JP2541530B2 - Solid electrolyte device and manufacturing method thereof - Google Patents

Solid electrolyte device and manufacturing method thereof

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は固体電解質用複合電極に関するものである。
その装置はたとえば酸素センサ、酸素ポンプ、燃料電
池、スチーム電解質電池および電気化学的反応装置が含
まれる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a composite electrode for a solid electrolyte.
The devices include, for example, oxygen sensors, oxygen pumps, fuel cells, steam electrolyte cells and electrochemical reactors.

対象とする固体電解質装置は、2個の電極の間に保持
されて酸素イオンを通す電解質膜で通常構成される。固
体電解質材料の例には、酸化カルシウム、酸化マグネシ
ウム、酸化イットリウム、酸化スカンジウムまたはいく
つかの稀土類酸化物のうちの1つを添加することにより
部分的にまたは十分に安定化された酸化ジルコニウム
と、酸化トリウムと、または酸化カルシウムまたは酸化
イットリウムあるいは適当な稀土類酸化物の酸化物を添
加された酸化セリウムとが含まれる。それらの装置のた
めの電極はPt、Ag、Au、Pd、Ni、およびCoのような金
属、または導電度が高い金属酸化物の多孔質膜で通常構
成される。気体状酸素分子または燃料(水素、一酸化炭
素またはメタン等)と固体電解質中の酸素イオンの間の
電子の供与または受容による電荷転送反応にそれらの電
極が関与する。電極はその反応の触媒作用も助ける。た
とえば、固体電解質酸素センサおよび酸素ポンプに最も
一般的に用いられる電極材料であるPtは電極/電解質界
面における酸素電荷転送反応(O2+4e202-)に対して
は600〜700℃より高い温度で高い触媒性能を示す。電極
の物理的な性質および化学的な性質は、固体電解質装置
の応答速度および効率の決定に重要な役割を果す。
The solid electrolyte device of interest usually consists of an electrolyte membrane held between two electrodes and permeable to oxygen ions. Examples of solid electrolyte materials include zirconium oxide partially or fully stabilized by the addition of calcium oxide, magnesium oxide, yttrium oxide, scandium oxide or one of several rare earth oxides. , Thorium oxide, or cerium oxide with the addition of calcium oxide or yttrium oxide or a suitable oxide of a rare earth oxide. Electrodes for these devices are usually composed of porous membranes of metals such as Pt, Ag, Au, Pd, Ni, and Co, or highly conductive metal oxides. These electrodes participate in charge transfer reactions by donating or accepting electrons between gaseous oxygen molecules or fuel (such as hydrogen, carbon monoxide or methane) and oxygen ions in the solid electrolyte. The electrodes also help catalyze the reaction. For example, Pt, the most commonly used electrode material for solid electrolyte oxygen sensors and oxygen pumps, is used at temperatures above 600-700 ° C for oxygen charge transfer reactions (O 2 + 4e20 2- ) at the electrode / electrolyte interface. Shows high catalytic performance. The physical and chemical properties of the electrodes play an important role in determining the response rate and efficiency of solid electrolyte devices.

電位差センサすなわちネルンストセンサは、完全に、
または部分的に安定にされた酸化ジルコニウムおよびO2
/O2-酸化還元平衡に可逆な2個の電極のような固体電解
質(無視できる程度の電子伝導度を有する)の酸素イオ
ン導通膜で構成される。そのようなセルの両方の電極が
異なる酸素分圧にさらされると、セルを横切ってemfが
生ずる。そのemfは基準雰囲気としての空気に関してネ
ルンストの式により与えられる: E(mV)=0.0496T Log(0.21/pO2) ここに、pO2は未知の酸素分圧、Tは絶対温度であ
る。emfは電極に電気的に接触させることにより測定さ
れる。
The potentiometric sensor or Nernst sensor is completely
Or partially stabilized zirconium oxide and O 2
/ O 2 -Oxygen ion conducting membrane of solid electrolyte (having negligible electronic conductivity) like two electrodes reversible to redox equilibrium. When both electrodes of such a cell are exposed to different oxygen partial pressures, an emf occurs across the cell. Its emf is given by the Nernst equation for air as the reference atmosphere: E (mV) = 0.0496T Log (0.21 / pO 2 ), where pO 2 is the unknown oxygen partial pressure and T is the absolute temperature. The emf is measured by making electrical contact with the electrodes.

オーストラリア特許第466,251号には幾何学的に異な
る種々の形の固体電解質酸素センサについて記載してい
る。最も一般的に用いられる形は、固体電解質のみで作
られた端部開放または一端が閉じられている管の形であ
る。他の設計は円板形またはペレット形の固体電解質を
金属製またはセラミック製の支持管の一端に封入して用
いる。全ての場合において、基準環境、これは一般に空
気である、が管の一方の側(一般に内側)に維持され、
試験環境が管の他の側に露出される。
Australian Patent No. 466,251 describes various geometrically different solid electrolyte oxygen sensors. The most commonly used form is an open-ended or closed-end tube made of solid electrolyte only. Another design uses a disk-shaped or pellet-shaped solid electrolyte enclosed in one end of a metal or ceramic support tube. In all cases, the reference environment, which is typically air, is maintained on one side of the tube (typically inside),
The test environment is exposed on the other side of the tube.

電位差センサにおいては、電極の電流を伝える能力は
重要ではないが、特に、センサの低温度(600℃以下)
の用途においては、電荷転送率の高い電極が特に求めら
れる。600〜700℃以上では貴金属電極を有する固体電解
質酸素センサが一般に用いられる。それらの温度以下で
はそれらは応答速度が低く、インピーダンスが高くして
電気的ノイズを拾いやすく、誤差が大きく、そして煙道
ガス中の不純物に対して例外的に感度が高い。
In potentiometric sensors, the ability of the electrodes to carry the current is not critical, but especially at low sensor temperatures (below 600 ° C)
In the above application, an electrode having a high charge transfer rate is particularly required. At 600 to 700 ° C. or higher, a solid electrolyte oxygen sensor having a noble metal electrode is generally used. Below their temperature, they have a low response rate, high impedance, easy to pick up electrical noise, large error, and exceptionally high sensitivity to impurities in flue gas.

