペロブスカイト構造を有することを確認した。また、得られた焼結体の組成を、エネルギー分散型X線分光法(EDS法)によって解析し、BaZr0.4Sc0.63―δのカチオン組成を有することを確認した。 The pulverized mixture was molded into pellets having a diameter of 20 mm and a thickness of about 2 mm using a uniaxial pressure molding machine, and further pressed at 300 MPa by a cold isostatic pressing method. The pellets were heat-treated at 1600° C. for 24 hours while flowing dry air at a flow rate of 100 mL/min to obtain a sintered body. The sintered body was shrunk to a diameter of 15 mm by sintering, and the density of the sintered body was 5.3 g/cm 3 . The composition of the obtained sintered body was analyzed by the X-ray diffraction method (XRD method) and confirmed to have a single perovskite structure. Also, the composition of the obtained sintered body was analyzed by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS method), and it was confirmed to have a cation composition of BaZr 0.4 Sc 0.6 O 3-δ .

[スカンジウム添加ジルコン酸バリウム(スカンジウムによるジルコニウムの置換率が60at%)のバルクにおけるプロトン伝導度(σH。bulk)の測定]
実施例1において調製したスカンジウム添加ジルコン酸バリウム(固体電解質)それぞれについて中温度域下でのバルクにおけるプロトン伝導度(σH。bulk)を、交流インピーダンス測定によって測定した。
[Measurement of bulk proton conductivity (σ H. bulk ) of scandium-doped barium zirconate (Zirconium substitution rate by scandium is 60 at%)]
For each of the scandium-doped barium zirconate (solid electrolyte) prepared in Example 1, the proton conductivity (σ H. bulk ) in the bulk under an intermediate temperature range was measured by AC impedance measurement.

具体的には、まず、上記焼結体の両面を研磨し、厚さ:458μmに調整した。次に、研磨後の焼結体の両面に、それぞれ厚さ:650nmの銀層をDCスパッタ装置(サンユー電子株式会社製、製品名:SC-701HMC II)を用いて成膜し、これを測定サンプルとした。 Specifically, first, both surfaces of the sintered body were polished to adjust the thickness to 458 μm. Next, on both sides of the sintered body after polishing, a silver layer with a thickness of 650 nm was formed using a DC sputtering device (manufactured by Sanyu Electronics Co., Ltd., product name: SC-701HMC II), and this was measured. was taken as a sample.

銀メッシュ(株式会社ニラコ製)及び直径が0.1mmの金線からなる集電体を用意し、当該集電体に銀ペースト(田中貴金属工業株式会社製、製品名:TR-3025)を塗布し、測定サンプルの両研磨面に上記集電体を接着させた状態で温度55℃の乾燥機にてペーストを乾燥させた。得られた積層体を乾燥したアルゴン雰囲気にて約800℃、1時間加熱処理することで測定サンプルを得た。測定サンプルを雰囲気制御可能な電気化学計測セルと金線を介して接続した。測定試料を乾燥アルゴン雰囲気中で、約800℃まで昇温し、800℃に到達すると同時に雰囲気を水蒸気圧が0.02atmのアルゴン雰囲気へ切り替えた。その後、温度を低下させながら623~48℃の温度範囲において、交流インピーダンス法によって0.1~10Hzの周波数を掃引することでプロトン伝導度を測定した。各温度における測定は、交流インピーダンス測定を連続的に行い、抵抗値が変化しなくなるまで充分に安定させて行った。結果を図1に示す。図1中、実施例1の固体電解質を「60Sc」で示した。 Prepare a current collector consisting of a silver mesh (manufactured by Nilaco Corporation) and a gold wire with a diameter of 0.1 mm, and apply silver paste (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., product name: TR-3025) to the current collector. Then, the paste was dried in a drier at a temperature of 55° C. with the current collector adhered to both polished surfaces of the measurement sample. A measurement sample was obtained by heat-treating the obtained laminate at about 800° C. for 1 hour in a dry argon atmosphere. The measurement sample was connected to an atmosphere-controllable electrochemical measurement cell via a gold wire. A measurement sample was heated to about 800° C. in a dry argon atmosphere, and upon reaching 800° C., the atmosphere was switched to an argon atmosphere with a water vapor pressure of 0.02 atm. After that, the proton conductivity was measured by sweeping the frequency from 0.1 to 10 6 Hz by the AC impedance method in the temperature range of 623 to 48° C. while decreasing the temperature. Measurement at each temperature was performed by continuously measuring AC impedance and sufficiently stabilizing it until the resistance value did not change. The results are shown in FIG. In FIG. 1, the solid electrolyte of Example 1 is indicated by "60Sc".

(比較例1)
スカンジウムによるジルコニウムの置換率を60at%から20at%に変更し、目的組成をBaZr0.8Sc0.23―δに変更したこと以外は、実施例1と同様にして、スカンジウム添加ジルコン酸バリウムの焼結体を調製した。
(Comparative example 1)
Scandium-added zirconate was prepared in the same manner as in Example 1, except that the substitution rate of zirconium with scandium was changed from 60 at% to 20 at%, and the target composition was changed to BaZr 0.8 Sc 0.2 O 3-δ. A sintered body of barium was prepared.

[スカンジウム添加ジルコン酸バリウム(スカンジウムによるジルコニウムの置換率が20at%)のバルクにおけるプロトン伝導度(σH。bulk)の測定]
比較例1の測定試料のプロトン伝導度測定を行った。具体的には、まず、上記焼結体の両面を研磨し、厚さ:491μmに調整した。研磨後の焼結体の両面に、それぞれ厚さ:1300nmの銀層をDCスパッタ装置(サンユー電子株式会社製、製品名:SC-701HMC II)を用いて成膜し、これを測定サンプルとした。
[Measurement of proton conductivity (σ H. bulk ) in bulk of scandium-doped barium zirconate (zirconium substitution rate by scandium is 20 at%)]
The proton conductivity of the measurement sample of Comparative Example 1 was measured. Specifically, first, both surfaces of the sintered body were polished to adjust the thickness to 491 μm. On both sides of the sintered body after polishing, a silver layer with a thickness of 1300 nm was formed using a DC sputtering device (manufactured by Sanyu Electronics Co., Ltd., product name: SC-701HMC II), and this was used as a measurement sample. .

銀メッシュ(株式会社ニラコ製)及び直径が0.1mmの金線からなる集電体を用意し、当該集電体に銀ペースト(田中貴金属工業株式会社製、製品名:TR-3025)を塗布し、測定サンプルの両研磨面に上記集電体を接着させた状態で温度55℃の乾燥機にてペーストを乾燥させた。得られた積層体を大気中にて約800℃、1時間加熱処理することで測定サンプルを得た。測定サンプルを雰囲気制御可能な電気化学計測セルと金線を介して接続した。測定試料を乾燥アルゴン雰囲気中で、約800℃まで昇温し、90分保持することで導入されているプロトンを脱水させた。その後、700℃まで降温し、700℃に到達すると同時に雰囲気を水蒸気圧が0.02atmのアルゴン雰囲気へ切り替えた。15~30分の保持することでプロトンを導入し、その後、温度を低下させながら389~88℃の温度範囲において、交流インピーダンス法によって4~8×10Hzの周波数を掃引することでプロトン伝導度を測定した。各温度におけるプロトン導入時間は、本測定中のプロトン濃度測定のために記録した。結果を図1に示す。図1中、比較例1の固体電解質を「20Sc」で示した。 Prepare a current collector consisting of a silver mesh (manufactured by Nilaco Corporation) and a gold wire with a diameter of 0.1 mm, and apply silver paste (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., product name: TR-3025) to the current collector. Then, the paste was dried in a drier at a temperature of 55° C. with the current collector adhered to both polished surfaces of the measurement sample. A measurement sample was obtained by heat-treating the obtained laminate at about 800° C. for 1 hour in the atmosphere. The measurement sample was connected to an atmosphere-controllable electrochemical measurement cell via a gold wire. The measurement sample was heated to about 800° C. in a dry argon atmosphere and held for 90 minutes to dehydrate the introduced protons. After that, the temperature was lowered to 700° C., and upon reaching 700° C., the atmosphere was switched to an argon atmosphere with a water vapor pressure of 0.02 atm. Protons were introduced by holding for 15 to 30 minutes, and proton conduction was then swept at a frequency of 4 to 8×10 6 Hz by the AC impedance method in a temperature range of 389 to 88° C. while decreasing the temperature. degree was measured. The proton introduction time at each temperature was recorded for proton concentration measurement during this measurement. The results are shown in FIG. In FIG. 1, the solid electrolyte of Comparative Example 1 is indicated by "20Sc".

図1に示されるとおり、上述のとおり実施例1で調製した固体電解質は、396~534℃の中温度域において、0.01S/cm以上の極めて優れたプロトン伝導度を有することが確認された。 As shown in FIG. 1, it was confirmed that the solid electrolyte prepared in Example 1 as described above had an extremely excellent proton conductivity of 0.01 S/cm or more in a medium temperature range of 396 to 534°C. .