酸素ポンプ、燃料電池、スチーム電解槽および電気化
学的反応装置のような他の固体半導体電気化学的装置は
完全に安定化され、または部分的に安定化された酸化ジ
ルコニウム電解質の管で構成でき、電極がその管の外側
または内側に被覆される。そのような電池を何個か直列
に接続するか、並列に接続するか、あるいは直列および
並列に接続して希望の特製を達成できる。例えば、酸素
ポンプにおいては、酸素の発生量を増加するために何個
かのセルを共働して動作させることができる。燃料電池
の構成においては、単一セルから取出すことができる最
高理論的電圧が約1.0〜1.5ボルトであるから、全電流お
よび全電圧を増大させるために、何個かの小型セルを直
列および並列に接続できる。それら全ての装置において
は、セルの電流容量したがって全体の効率は(i)電荷
移動反応に対する電極/電解質界面抵抗、(ii)電解質
抵抗により決定される。電荷移動に対する界面抵抗は主
として電極の電気化学的挙動、物理的性質および化学的
性質に依存する。低温度における電極と電解質の抵抗値
が高いために、電池は900〜1000℃付近で動作させる必
要がある。効率を最高にし、セルの寿命を長くするため
には、それらのセルを低温度で動作させることが重要で
ある。電解質の中の電圧損失は、薄くて、機械的に強い
電解質膜を使用することにより小さくできる従来の金属
のみ、または金属酸化物のみの電極は低温度において抵
抗値が高いから、電極/電解質界面を横切る過電位損失
を減少するためにはより良い電極材料を創造する必要が
ある。
Other solid state semiconductor electrochemical devices such as oxygen pumps, fuel cells, steam electrolyzers and electrochemical reactors can consist of fully stabilized or partially stabilized zirconium oxide electrolyte tubes, Electrodes are coated on the outside or inside of the tube. Several such cells can be connected in series, in parallel, or in series and in parallel to achieve the desired customization. For example, in an oxygen pump, several cells can be operated in concert to increase oxygen production. In a fuel cell configuration, the highest theoretical voltage that can be drawn from a single cell is about 1.0-1.5 volts, so several small cells can be connected in series and parallel to increase the total current and voltage. Can be connected to. In all of these devices, the current capacity of the cell and thus the overall efficiency is determined by (i) the electrode / electrolyte interfacial resistance to the charge transfer reaction, and (ii) the electrolyte resistance. The interfacial resistance to charge transfer depends primarily on the electrochemical behavior, physical and chemical properties of the electrode. Due to the high resistance of the electrode and electrolyte at low temperatures, the battery must be operated near 900-1000 ° C. Operating the cells at low temperatures is important to maximize efficiency and extend cell life. Voltage loss in the electrolyte can be reduced by using a thin, mechanically strong electrolyte membrane. Conventional metal-only or metal oxide-only electrodes have high resistance at low temperatures, so the electrode / electrolyte interface Better electrode materials need to be created to reduce the overpotential loss across.

電子伝導(n形)または正孔伝導(p形)の半導体金
属酸化物をPtのような貴金属に組合わせた電極(この電
極を以後複合電極と呼ぶ)が金属のみ、または金属酸化
物のみの電極よりはるかに良い電極であることを我々は
見出した。それらの電極を酸素センサに用いると、動作
温度が、従来の金属電極または金属酸化物電極で達成で
きるものの600℃より十分に低い300℃にまで低くなる。
また、それらの複合電極が他の固体電気化学的装置に用
いられる場合には、それの効率を高くし、従来の金属の
み、または金属酸化物のみの電極で達成できる温度より
低い温度でそれを動作させることができる。更に、それ
ら複合電極は、金属電極または金属酸化物電極と比較し
て、抵抗値−粒子成長のような物理的特性が優れてお
り、かつ電解質の表面に良く付着する。
Electrodes (n-type) or hole-conducting (p-type) semiconductor metal oxides combined with a noble metal such as Pt (this electrode is hereinafter referred to as a composite electrode) have only metal or metal oxide only. We have found that it is a much better electrode than the electrode. The use of these electrodes in oxygen sensors reduces the operating temperature to 300 ° C, well below 600 ° C, which can be achieved with conventional metal or metal oxide electrodes.
Also, when those composite electrodes are used in other solid state electrochemical devices, they increase their efficiency and make them available at temperatures below those achievable with conventional metal-only or metal oxide-only electrodes. It can be operated. Further, the composite electrodes have excellent physical properties such as resistance value-particle growth, and adhere well to the surface of the electrolyte, as compared with metal electrodes or metal oxide electrodes.

電気化学的挙動が改善された理由は、解離反応/拡散
反応/電荷移動反応に関与する複合電極の成分と、電極
/電解質界面とによるものである。
The reason for the improved electrochemical behavior is due to the components of the composite electrode involved in the dissociation / diffusion / charge transfer reactions and the electrode / electrolyte interface.

したがって、本発明の1つの目的は、従来の貴金属電
極または金属酸化物電極が理想的でない挙動を示し始め
る温度より十分に低い温度で、酸化過剰気体条件の下で
理想的な(すなわち、ネルンスト)emfを固体電解質酸
素センサに発生させることができるようにする固体電解
質酸素センサを得ることである。本発明の別の目的は、
900℃というように高い温度にさらされた後でも電極の
良い低温度挙動を保持する電極を得ることである。
Accordingly, one object of the present invention is to provide an ideal (ie, Nernst) under oxidizing excess gas conditions at temperatures well below the temperatures at which conventional noble metal or metal oxide electrodes begin to exhibit non-ideal behavior. The object is to obtain a solid electrolyte oxygen sensor that enables the emf to be generated in the solid electrolyte oxygen sensor. Another object of the present invention is to
The aim is to obtain an electrode that retains the good low temperature behavior of the electrode even after being exposed to temperatures as high as 900 ° C.

酸素ポンプ、燃料電池電気化学的反応装置およびスチ
ーム電解槽のような固体電解質装置においては、電荷移
動反応に対する低い電極/電解質界面抵抗、したがって
電極の電流を伝える能力および電流電位特性は、電位差
酸素センサと異なって極めて重要である。
In solid electrolyte devices such as oxygen pumps, fuel cell electrochemical reactors and steam electrolyzers, the low electrode / electrolyte interfacial resistance to charge transfer reactions, and thus the ability of the electrodes to carry current and current-potential characteristics, is a potentiometric oxygen sensor Is extremely important unlike.

本発明の更に別の目的は、低温度で動作させることに
より酸素ポンプ、燃料電池、電気化学的反応装置および
スチーム電解槽の効率を高くし、エネルギー損失を減少
し、有用寿命を長くするために、酸素ポンプ、燃料電
池、電気化学的反応装置およびスチーム電解槽用の電極
材料を得ることである。
Yet another object of the present invention is to increase the efficiency of oxygen pumps, fuel cells, electrochemical reactors and steam electrolyzers by operating at low temperatures to reduce energy loss and extend useful life. , To obtain electrode materials for oxygen pumps, fuel cells, electrochemical reactors and steam electrolyzers.

したがって、本発明によれば、貴金属と、導電率が電
子(n形)伝導度または正孔(p形)伝導度である半導
体金属酸化物との混合物を備え、固体電解質装置におい
て使用する複合電極材料が得られる。
Therefore, according to the invention, a composite electrode for use in a solid electrolyte device comprising a mixture of a noble metal and a semiconductor metal oxide whose conductivity is electronic (n-type) conductivity or hole (p-type) conductivity. The material is obtained.

貴金属は白金、銀、金、イリジウム、またはロジウ
ム、またはパラジウム、あるいはそれらの金属のうちの
任意の2種類またはそれ以上の金属を混合したもの、あ
るいは合金であることが好ましい。
The noble metal is preferably platinum, silver, gold, iridium, or rhodium, or palladium, or a mixture of any two or more of these metals, or an alloy.

半導体金属酸化物は、電子伝導度が高く、温度安定度
および固体電解質に対する化学的適合性が良いというよ
うな他の求められている属性を有する適当に任意の酸化
物から選択できる。通常は酸化物は1種またはそれ以上
の遷移金属、ランタニドまたはアクチニドから選択され
る。この明細書においては、「遷移金属」は、原子番号
21〜30、39〜48、および72〜80を有する金属である。
The semiconducting metal oxide may be selected from any suitable oxide having other desirable attributes such as high electronic conductivity, good temperature stability and good chemical compatibility with solid electrolytes. Usually the oxide is selected from one or more transition metals, lanthanides or actinides. In this specification, "transition metal" means atomic number
It is a metal having 21-30, 39-48, and 72-80.