[スカンジウム添加ジルコン酸バリウム(スカンジウムによるジルコニウムの置換率が60at%)のバルクにおけるプロトン濃度の測定]
プロトン伝導度を測定したスカンジウム添加ジルコン酸バリウム(スカンジウムによるジルコニウムの置換率が60at%)における、プロトン伝導度測定条件時のプロトン濃度測定を熱重量分析法にて行った。
[Measurement of Proton Concentration in Bulk of Scandium-Added Barium Zirconate (Zirconium Substitution Rate by Scandium is 60 at %)]
The proton concentration in the scandium-doped barium zirconate (the substitution rate of zirconium by scandium was 60 at %) was measured by thermogravimetric analysis under the proton conductivity measurement conditions.

具体的には、プロトン伝導度の測定で用いた焼結体をメノー乳鉢にて粉砕し、遊星型ボールミル(フリッチュ社製、製品名:遊星型ボールミル Pulverisette 7)を用いて、回転速度:300rpmで2時間、湿式粉砕し、粉砕物を得た。得られた粉体を熱重量分析装置(ネッチ社製、製品名:STA449F3 Jupiter)を用いて、乾燥アルゴン雰囲気下で1000℃、1時間の加熱処理を行った。上記粉砕物の周囲の雰囲気を、水蒸気で加湿し水蒸気分圧(pH2O)が0.02atmとなるように調整することで、スカンジウム添加ジルコン酸バリウムに対してプロトンを導入した。加湿雰囲気に切り替え、質量変化が無くなり平衡に到達するまで温度を維持した。スカンジウム添加ジルコン酸バリウム中の酸素空孔が水分子によって水和すると仮定して、上述の操作で観測された質量増加量からプロトン導入率を算出した。 Specifically, the sintered body used in the measurement of proton conductivity was pulverized in an agate mortar, and a planetary ball mill (manufactured by Fritsch, product name: planetary ball mill Pulverisette 7) was used at a rotational speed of 300 rpm. A ground product was obtained by wet grinding for 2 hours. The obtained powder was subjected to heat treatment at 1000° C. for 1 hour in a dry argon atmosphere using a thermogravimetric analyzer (product name: STA449F3 Jupiter manufactured by Netsch). Protons were introduced into the scandium-doped barium zirconate by humidifying the atmosphere around the pulverized material with water vapor and adjusting the water vapor partial pressure ( pH2O ) to 0.02 atm. The atmosphere was switched to a humidified atmosphere and the temperature was maintained until equilibrium was reached with no mass change. Assuming that oxygen vacancies in scandium-doped barium zirconate are hydrated by water molecules, the proton introduction rate was calculated from the mass increase observed in the above operation.

次いで、焼結体の温度を段階的に200℃まで下げることで、プロトン導入率の温度依存性を得た。温度を段階的に低下させることでプロトン導入率は増加していき、約400℃付近でプロトン濃度が単位ペロブスカイトあたり0.55molまで導入された。このようにして、BaZr0.4Sc0.63―δにおけるyを0.55であると決定した。結果を図2に示す。図2中、実施例1の固体電解質を「60Sc」で示した。図2には、後述する比較例1で得られた焼結体に対して同様の実験を行った結果を併記した。 Next, the temperature of the sintered body was lowered stepwise to 200° C. to obtain the temperature dependence of the proton introduction rate. As the temperature was lowered stepwise, the proton introduction rate increased, and the proton concentration was introduced up to 0.55 mol per unit perovskite at around 400°C. Thus, y in BaZr 0.4 Sc 0.6 O 3-δH y was determined to be 0.55. The results are shown in FIG. In FIG. 2, the solid electrolyte of Example 1 is indicated by "60Sc". FIG. 2 also shows the results of a similar experiment performed on the sintered body obtained in Comparative Example 1, which will be described later.

[スカンジウム添加ジルコン酸バリウム(スカンジウムによるジルコニウムの置換率が20at%)のバルクにおけるプロトン濃度の測定]
比較例1で調製したスカンジウム添加ジルコン酸バリウムにおける、プロトン伝導度測定条件時のプロトン濃度測定を熱重量分析法にて行った。
[Measurement of Proton Concentration in Bulk of Scandium-Added Barium Zirconate (Zirconium Substitution Rate by Scandium is 20 at %)]
The proton concentration of the scandium-doped barium zirconate prepared in Comparative Example 1 was measured by thermogravimetric analysis under the proton conductivity measurement conditions.

具体的には、プロトン伝導度測定で用いた焼結体を熱重量分析装置(ネッチ社製、製品名:STA449F3 Jupiter)を用いてプロトン濃度を測定した。プロトン伝導度の測定と同一の温度履歴及び雰囲気履歴を用いることで、プロトン伝導度測定中におけるスカンジウム添加ジルコン酸バリウムにおけるプロトン濃度を決定した。乾燥アルゴン雰囲気下で800℃、90分間の加熱処理後を行った。処理前の緻密体中のプロトン濃度がゼロであるとして、スカンジウム添加ジルコン酸バリウム中の酸素空孔が水分子によって水和すると仮定して、上述の操作で観測された質量増加量からプロトン導入率を算出した。 Specifically, the proton concentration of the sintered body used in the proton conductivity measurement was measured using a thermogravimetric analyzer (product name: STA449F3 Jupiter manufactured by Netsch). Using the same temperature and atmosphere histories as the proton conductivity measurements, the proton concentration in the scandium-doped barium zirconate was determined during the proton conductivity measurements. After heat treatment at 800° C. for 90 minutes in a dry argon atmosphere. Assuming that the proton concentration in the dense body before treatment is zero and that the oxygen vacancies in the scandium-doped barium zirconate are hydrated by water molecules, the proton introduction rate was calculated.

次いで、温度を段階的に低下させることでプロトン導入率は増加していき、プロトン濃度が単位ペロブスカイトあたり0.05molまで導入された。このようにして、プロトン伝導度測定に用いたBaZr0.8Sc0.23―δにおけるyを0.05であると決定した。結果を図2に示す。図2中、比較例1の固体電解質を「20Sc」で示した。 Then, the proton introduction rate was increased by lowering the temperature stepwise, and the proton concentration was introduced up to 0.05 mol per unit perovskite. Thus, y in BaZr 0.8 Sc 0.2 O 3-δH y used for proton conductivity measurement was determined to be 0.05. The results are shown in FIG. In FIG. 2, the solid electrolyte of Comparative Example 1 is indicated by "20Sc".

[スカンジウム添加ジルコン酸バリウムバルクにおける拡散係数(DH。bulk)及び会合エネルギーの算出]
交流インピーダンス法によって測定したスカンジウム添加ジルコン酸バリウムにおけるプロトン伝導度と、熱重量分析によって測定したプロトン濃度とを用いてプロトン拡散係数の温度依存性を算出した。
[Calculation of Diffusion Coefficient (D H. bulk ) and Association Energy in Scandium-Added Barium Zirconate Bulk]
Using the proton conductivity in scandium-doped barium zirconate measured by the AC impedance method and the proton concentration measured by thermogravimetric analysis, the temperature dependence of the proton diffusion coefficient was calculated.

具体的には、DH。bulk=(σH。bulkRT)/(F)で表されるNernst-Einsteinの関係式に基づき算出した。ここで、Rは気体定数、Tは温度、Fはファラデー定数、Cはプロトン濃度である。各温度におけるプロトン伝導度及びプロトン濃度を代入することでプロトン拡散係数を算出した。ここでプロトン濃度の温度依存性は図2の実線及び白抜きのシンボルで示す値を採用した。得られたプロトン拡散係数のアレニウスプロットを図3に示す。図3中、実施例1のBaZr0.4Sc0.63―δ0.55を「60Sc」で示し、比較例1のBaZr0.8Sc0.23―δ0.05を「20Sc」で示した。 Specifically, D.H. It was calculated based on the Nernst-Einstein relational expression of bulk = (σ H. bulk RT)/(F 2 C H ). where R is the gas constant, T is the temperature, F is the Faraday constant, and CH is the proton concentration. The proton diffusion coefficient was calculated by substituting the proton conductivity and proton concentration at each temperature. Here, the temperature dependence of the proton concentration employs the values indicated by the solid line and white symbols in FIG. An Arrhenius plot of the proton diffusion coefficient obtained is shown in FIG. In FIG. 3, BaZr 0.4 Sc 0.6 O 3-δH 0.55 of Example 1 is indicated by “60Sc”, and BaZr 0.8 Sc 0.2 O 3-δH 0.5 of Comparative Example 1 is indicated by “60Sc”. 05 was indicated by "20Sc".