酸素センサ、酸素ポンプ、燃料電池、電気化学的反応
装置またはスチーム電解質電池のような固体電解質装置
に使用するために、複合電極材料は固体電解質体の上の
表面層の形で設けることができる。
For use in solid electrolyte devices such as oxygen sensors, oxygen pumps, fuel cells, electrochemical reactors or steam electrolyte batteries, the composite electrode material can be provided in the form of a surface layer on top of the solid electrolyte body.

本発明の一実施例に従って、表面層は貴金属と半導体
酸化物の粒子との混合物の薄い多孔質膜で構成できる。
According to one embodiment of the present invention, the surface layer may be composed of a thin porous film of a mixture of noble metal and semiconductor oxide particles.

本発明は、本発明の複合電極材料を製造する方法も含
むものである。
The present invention also includes a method of manufacturing the composite electrode material of the present invention.

電極材料の成分を、塗布、スパッタリング、イオン注
入、吹付けまたはその他の現場の化学技術または電気化
学的技術のような適当な公知の被覆法により固体電解質
の表面に付着できる。付着の前に半導体酸化物を用意す
ることが好ましいが、前駆物質を加え、または酸化物物
質の個々の成分(またはそれらを生ずる化合物)を良く
混合し、被覆を焼結することにより半導体金属酸化物製
造することが好ましい。貴金属に酸化物物質(またはそ
れの成分酸化物)が加えられる。元素金属または熱で金
属に分解できる適当な化合物を使用できる。
The components of the electrode material can be applied to the surface of the solid electrolyte by suitable known coating methods such as coating, sputtering, ion implantation, spraying or other in situ chemical or electrochemical techniques. Although it is preferred to prepare the semiconductor oxide prior to deposition, the semiconductor metal oxide may be added by adding precursors or by thoroughly mixing the individual components of the oxide material (or the compounds that give rise to them) and sintering the coating. It is preferable to manufacture the product. An oxide material (or its constituent oxides) is added to the noble metal. Any elemental metal or any suitable compound capable of being decomposed into metal with heat can be used.

本発明の電極材料により、電極と固体電解質の間の界
面インピーダンスが低い固体電気化学電池を製造でき
る。貴金属のみ、または金属酸化物のみで構成された従
来の電極を有する同様な装置は、はるかに高い電極電解
質界面インピーダンスを示す。
The electrode material of the present invention makes it possible to manufacture a solid electrochemical cell having a low interfacial impedance between the electrode and the solid electrolyte. Similar devices with conventional electrodes composed of noble metals only, or metal oxides only, exhibit much higher electrode electrolyte interface impedances.

本発明の電極材料により、典型的な空気過剰燃焼条件
の下での性能が、300℃というように低い温度までネル
ンストの式に適合するような酸素センサを製作すること
もできる。貴金属のみ、または金属酸化物のみで構成さ
れた従来の電極を有する同じセンサは、450℃以下では
ネルンストの式から大きく離れる。したがって、本発明
の電極を設けられたセンサを用いて300℃〜700℃の温度
範囲において気体(たとえば、ボイラの煙道ガス、内燃
機関の排気)の酸素電位を測定するために使用できる。
その温度範囲においては、従来の電極がネルンストemf
を発生するために補助加熱を必要とする。300℃以下の
気体の場合には、本発明の電極によりそれらの電極を30
0℃〜400℃の範囲まで補助加熱してセンサを動作させる
ことができるが、従来の電極は700℃以上に一般に加熱
される。動作温度が低いと、加熱されたセンサがボイラ
のような燃焼装置の煙の中に置かれている場合に起る危
険性が減少する。
The electrode material of the present invention also allows the fabrication of oxygen sensors whose performance under typical air overburning conditions meets the Nernst equation down to temperatures as low as 300 ° C. The same sensor with conventional electrodes composed of noble metals only or metal oxides only deviates significantly from the Nernst equation below 450 ° C. Therefore, it can be used to measure the oxygen potential of gases (eg, boiler flue gas, internal combustion engine exhaust) in the temperature range of 300 ° C. to 700 ° C. using the electrode-provided sensor of the present invention.
In that temperature range, the conventional electrode is Nernst emf
Requires auxiliary heating to generate. For gases below 300 ° C., the electrodes of the invention can
Although the sensor can be operated with auxiliary heating to the range of 0 ° C to 400 ° C, conventional electrodes are generally heated above 700 ° C. The lower operating temperature reduces the risk that occurs when a heated sensor is placed in the smoke of a combustion device such as a boiler.

本発明は、本発明の固体電極を組込んだ固体電解質も
含むものである。
The present invention also includes a solid electrolyte incorporating the solid electrode of the present invention.

以下の説明においては添附図面を参照する。 In the following description, reference will be made to the accompanying drawings.

第1図は本発明の電極を用いた酸素センサの縦断面を
示し、 第2図は酸素ポンプ、燃料電池、電気化学的反応装置
またはスチーム電解槽のような固体電解質装置に使用す
る電池1つの態様を示し、 第3図は電極の抵抗値(R0)と複合電極〔(U0.38Sc
0.62)O2+xおよびPtO2で構成された〕組成の3つの異な
る温度における関係のプロットを示すグラフ、 第4図は600℃における電極時定数と複合電極〔(U
0.38Sc0.62)O2+xおよびPtO2で構成された〕組成との関
係のプロットを示すグラフ、 第5図は電極の抵抗値(R0)と複合電極〔(CrNbO4
よびPtO2で構成された〕組成との関係のプロットを示す
グラフ、 第6図は電極時定数と複合電極〔(CrNbO4およびPtO2
で構成された〕組成との関係のプロットを示すグラフ、 第7図は金属酸化物(CrNbO4)電極の電流電圧特性
と、この金属酸化物75wt%+25wt%PtO2より成る複合電
極とを比較するグラフ、 第8図は複合電極を構成する個々の金属酸化物または
金属が設けられたセンサに対する匹敵する結果を含む、
本発明の1つの複合電極材料が設けられた酸素センサの
性能を示すグラフ、 第9〜17図は種々の半導体金属酸化物のセンサ性能と
その金属酸化物およびPt(PtO2として加えられた)を構
成する複合電極のセンサ性能を比較するグラフ、 第18図はCrNbO4電極とPtO2電極の個々の性能と、種々
の比の2種類の材料より成る複合電極との比較するグラ
フである。
FIG. 1 shows a longitudinal section of an oxygen sensor using the electrode of the present invention, and FIG. 2 shows one of the batteries used in a solid electrolyte device such as an oxygen pump, a fuel cell, an electrochemical reactor or a steam electrolyzer. shows the embodiment, the composite electrode Figure 3 is the resistance value of the electrode and the (R 0) [(U 0.38 Sc
0.62 ) O 2 + x and PtO 2 ] composition plots at three different temperatures, FIG. 4 shows the electrode time constant at 600 ° C. and the composite electrode [(U
0.38 Sc 0.62 ) composed of O 2 + x and PtO 2 ] composition and plot, FIG. 5 shows electrode resistance (R 0 ) and composite electrode [composed of (CrNbO 4 and PtO 2 Fig. 6 shows a plot of the relationship between the composition and the composition of the composite electrode [(CrNbO 4 and PtO 2
Fig. 7 shows a plot of the relationship with the composition of the metal oxide (Fig. 7). Fig. 7 compares the current-voltage characteristics of a metal oxide (CrNbO 4 ) electrode with a composite electrode consisting of 75 wt% + 25 wt% PtO 2. , FIG. 8 includes comparable results for sensors provided with individual metal oxides or metals that make up the composite electrode,
One composite electrode graphs material shows the performance of the oxygen sensor provided according to the present invention, the 9 to 17 FIG various sensor performance of the semiconductor metal oxide and the metal oxide and Pt (added as PtO 2) FIG. 18 is a graph comparing the sensor performances of the composite electrodes constituting the above, and FIG. 18 is a graph comparing the individual performances of the CrNbO 4 electrode and the PtO 2 electrode with the composite electrode composed of two kinds of materials with various ratios.