実施例1のBaZr0.4Sc0.63―δ0.55におけるプロトン拡散係数のアレニウスプロットは、温度低下に伴い傾きが増加していた。図3に示すアレニウスプロットの623~400℃の温度範囲、及び100~48℃の温度範囲の2領域において、アレニウスプロットの傾きから、実施例1の固体電解質のプロトン拡散における活性化エネルギーを算出した。高温度域(623~400℃の温度範囲)及び低温度域(100~48℃の温度範囲)における活性化エネルギーは、それぞれ21kJ/mol、44kJ/molであり、プロトン会合体の形成による活性化エネルギーが低温度域において増加することが確認された。これらの値の差分の-23kJ/molが、プロトン会合体の形成のエネルギーである。上記のように高温度域と低温度域におけるプロトン拡散の活性化エネルギーの差を会合エネルギーとして算出した。 The Arrhenius plot of the proton diffusion coefficient in BaZr 0.4 Sc 0.6 O 3-δ H 0.55 of Example 1 increased in slope as the temperature decreased. Activation energy in proton diffusion of the solid electrolyte of Example 1 was calculated from the slope of the Arrhenius plot in two regions of the temperature range of 623 to 400° C. and the temperature range of 100 to 48° C. . The activation energies in the high temperature range (temperature range of 623 to 400 ° C.) and low temperature range (temperature range of 100 to 48 ° C.) are 21 kJ / mol and 44 kJ / mol, respectively. It was confirmed that the energy increased in the low temperature range. The difference between these values, −23 kJ/mol, is the energy of proton aggregate formation. As described above, the association energy was calculated as the difference in activation energy for proton diffusion between the high temperature range and the low temperature range.

図3に示されるとおり、比較例1のBaZr0.8Sc0.23―δ0.05における拡散係数は、スカンジウム添加ジルコン酸バリウム(スカンジウムによるジルコニウムの置換率が60at%)と比較すると低い値を示した。図3に示すアレニウスプロットの200℃以下の温度範囲において、アレニウスプロットの傾きから、比較例1の固体電解質のプロトン拡散における活性化エネルギーを算出したところ、54kJ/molと見積もられた。スカンジウム添加ジルコン酸バリウム(スカンジウムによるジルコニウムの置換率が20at%)においては、高温度域における活性化エネルギーは、スカンジウム添加ジルコン酸バリウム(スカンジウムによるジルコニウムの置換率が60at%)で得られる値と等しいと仮定して、会合エネルギーを算出し、-32kJ/molと算出した。 As shown in FIG. 3, the diffusion coefficient in BaZr 0.8 Sc 0.2 O 3-δH 0.05 of Comparative Example 1 is compared with scandium-doped barium zirconate (the substitution rate of zirconium by scandium is 60 at%). It showed a low value. In the temperature range of 200° C. or less of the Arrhenius plot shown in FIG. 3, the activation energy for proton diffusion in the solid electrolyte of Comparative Example 1 was calculated from the slope of the Arrhenius plot, and was estimated to be 54 kJ/mol. In the case of scandium-doped barium zirconate (the substitution rate of zirconium by scandium is 20 at%), the activation energy in the high temperature range is equal to the value obtained with scandium-doped barium zirconate (the substitution rate of zirconium by scandium is 60 at%). Assuming that, the association energy was calculated to be −32 kJ/mol.

[化学的安定性の評価]
プロトン伝導度測定の際に調製した実施例1の測定サンプルを用いて、化学的安定性の評価を行った。具体的には、測定サンプルに供給する水蒸気を重水(DO)と軽水(HO)とを入れ替えながら、200時間継続してプロトン伝導度の測定を行った。測定条件は、水蒸気圧:0.02atm、温度:400℃とした。なお、重水を供給した際のプロトン伝導度が0.078S/cmであり、軽水を供給した際のプロトン伝導度が0.013S/cmであった。結果を図4に示す。
[Evaluation of chemical stability]
Chemical stability was evaluated using the measurement sample of Example 1 prepared during proton conductivity measurement. Specifically, the proton conductivity was measured continuously for 200 hours while replacing the water vapor supplied to the measurement sample with heavy water (D 2 O) and light water (H 2 O). The measurement conditions were a water vapor pressure of 0.02 atm and a temperature of 400°C. The proton conductivity when heavy water was supplied was 0.078 S/cm, and the proton conductivity when light water was supplied was 0.013 S/cm. The results are shown in FIG.

図4に示されるとおり、実施例1で調製した固体電解質は、少なくとも200時間に亘ってプロトン伝導度が維持されており、得られた固体電解質が化学的に優れた安定性を有することが確認できた。 As shown in FIG. 4, the solid electrolyte prepared in Example 1 maintained proton conductivity for at least 200 hours, confirming that the obtained solid electrolyte has excellent chemical stability. did it.

[結晶粒の平均粒径の測定]
実施例1において調製したスカンジウム添加ジルコン酸バリウムの結晶粒の平均粒径を測定した。具体的には、まず、上記粉砕物を、一軸加圧成型機を用いてペレット状に成形し、更に冷間等方加圧法にて300MPaで加圧し、厚さ:2mm、直径:20mmのペレットを調製した。当該ペレットを、100mL/分の流速で乾燥空気を流しながら、1600℃で24時間加熱処理して焼結体を得た。焼結体の密度は5.3g/cmであった。次に、上記焼結体の両面を研磨し、厚さ:458μmに調整した。こうして得られた研磨後の焼結体を屈曲させて機械的に破断させ、得られた破断面を走査型電子顕微鏡にて観測した。倍率540倍で得られた1視野において、任意に300個の結晶粒を選択し、それぞれの結晶粒径(長軸)を計測した。測定された結果から頻度分布曲線を作成し、その頻度分布曲線を正規分布曲線へのフィッティングし、正規分布の中央値(ピークトップ)から平均粒径を決定した。得られた結晶粒径は6.7μmであった。図5及び図6に結果を示す。図5は、焼結体の破断面の一部を示す走査型電子顕微鏡写真を示す図である。図6は、図5に示される多結晶構造における結晶粒の粒径に関する頻度分布を示すグラフある。
[Measurement of average grain size of crystal grains]
The average grain size of the scandium-doped barium zirconate crystal grains prepared in Example 1 was measured. Specifically, first, the pulverized product is molded into pellets using a uniaxial pressure molding machine, and further pressurized at 300 MPa by a cold isostatic pressing method to obtain pellets having a thickness of 2 mm and a diameter of 20 mm. was prepared. The pellets were heat-treated at 1600° C. for 24 hours while flowing dry air at a flow rate of 100 mL/min to obtain a sintered body. The density of the sintered body was 5.3 g/cm 3 . Next, both sides of the sintered body were polished to adjust the thickness to 458 μm. The polished sintered body thus obtained was bent and mechanically fractured, and the resulting fractured surface was observed with a scanning electron microscope. In one field obtained at a magnification of 540 times, 300 crystal grains were arbitrarily selected and the grain size (major axis) of each was measured. A frequency distribution curve was created from the measured results, the frequency distribution curve was fitted to a normal distribution curve, and the average particle size was determined from the median value (peak top) of the normal distribution. The grain size obtained was 6.7 μm. The results are shown in FIGS. 5 and 6. FIG. FIG. 5 is a scanning electron micrograph showing a part of the fracture surface of the sintered body. FIG. 6 is a graph showing the frequency distribution of grain sizes of crystal grains in the polycrystalline structure shown in FIG.

(実施例2)
プロトンの導入率を変更し、組成がBaZr0.4Sc0.63-δ0.51(y=0.51)で表されるスカンジウム添加ジルコン酸バリウムを調製した。プロトン導入率の調整は、熱重量分析装置にて行った。乾燥アルゴン雰囲気下において800℃、1時間の脱プロトン処理後に、0.02atmの水蒸気分圧で加湿したアルゴン雰囲気に切り替え、450℃まで50℃毎に段階的に温度を降下した。450℃で12時間保持後に室温まで急冷し、プロトン濃度を決定した。プロトン伝導度測定は乾燥アルゴン雰囲気下で、プロトン濃度が速度論的に変化しない130℃以下の温度域にて実施した。
(Example 2)
Scandium-doped barium zirconate having a composition represented by BaZr 0.4 Sc 0.6 O 3-δ H 0.51 (y=0.51) was prepared by changing the proton introduction rate. The proton introduction rate was adjusted using a thermogravimetric analyzer. After deprotonation for 1 hour at 800°C in a dry argon atmosphere, the atmosphere was switched to a humidified argon atmosphere with a water vapor partial pressure of 0.02 atm and the temperature was lowered in steps of 50°C to 450°C. After holding at 450° C. for 12 hours, it was rapidly cooled to room temperature, and the proton concentration was determined. The proton conductivity measurement was performed in a dry argon atmosphere in a temperature range of 130° C. or less where the proton concentration does not change kinetically.