第8〜18図において、実線は理論的な応答を表し、記
号は測定された応答を示す。明確にするために、第8〜
18図の縦軸尺度は、各図の右側におけるスケール線によ
り示されているように、各組のデータごとに別々に示さ
れている。
In Figures 8-18, the solid line represents the theoretical response and the symbols represent the measured response. For clarity, number 8 ~
The ordinate scale in Figure 18 is shown separately for each set of data, as indicated by the scale line on the right side of each figure.

気体に用いる、本発明の電極材料で構成された完全な
センサの1つの態様を第1図に示す。中空のセラミック
体10の一端が固体電解質円板11により閉じられる。本発
明の電極12,13が円板11の内面と外面にそれぞれ配置さ
れる。電極への電気的接触が金属線14,15により行なわ
れる。線14は、絶縁管16により加えられる、はね荷重
(図示せず)によって電極12へ押しつけられる。管16は
基準ガス、例えば空気、を電極12へ運ぶためにも使用で
きる。管16が多孔管であれば、電解質円板11の温度を決
定するために熱電対(線14と17)を通すこともできる。
その場合には線14は熱電対の一方の脚を形成する。
One embodiment of a complete sensor constructed of the electrode material of the present invention for use in gas is shown in FIG. One end of the hollow ceramic body 10 is closed by a solid electrolyte disc 11. The electrodes 12 and 13 of the present invention are arranged on the inner surface and the outer surface of the disc 11, respectively. Electrical contact to the electrodes is made by the metal wires 14,15. The wire 14 is pressed against the electrode 12 by a spring load (not shown) exerted by an insulating tube 16. Tube 16 can also be used to carry a reference gas, such as air, to electrode 12. If the tube 16 is a perforated tube, thermocouples (lines 14 and 17) can also be passed through to determine the temperature of the electrolyte disc 11.
In that case the wire 14 forms one leg of the thermocouple.

電極12,13へ電気的接触を行なうために線14,15の代り
に、例えば白金、金、パラジウム、銀、またはそれらの
金属の合金の層、または電極材料自体の層をセラミック
体の内面と外面に付着し、電極12,13からセンサの開放
端部まで延長させたものを用いることができる。それら
の層はセラミック体の面を完全に覆うこともできれば、
セラミック体10の一部だけを覆う連続した帯状の層とす
ることもできる。
Instead of the wires 14,15 for making electrical contact to the electrodes 12,13, for example, a layer of platinum, gold, palladium, silver, or an alloy of these metals, or a layer of the electrode material itself is used as the inner surface of the ceramic body. What is attached to the outer surface and extended from the electrodes 12, 13 to the open end of the sensor can be used. The layers could completely cover the surface of the ceramic body,
It may be a continuous strip-shaped layer that covers only a part of the ceramic body 10.

融けた金属に使用するためには外部電極13は不要であ
る。電気的接触は、センサに取付けられているが固体電
解質円板11には直接接触していない線15を用いて、また
は前述したように外面またはセラミック体上の金属層を
用いて、あるいはセンサに近い別の導電体を用いて、セ
ンサの付近の融けている金属に対して行なうことができ
る。長期間にわたって測定するためには、外部の電気的
接触が融けている金属中に溶解されないか、融けている
金属により侵されないことが重要である。基準気体、例
えば空気、が用いられると内部電極12と電気的接触14を
必要とする。
The external electrode 13 is not required for use with molten metal. The electrical contact is made by means of a wire 15 attached to the sensor but not in direct contact with the solid electrolyte disc 11, or as described above, by means of a metal layer on the outer surface or ceramic body, or on the sensor. Another nearby conductor can be used to do the melting metal near the sensor. For long term measurements it is important that the external electrical contacts are not dissolved in or attacked by the molten metal. If a reference gas, such as air, is used, it requires internal electrodes 12 and electrical contact 14.

あるいは、気体または融けている金属に使用するため
のものは、固体電解質を端部が閉じられた管または他の
類似の中空の形にして、円板11とセラミック体10の代り
に用いることができる。気体を測定する場合に特に適切
である別のものは、基準環境、例えば空気、を外部電極
13に接触させ、かつ試験する気体または融けている金属
がセンサの内部を占めることである。気体の場合には、
その気体を管16により内部電極12へ送ることができる。
Alternatively, for use with gases or molten metals, the solid electrolyte may be a closed-end tube or other similar hollow shape and used in place of the disk 11 and ceramic body 10. it can. Another that is particularly suitable when measuring gases is to use a reference environment, for example air, as an external electrode.
The gas or molten metal to be contacted and tested at 13 occupies the interior of the sensor. In the case of gas,
The gas can be delivered to the inner electrode 12 by a tube 16.

酸素センサ以外の固体電気化学装置に使用する電池の
1つの態様が第2図に示されている。中空の多孔質セラ
ミック基体20に本発明の電極の薄い層21が付着される。
それから、セラミック処理技術の適当な組合わせによ
り、この電極の上に不透過性電解質層22が形成される。
それから、本発明の材料の外部電極層23が電解質層の外
面上に形成される。この構造の別のものは多孔質基体支
持体を使用せず、本発明の電極を予め焼結された電解質
管の内面と外面に被覆することである。
One embodiment of a battery for use in a solid state electrochemical device other than an oxygen sensor is shown in FIG. A thin porous layer 21 of the electrode of the present invention is deposited on a hollow porous ceramic substrate 20.
An impermeable electrolyte layer 22 is then formed over this electrode by a suitable combination of ceramic processing techniques.
Then, an external electrode layer 23 of the material of the present invention is formed on the outer surface of the electrolyte layer. An alternative to this structure is the use of a porous substrate support without coating the electrodes of the present invention on the inner and outer surfaces of a pre-sintered electrolyte tube.

下記の実施例は本発明の複合電極の製造、およびそれ
らの電極を組込まれている固体電解質装置の挙動とを示
すものである。
The following examples demonstrate the production of composite electrodes of the present invention and the behavior of solid electrolyte devices incorporating those electrodes.

実施例1 個々の金属または金属酸化物より本発明の複合電極の
優れた特性を示すために、半導体酸化物の広い範囲から
材料を選択した。それらには:(i)異なる結晶構造、
(蛍石、金紅石、斜方晶形、六角形、単斜晶形等);
(ii)変化する程度の非化学量論的(例えば、V2O5,LaN
iO3およびCr2O3対PrO2-y,TbO2-y,(PrzGd1-z)O2-x,(N
d0.9Sr0.1)CoO3-x等);(iii)簡単な遷移金属酸化物
(CoO,NiO,MnO2,ZnO等);(iv)稀土類酸化物(Ce
O2-x,PrO2-y,TbO2-y);(v)2種類または3種類の金
属酸化物の間の化合物(CrVO4,CrNbO4,LaCrO3,PrCoO3,
(La0.8Sr0.2)CrO3-x,(Nd0.9Sr0.1)CoO3-x等。);
固溶体〔(UzM1-z)O2±x(M=Sc,Y,Pr,Dy),(Pr
zGd1-z)O2-x〕;および(vii)n形(電子伝導)また
はp形(正孔伝導)伝導形の材料。
Example 1 Materials were selected from a wide range of semiconductor oxides to demonstrate the superior properties of the composite electrode of the present invention over individual metals or metal oxides. They include: (i) different crystal structures,
(Fluorite, pearlite, orthorhombic, hexagonal, monoclinic, etc.);
(Ii) varying degree of non-stoichiometry (eg V 2 O 5 , LaN
iO 3 and Cr 2 O 3 vs. PrO 2-y , TbO 2 -y , (Pr z Gd 1-z ) O 2-x , (N
d 0.9 Sr 0.1 ) CoO 3-x etc.); (iii) Simple transition metal oxides (CoO, NiO, MnO 2 , ZnO etc.); (iv) Rare earth oxides (Ce)
O 2-x, PrO 2- y, TbO 2-y); (v) Compound between two or three metal oxide (CrVO 4, CrNbO 4, LaCrO 3, PrCoO 3,
(La 0.8 Sr 0.2 ) CrO 3-x , (Nd 0.9 Sr 0.1 ) CoO 3-x, etc. );
Solid solution [(U z M 1-z ) O 2 ± x (M = Sc, Y, Pr, Dy), (Pr
z Gd 1-z ) O 2-x ]; and (vii) n-type (electron conduction) or p-type (hole conduction) conduction type material.

簡単な金属酸化物および稀土類酸化物を化学製造会社
から得た。2種類またはそれ以上の金属酸化物の間の固
溶体および化合物を下記の方法の1つにより製造した。
Simple metal oxides and rare earth oxides were obtained from a chemical manufacturer. Solid solutions and compounds between two or more metal oxides were prepared by one of the following methods.

(i) 求められている組成を与える金属塩を水性媒体
に溶解し、それからアンモニア水溶液との共沈を行な
う。共沈された粉末を高温度で乾燥し、焼成した。
(I) A metal salt that gives the required composition is dissolved in an aqueous medium and then coprecipitated with an aqueous ammonia solution. The coprecipitated powder was dried at high temperature and calcined.

(ii) 第2の方法は、金属窒化物を(希望の量だけ)
水に溶解し、その溶液を注意しつつ乾燥する。それか
ら、乾燥された物質を粉末にし、高温度で焼結した。
(Ii) The second method is to use metal nitride (only the desired amount).
Dissolve in water and carefully dry the solution. The dried material was then powdered and sintered at high temperature.

(iii) 遷移金属酸化物をエタノール中で完全に混合
し、乾燥し、高温度に加熱した。反応を完結させるため
に粉末を何回も粉砕し、焼成することが必要である。
(Iii) The transition metal oxide was thoroughly mixed in ethanol, dried and heated to high temperature. It is necessary to grind and calcine the powder many times to complete the reaction.

金属酸化物の間の反応の完結は焼成された粉末のX線
回折写真を撮影し、その結果を文献のデータと比較す
る。
Completion of the reaction between the metal oxides is done by taking an X-ray diffraction photograph of the calcined powder and comparing the results with the literature data.

試験した種々の金属酸化物を第1表に示す。 The various metal oxides tested are shown in Table 1.

添字「x」は対象とする酸化物に対する理想的な酸素
/金属原子比からの大きい逸脱を示し、「y」は大きい
逸脱を示す。
The subscript "x" indicates a large deviation from the ideal oxygen / metal atomic ratio for the oxide of interest, and "y" indicates a large deviation.

実施例2 エタノールが蒸発するまでトリエチレン・グリコール
の25%溶液で粉末状酸化物を粉砕することにより、第1
表に示す種々の酸化物のトリエチレン・グリコール中の
細かいペーストを製造した。一様で、一貫したペースト
が得られるまでこの作業を何回も繰返した。
Example 2 First by grinding the powdered oxide with a 25% solution of triethylene glycol until the ethanol has evaporated
Fine pastes in triethylene glycol of the various oxides shown in the table were prepared. This operation was repeated many times until a uniform and consistent paste was obtained.

実施例3 比が異なる何種類かの二酸化白金と(U0.38Sc0.62
O2+xを実施例2で述べた方法により製造した。第2表は
複合電極の組成と名称を示すものである。
Example 3 Several kinds of platinum dioxide having different ratios (U 0.38 Sc 0.62 )
O 2 + x was prepared by the method described in Example 2. Table 2 shows the composition and name of the composite electrode.

実施例4 実施例2で述べた方法により、二酸化白金とCrNbO4
比が異なるいくつかのペーストを製造した。第3表は複
合電極の組成および名称を示すものである。
Example 4 By the method described in Example 2, several pastes with different ratios of platinum dioxide and CrNbO 4 were prepared. Table 3 shows the composition and name of the composite electrode.

実施例5 実施例2において述べた方法により、25重量パーセン
トのトリエチレングリコールと75重量パーセントの金属
酸化物の混合物を含む複合電極の細かなペーストを製造
した。複合電極の組成を第4表に示す。
Example 5 A fine paste of a composite electrode containing a mixture of 25 weight percent triethylene glycol and 75 weight percent metal oxide was prepared by the method described in Example 2. The composition of the composite electrode is shown in Table 4.

実施例6 第2〜4表からのいくつかの複合電極を空気中におい
て600℃で10〜15時間加熱した。加熱した電極のX線回
折写真は、二酸化白金が金属酸化物と反応することなし
に白金に分解されたことを示している。複合電極の電極
挙動を決定するためにそれらの複合電極に対して行なっ
た全ての試験において、二酸化白金を白金に分解するた
めにそれらの複合電極を600℃において予め熱処理し
た。全ての試験において、複合電極は白金と金属酸化物
で構成されていたが、便宜上、それらの複合電極は金属
酸化物と二酸化白金で構成されているものとした。Pt/
金属酸化物の最後の重量比はPtO2/金属酸化物の重量比
とは僅かに異なるだけである。
Example 6 Some composite electrodes from Tables 2-4 were heated in air at 600 ° C for 10-15 hours. The X-ray diffraction pattern of the heated electrode shows that platinum dioxide decomposed to platinum without reacting with the metal oxide. In all the tests performed on the composite electrodes to determine the electrode behavior of the composite electrodes, the composite electrodes were preheated at 600 ° C. to decompose platinum dioxide into platinum. In all tests, the composite electrodes consisted of platinum and metal oxide, but for convenience, these composite electrodes were assumed to consist of metal oxide and platinum dioxide. Pt /
The final weight ratio of metal oxide is only slightly different from the weight ratio of PtO 2 / metal oxide.