(比較例2~6)
熱重量分析装置によるプロトン導入処理温度と保持時間を変更することによって、組成式におけるy(プロトンの導入率)が、0.37(比較例2)、0.24(比較例3)、0.16(比較例4)、0.10(比較例5)、及び0.02(比較例6)としたこと以外は、実施例2と同様にして、スカンジウム添加ジルコン酸バリウムを調製した。
(Comparative Examples 2 to 6)
By changing the proton introduction treatment temperature and retention time by the thermogravimetric analyzer, y (proton introduction rate) in the composition formula was changed from 0.37 (Comparative Example 2), 0.24 (Comparative Example 3), 0.37 (Comparative Example 2), 0.24 (Comparative Example 3), Scandium-doped barium zirconate was prepared in the same manner as in Example 2, except that the values were 16 (Comparative Example 4), 0.10 (Comparative Example 5), and 0.02 (Comparative Example 6).

[プロトンの導入率による影響の評価その1]
実施例2及び比較例2~7において調製したスカンジウム添加ジルコン酸バリウム(固体電解質)それぞれについて中温度域下でのバルクにおけるプロトン拡散係数(DH。bulk)を交流インピーダンス測定によって測定し、プロトンの導入率による影響を評価した。プロトン拡散係数の算出方法は実施例1におけるプロトン伝導度の測定と同じである。結果を図7に示す。図7には、参考のため、実施例1の固体電解質を用いて行った結果(プロトン濃度が単位ペロブスカイトあたり0.55mol時の結果)を併記する。
[Evaluation of the influence of proton introduction rate 1]
For each of the scandium-doped barium zirconate (solid electrolytes) prepared in Example 2 and Comparative Examples 2 to 7, the proton diffusion coefficient (D H. bulk ) in the bulk under an intermediate temperature range was measured by AC impedance measurement, and the proton The impact of adoption rate was evaluated. The method of calculating the proton diffusion coefficient is the same as the measurement of proton conductivity in Example 1. The results are shown in FIG. For reference, FIG. 7 also shows the results of using the solid electrolyte of Example 1 (results when the proton concentration was 0.55 mol per unit perovskite).

図7に示されるとおり、プロトンの導入率が少ない固体電解質を用いた場合には、プロトン拡散係数が低く、プロトン導入率の多い実施例1及び2で調製された固体電解質を用いた場合には優れたプロトン拡散係数が発揮されることが確認できた。その結果として、実施例1で示した中温度域における高いプロトン伝導度を実現できたことが明らかになった。また、図7に示されるとおり、スカンジウム添加ジルコン酸バリウムにおいては、プロトンの導入率に応じてプロトン拡散係数が大きく変動するという、スカンジウム以外のドーパントを用いた際には見られないような挙動を示すことが確認された。 As shown in FIG. 7, when a solid electrolyte with a low proton introduction rate is used, the proton diffusion coefficient is low, and when the solid electrolytes prepared in Examples 1 and 2 with a high proton introduction rate are used, It was confirmed that an excellent proton diffusion coefficient was exhibited. As a result, it became clear that the high proton conductivity in the medium temperature range shown in Example 1 could be achieved. In addition, as shown in FIG. 7, in scandium-doped barium zirconate, the proton diffusion coefficient fluctuates greatly depending on the proton introduction rate, which is a behavior that cannot be seen when dopants other than scandium are used. It was confirmed that

[プロトンの導入率による影響の評価その2]
実施例2にて計測したプロトン拡散係数よって、プロトンに対する会合エネルギーを測定し、プロトンの導入率による影響を評価した。具体的には、BaZr0.4Sc0.63-δ0.55のプロトン拡散係数における高温度域での活性化エネルギー(Ea.high)である21kJ/molから、図7で示したプロトン拡散係数の100℃以下の低温度域にて算出される活性化エネルギー(Ea.low)を差し引くことで会合エネルギーを算出した。結果を図8に示す。
[Evaluation of the influence of proton introduction rate 2]
Based on the proton diffusion coefficient measured in Example 2, the association energy with respect to protons was measured, and the influence of the proton introduction rate was evaluated. Specifically, from the activation energy (E a.high ) in the high temperature range of BaZr 0.4 Sc 0.6 O 3-δH 0.55 in the proton diffusion coefficient of 21 kJ/mol, in FIG. The association energy was calculated by subtracting the activation energy (E a.low ) calculated in the low temperature range of 100° C. or less of the proton diffusion coefficient shown. The results are shown in FIG.