実施例7A 実施例3(第2表)における複合電極を、7モル%Y2
O3+93モル%ZrO2(YSZ7)電解質の焼結された円板(直
径9.6〜9.7mm、厚さ約2.5mm、密度電解質円板について
理論的に約95%)の平らな両面に塗布し、空気中におい
て600℃で15時間加熱した。それから、USN/YSZ7/USN
(N=1,2,3,4,5,6または7)セルを450〜600℃の温度
範囲および0.5mHz〜1MHzの周波数範囲にわたって複合イ
ンピーダンス測定を行なった。インピーダンス測定はソ
ーラートロン(solartron)1174周波数応答分析装置で
行なった。電極抵抗値(これは電極/電解質界面におけ
る酸素交換反応の速度を決定する)と、酸素分圧の変化
のような変動に対する固体電気化学電池の応答速度を決
定する時定数τとを、複素平面内のインピーダンスデ
ータの標準分析により決定した。
Example 7A The composite electrode of Example 3 (Table 2) was treated with 7 mol% Y 2
O 3 +93 mol% ZrO 2 (YSZ7) applied on both flat sides of sintered disc (diameter 9.6-9.7 mm, thickness about 2.5 mm, theoretically about 95% for density electrolyte disc) , Heated in air at 600 ° C. for 15 hours. Then USN / YSZ7 / USN
Complex impedance measurements were performed on (N = 1,2,3,4,5,6 or 7) cells over a temperature range of 450-600 ° C. and a frequency range of 0.5 mHz-1 MHz. Impedance measurements were made on a Solartron 1174 frequency response analyzer. The electrode resistance (which determines the rate of the oxygen exchange reaction at the electrode / electrolyte interface) and the time constant τ 0 , which determines the response rate of the solid state electrochemical cell to variations such as changes in oxygen partial pressure, are complex Determined by standard analysis of in-plane impedance data.

第3図に、種々の温度における電極抵抗値R0と二酸化
白金の重量パーセントとの関係を示す。それらのグラフ
は15〜35wt%PtO2において最小値を示す。単に15wt%Pt
O2を加えただけで初めに約1桁も電極抵抗値が減少して
いることは劇的である。35wt%以上のPtO2含有量では、
電極抵抗値は非常に急激に増大している。
FIG. 3 shows the relationship between the electrode resistance value R 0 and the weight percentage of platinum dioxide at various temperatures. The graphs show a minimum at 15-35 wt% PtO 2 . Simply 15wt% Pt
It is dramatic that the electrode resistance value is reduced by about an order of magnitude only by adding O 2 . With a PtO 2 content of 35 wt% or more,
The electrode resistance value is increasing very rapidly.

第4図には、600℃におけるlogτと二酸化白金の重
量パーセントとの関係のグラフが示されている。このグ
ラフも40wt%PtO2付近において最小値であることを示
す。
FIG. 4 shows a graph of the relationship between log τ 0 and the weight percentage of platinum dioxide at 600 ° C. This graph also shows the minimum value near 40 wt% PtO 2 .

実施例7B 実施例6(第3表)において述べた複合電極を10モル
%酸化イットリウム+90モル%酸化ジルコニウム電解質
円板に塗布し、実施例7Aにおけるようにインピーダンス
測定を行なった。第5図は電極抵抗値のグラフを示し、
第6図は600℃におけるCNX/YSZ7/CNX(X=1,2,3,4,5ま
たは6)セルに対する二酸化白金の重量パーセントと時
定数の関係を示すグラフである。それらのグラフは、電
極抵抗値と時定数が25wt%付近で最小値であることを示
す。
Example 7B The composite electrode described in Example 6 (Table 3) was applied to a 10 mol% yttrium oxide + 90 mol% zirconium oxide electrolyte disc and impedance measurements were made as in Example 7A. FIG. 5 shows a graph of the electrode resistance value,
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the weight percentage of platinum dioxide and the time constant for CNX / YSZ7 / CNX (X = 1,2,3,4,5 or 6) cells at 600 ° C. The graphs show that the electrode resistance and the time constant are minimum values near 25 wt%.

実施例7C 実施例6(第3表)において述べた複合電極を10モル
%酸化イットリウム+90モル%酸化ジルコニウムを電解
質円板に塗布し、実施例7Aにおけるようにインピーダン
ス測定を行なった。第5図は電極抵抗値のグラフを示
し、第6図は600℃におけるCNX/YSZ7/CNX(X=1,2,3,
4,5または6)電池に対する二酸化白金の重量パーセン
トと時定数の関係を示すグラフである。それらのグラフ
は、電極抵抗値と時定数が25wt%付近で最小値であるこ
とを示す。
Example 7C The composite electrode described in Example 6 (Table 3) was coated with 10 mol% yttrium oxide + 90 mol% zirconium oxide on an electrolyte disc and impedance measurements were performed as in Example 7A. Fig. 5 shows a graph of electrode resistance, and Fig. 6 shows CNX / YSZ7 / CNX (X = 1,2,3,600 at 600 ℃.
4,5 or 6) is a graph showing the relationship between the weight percentage of platinum dioxide and the time constant for a battery. The graphs show that the electrode resistance and the time constant are minimum values near 25 wt%.

25〜40wt%のPtO2を含んでいる複合電極の時定数と電
極抵抗値は、複合電極のいずれの成分の時定数および抵
抗値より少なくとも1桁小さい。それらの結果は、複合
電極/電解質界面における酸素交換反応が、金属/電解
質界面または金属酸化物/電解質界面における酸素交換
反応よりはるかに速いことを明らかに示している。ま
た、それらの結果は複合電極の両方の成分が酸素移動の
運動力学に関与することも示している。
Constant and electrode resistance value when the composite electrode containing a PtO 2 in 25~40Wt% is at least one order of magnitude smaller than the constant and the resistance value when any of the components of the composite electrode. The results clearly show that the oxygen exchange reaction at the composite electrode / electrolyte interface is much faster than the oxygen exchange reaction at the metal / electrolyte interface or the metal oxide / electrolyte interface. The results also indicate that both components of the composite electrode are involved in the kinetics of oxygen transfer.

本発明の材料について観察されたそれらの現象は独特
のものであり、以前には観察または報告されなかったも
のである。
Those phenomena observed for the materials of the present invention are unique and have not previously been observed or reported.

実施例8 電流電圧特性を決定するために、2個のセル、1個が
金属酸化物のみ(CrNbO4)、第2のセルが75wt%CrNbO4
+25wt%PtO2より成る電極が設けられる、が、10モル%
酸化イットリウム+90モル%酸化ジルコニウム電解質の
焼結された円板の両方の平らな面にそれぞれの電極を塗
布することにより製造された。各セルの温度を空気中で
700℃まで上昇させ、そのセルに対して測定を行なうま
でにそのセルを周囲と平衡状態になるように数時間放置
した。電流電圧特性を定電流遮断技術(galvanostatic
current interruption technique)により、500〜700℃
のいくつかの温度にわたって記録した。この方法では、
定常電圧に達するまで、動作電極−電解質−対向電極を
通って一定の電流が流された。それから高速電子スイッ
チ(スイッチング時間(0.1マイクロ秒)によりその電
流を遮断し、トランジェント記録計により時間の関数
(電流が断たれてから10マイクロ秒後)として電圧を記
録した。各電流値についてのデータを解析することによ
り固体電解質内の電圧降下(オーム降下)と、両方の電
極/電解質界面の間の電圧降下(過電位)が与えられ
る。第7図においては、複合電極に対して過電位−電流
密度(電流は電極/電解質接触面積の1cm2に対して正規
化した)関係が、対応する金属酸化物のみの電極と比較
されている。それらの結果は、複合電極/電解質界面に
おける過電位損失が、対応する金属酸化物のみの電極/
電解質界面における過電位損失よりはるかに少ないこと
を明らかに示している。それらの実験は、電極の電流を
伝える能力が重要であるような用途において、金属酸化
物のみの電極より複合電極の特性が明らかに優れている
ことを示すものである。
Example 8 To determine the current-voltage characteristics, two cells were used, one was a metal oxide only (CrNbO 4 ), and the second was 75 wt% CrNbO 4
An electrode consisting of +25 wt% PtO 2 is provided, but 10 mol%
It was prepared by applying the respective electrodes to both flat sides of a sintered disc of yttrium oxide + 90 mol% zirconium oxide electrolyte. Temperature of each cell in air
The temperature was raised to 700 ° C., and the cell was allowed to stand for several hours until it was in equilibrium with the surroundings before measurement was performed on the cell. Constant current cutoff technology (galvanostatic)
Current interruption technique) 500-700 ℃
Was recorded over several temperatures. in this way,
A constant current was passed through the working electrode-electrolyte-counter electrode until a steady voltage was reached. Then a fast electronic switch (switching time (0.1 microseconds) interrupted the current, and a transient recorder recorded the voltage as a function of time (10 microseconds after the current was interrupted). The voltage drop in the solid electrolyte (ohmic drop) and the voltage drop between both electrode / electrolyte interfaces (overpotential) are given by the analysis of. The current density (current is normalized to 1 cm 2 of electrode / electrolyte contact area) relationship is compared with the corresponding metal oxide only electrode, and the results show the overpotential at the composite electrode / electrolyte interface. Electrode with loss only corresponding metal oxide /
It clearly shows that it is much less than the overpotential loss at the electrolyte interface. These experiments show that composite electrodes have distinctly superior properties to metal oxide only electrodes in applications where the electrode's ability to carry current is important.

実施例9 第1図に示されているような種類の酸素センサを、第
1〜4表に示す電極を用いて製造した。各場合に用いた
電解質円板は50wt%のアルミナと、4.7モル%の酸化ス
カンジウムを含む50wt%の酸化ジルコニウム−酸化スカ
ンジウムとの混合物を焼結したもので構成されていた。
固体電解質円板をアルミナ管に高温度で共融溶接するこ
とによってセンサ体を製作した。溶接された電解質円板
の平らな両側に、試験中の電極(Pt、金属酸化物、また
はPtO2と金属酸化物より成る複合物質)を塗布すること
により完全なセンサを製作した。そのセンサ組立体を60
0℃において徐々に加熱してトリエチレングリコールを
燃焼し、複合電極の場合にはPtO2をPtに分解もする。
Example 9 An oxygen sensor of the kind shown in FIG. 1 was manufactured using the electrodes shown in Tables 1-4. The electrolyte disk used in each case consisted of a sintered mixture of 50 wt% alumina and 50 wt% zirconium oxide-scandium oxide containing 4.7 mol% scandium oxide.
A sensor body was manufactured by eutectic welding a solid electrolyte disc to an alumina tube at high temperature. A complete sensor was fabricated by applying the electrode under test (Pt, metal oxide, or a composite of PtO 2 and metal oxide) to both flat sides of a welded electrolyte disc. 60 sensor assembly
It gradually heats at 0 ° C to burn triethylene glycol and decompose PtO 2 into Pt in the case of a composite electrode.

300℃〜600℃においてセンサの性能試験を行なった。
それらの試験は(i)両方の電極における空気と、内部
電極における空気と、外部電極における酸素−窒素の混
合物(1〜100パーセントの酸素)とによりセル電圧
(E)の決定と、(ii)1桁のオーダーの内部空気流量
の変化がセル電圧に及ぼす影響と、(iii)両方の電極
における空気によるセンサ抵抗値の測定とで構成され
た。ほとんどの試験を加熱サイクルと冷却サイクルの間
に25℃の温度間隔で行なった。個々の成分より複合電極
が優れている特性を有することを示すために、第1〜4
表に示されている全ての電極を含めて81個以上の全ての
電極が試験された。
The performance test of the sensor was conducted at 300 ° C to 600 ° C.
These tests consisted of (i) determination of the cell voltage (E) with air at both electrodes, air at the inner electrode and oxygen-nitrogen mixture (1-100 percent oxygen) at the outer electrode, and (ii) It consisted of the effect of changes in internal air flow rate on the order of one digit on the cell voltage, and (iii) the measurement of sensor resistance by air at both electrodes. Most of the testing was done at 25 ° C temperature intervals between heating and cooling cycles. In order to show that the composite electrode has superior properties to the individual components, first to fourth
All 81 or more electrodes were tested, including all electrodes shown in the table.

第5表は複合電極を設けられたセンサと、個々の金属
酸化物のみの電極が設けられたセンサの600℃における
センサ抵抗値を比較したものである。それらの抵抗値は
電解質抵抗値(何個かのセルのインピーダンス分散解析
により決定される)も含む。その電解質抵抗値は600℃
において0.6〜1.2Kオームである。複合電極が設けられ
ているセンサの抵抗値は、半導体金属酸化物のみの電極
を設けられているセンサの抵抗値より常にはるかに低
い。金属酸化物のみの電極を設けられているセンサの抵
抗値ははるかに高いから、400〜500℃以下の温度におい
て拾われる電気的ノイズに対してそれらのセンサは極め
て敏感である。これとは対照的に、複合電極が設けられ
ているセンサは350℃という低い温度でもそのような感
度は示さなかった。
Table 5 compares the sensor resistance values at 600 ° C. of the sensor provided with the composite electrode and the sensor provided with the electrode only of the individual metal oxides. Those resistances also include electrolyte resistances (determined by impedance dispersion analysis of some cells). Its electrolyte resistance is 600 ℃
At 0.6 to 1.2K ohms. The resistance value of a sensor provided with a composite electrode is always much lower than the resistance value of a sensor provided with an electrode of semiconductor metal oxide only. Since the resistance of sensors provided with metal oxide only electrodes is much higher, they are extremely sensitive to electrical noise picked up at temperatures below 400-500 ° C. In contrast, sensors equipped with composite electrodes did not exhibit such sensitivity even at temperatures as low as 350 ° C.