図8は、プロトンに対する会合エネルギーと、固体電解質へのプロトンの導入率との関係を示すグラフである。図8に示されるとおり、スカンジウム添加ジルコン酸バリウムにおけるプロトン導入率がスカンジウム添加率に近づくにつれて、プロトンに対する会合エネルギーが低く抑制できることが確認された。BaZr0.4Sc0.63-δにおいては、yの値が、スカンジウムによるジルコニウムの置換率(60at%)の約80%に対応する、単位ペロブスカイトあたり0.5mol以上のプロトン導入率となるプロトン濃度で、会合エネルギーが優れたプロトン伝導性を示すことができる-30kJ/mol以上となることが確認された。 FIG. 8 is a graph showing the relationship between the association energy for protons and the introduction rate of protons into the solid electrolyte. As shown in FIG. 8, it was confirmed that as the proton introduction rate in scandium-doped barium zirconate approaches the scandium addition rate, the association energy with protons can be suppressed to a low level. In BaZr 0.4 Sc 0.6 O 3-δH y , proton introduction of 0.5 mol or more per unit perovskite with a value of y corresponding to about 80% of the substitution rate of zirconium by scandium (60 at%) It was confirmed that at a proton concentration that provides a ratio, the association energy is −30 kJ/mol or more, which enables excellent proton conductivity to be exhibited.

本開示によれば、中温度域において、優れたプロトン伝導度及び化学的安定性を発揮し得る固体電解質を提供することができる。本開示によればまた、上述のような固体電解質を備える積層体を提供することができる。本開示によればまた、中温度域における動作に優れる燃料電池を提供することができる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a solid electrolyte that can exhibit excellent proton conductivity and chemical stability in a medium temperature range. According to the present disclosure, it is also possible to provide a laminate comprising the solid electrolyte as described above. According to the present disclosure, it is also possible to provide a fuel cell that is excellent in operation in a medium temperature range.

Claims (9)

一般式:BaZr1-xSc3-δで表され、xが0.20超0.65未満であり、yが0.7x~xであり、δが0~0.15xであるスカンジウム添加ジルコン酸バリウムを含む、固体電解質。 General formula: represented by BaZr 1-x Sc x O 3-δ H y , where x is more than 0.20 and less than 0.65, y is 0.7x to x, and δ is 0 to 0.15x A solid electrolyte comprising a scandium-doped barium zirconate. 前記一般式において、yは0.8x~xである、請求項1に記載の固体電解質。 2. The solid electrolyte according to claim 1, wherein y is 0.8x to x in the general formula. 前記一般式において、xが0.30以上0.65未満であり、yが0.8x~xである、請求項1又は2に記載の固体電解質。 3. The solid electrolyte according to claim 1, wherein in the general formula, x is 0.30 or more and less than 0.65, and y is 0.8x to x. プロトンに対する会合エネルギーが-30kJ/mol以上である、請求項1~3のいずれか一項に記載の固体電解質。 4. The solid electrolyte according to any one of claims 1 to 3, which has an association energy with respect to protons of -30 kJ/mol or more. 結晶粒の平均粒径が3μm以上である、請求項1~4のいずれか一項に記載の固体電解質。 The solid electrolyte according to any one of claims 1 to 4, wherein the average grain size of crystal grains is 3 µm or more. 結晶粒の平均粒径が6~7μmである、請求項1~5のいずれか一項に記載の固体電解質。 The solid electrolyte according to any one of claims 1 to 5, wherein the average grain size of crystal grains is 6 to 7 µm. 第一の電極と、前記第一の電極上に設けられた電解質膜と、前記電解質膜の前記第一の電極側とは反対側に設けられた第二の電極と、を備え、
前記電解質膜が、請求項1~6のいずれか一項に記載の固体電解質を含む、積層体。
a first electrode, an electrolyte membrane provided on the first electrode, and a second electrode provided on the opposite side of the electrolyte membrane to the first electrode side,
A laminate, wherein the electrolyte membrane comprises the solid electrolyte according to any one of claims 1 to 6.
前記電解質膜が多結晶構造を有する、請求項7に記載の積層体。 8. The laminate according to claim 7, wherein said electrolyte membrane has a polycrystalline structure. 請求項7又は8に記載の積層体を備える、燃料電池。 A fuel cell comprising the laminate according to claim 7 or 8.
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US20170288248A1 (en) * 2016-04-04 2017-10-05 Panasonic Corporation Membrane electrode assembly and solid oxide fuel cell
US10826075B2 (en) * 2016-04-19 2020-11-03 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Membrane electrode assembly of electrochemical device, membrane electrode assembly of fuel cell, fuel cell, membrane electrode assembly of electrochemical hydrogen pump, electrochemical hydrogen pump, membrane electrode assembly of hydrogen sensor, and hydrogen sensor
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