酸化物のみ電極または白金電極を設けられたセンサの
零誤差が大きく(両方の電極に空気あり)、ネルンスト
関係からの大きい逸脱を示した(内部電極に空気があ
り、外部電極に酸素−窒素混合物がある)。これとは対
照的に、複合電極が設けられた先は350℃またはそれ以
下まで満足に動作した。第8〜18図は第1表と第4表に
示されている電極が設けられているいくつかのセンサの
結果を比較したものである。
Sensors equipped with oxide-only electrodes or platinum electrodes have large zero error (both electrodes have air) and show a large deviation from the Nernst relationship (air on the inner electrode, oxygen-nitrogen mixture on the outer electrode). There is). In contrast, the composite electrode tip operated satisfactorily up to 350 ° C or below. Figures 8-18 compare the results of several sensors provided with the electrodes shown in Tables 1 and 4.

一般に、酸化物のみ電極または白金電極を設けられた
センサは、基体の流量変化に対する感度が、金属酸化物
+PtO2電極が設けられているセンサよりもはるかに高
い。
In general, a sensor provided with an oxide-only electrode or a platinum electrode is much more sensitive to changes in the flow rate of the substrate than a sensor provided with a metal oxide + PtO 2 electrode.

それらの結果は、固体電解質酸素センサ上の金属酸化
物のみ電極または多孔質白金電極よりも、本発明の複合
電極がはるかに優れた低温度性能を有することを明らか
に示している。特に、複合電極材料により、多孔質白金
電極または金属酸化物電極を設けられた類似のセンサの
限度より十分に低い300℃もの低い温度において酸素セ
ンサが確実に動作できるようにされる。
The results clearly show that the composite electrode of the present invention has much lower temperature performance than the metal oxide only electrode or the porous platinum electrode on the solid electrolyte oxygen sensor. In particular, the composite electrode material ensures that the oxygen sensor can operate at temperatures as low as 300 ° C., well below the limits of similar sensors provided with porous platinum or metal oxide electrodes.

実施例10 金属酸化物のみ電極と白金電極の気体流中の酸素濃度
の急激な変化に対する応答と、金属酸化物+PtO2電極の
気体流中の酸素濃度の急激な変化に対する応答とを比較
するために、10モル/Y2O3+90モル%ZrO2焼結円板(直
径約0.3mm、厚さ25〜3.0mm)の1つの平らな側に金属酸
化物のみ電極または白金電極を塗布し、他の側に金属酸
化物+PtO2電極を塗布した。セルの両方の電極を酸素濃
度の急激な変化に同時にさらした。セルの両方の電極の
応答が異なるとすると、電圧信号が発生される。電圧−
時間カーブの符号と形が両方の電極の相対的な応答速度
についての情報を与える。それらの測定を300℃と500℃
の間の温度においていくつかの組の電極に対して行なっ
た結果、金属酸化物のみ電極または白金電極より複合電
極の特性が優れていることが示された。全ての場合にお
いて、金属酸化物+PtO2で構成されている複合電極は、
金属酸化物のみ電極または白金電極と比較してはるかに
速く応答した。
Example 10 To compare the response of a metal oxide only electrode and a platinum electrode to a rapid change in oxygen concentration in a gas flow and the response of a metal oxide + PtO 2 electrode to a rapid change in oxygen concentration in a gas flow. , 10 mol / Y 2 O 3 +90 mol% ZrO 2 sintered disc (diameter about 0.3 mm, thickness 25-3.0 mm) is coated with metal oxide only electrode or platinum electrode on one flat side, The other side was coated with a metal oxide + PtO 2 electrode. Both electrodes of the cell were simultaneously exposed to a sharp change in oxygen concentration. Given the different response of both electrodes of the cell, a voltage signal is generated. Voltage −
The sign and shape of the time curve give information about the relative response speed of both electrodes. Measure those at 300 ℃ and 500 ℃
Results for several sets of electrodes at temperatures in between showed that the properties of composite electrodes were superior to metal oxide only electrodes or platinum electrodes. In all cases, the composite electrode composed of metal oxide + PtO 2
It responded much faster compared to metal oxide only electrodes or platinum electrodes.

それらの測定は、複合電極は、金属酸化物のみ電極ま
たは白金電極と比較して、酸素交換反応に対してはるか
に速いことを極めて明らかに示すものである。
Those measurements very clearly show that the composite electrode is much faster for the oxygen exchange reaction compared to the metal oxide only electrode or the platinum electrode.

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】酸素イオン伝導の固体電解質装置におい
て、 前記固体電解質は、ガス不透過性であって、酸化カルシ
ウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化スカ
ンジウム、希土類金属酸化物からなる群から選択された
1以上の酸化物がドープあるいは合金化された酸化ジル
コニウム、酸化ハフニウム、酸化トリウム、酸化セリウ
ムからなる群から選択されたものであり、前記固体電解
質は以下の混合物からなる少なくとも1の電極を有す
る: (a) 白金、銀、金、パラジウム、イリジウム又はロ
ジウム、及びこれらの金属のうち2種類以上の金属の混
合物又は合金からなる群から選択された貴金属を少数部
分とし、 (b) 原子番号24から30までの遷移金属の酸化物、 原子番号49から50までの金属の酸化物、 原子番号51〜71を有するランタニドの酸化物、および 一つ以上のこれらの金属酸化物からなる複合酸化物、又
は二つ以上の前記酸化物又は複合酸化物の混合物、ただ
しウラン酸化物を含む複合酸化物又は酸化物混合物を除
く、 から選択された電子(n形)又は正孔(p形)の導電性
を有する半導体金属酸化物を多数部分とし、 前記貴金属が、貴金属単体又は半導体金属酸化物単体と
比較して時定数及び前記電極の電極抵抗を低下させるの
に十分な量から重量比40パーセントまでの量だけ存在す
ることを特徴とする固体電解装置。
1. A solid electrolyte device for oxygen ion conduction, wherein the solid electrolyte is gas impermeable and is selected from the group consisting of calcium oxide, magnesium oxide, yttrium oxide, scandium oxide, and rare earth metal oxides. It is selected from the group consisting of zirconium oxide, hafnium oxide, thorium oxide, cerium oxide doped or alloyed with one or more oxides, said solid electrolyte having at least one electrode consisting of the following mixture: (A) Platinum, silver, gold, palladium, iridium or rhodium, and a noble metal selected from the group consisting of mixtures or alloys of two or more of these metals as the minority part, and (b) from atomic number 24 Oxides of transition metals of up to 30; oxides of metals of atomic numbers 49 to 50; Oxides and complex oxides consisting of one or more of these metal oxides, or mixtures of two or more of the above oxides or complex oxides, provided that the complex oxide or oxide mixture containing uranium oxide is The semiconductor metal oxide having electron (n-type) or hole (p-type) conductivity selected from is included in a large number of parts, and the noble metal has a time constant in comparison with a noble metal alone or a semiconductor metal oxide alone. And a solid electrolytic device characterized in that it is present in an amount from 40% to 40% by weight sufficient to reduce the electrode resistance of the electrode.
【請求項2】請求の範囲第1項記載の装置であって、貴
金属は電極中に重量比15−40パーセントで存在すること
を特徴とする装置。
2. Device according to claim 1, characterized in that the noble metal is present in the electrode in a weight percentage of 15-40%.
【請求項3】請求の範囲第1または2項に記載の装置で
あって、半導体酸化物成分は1つまたはそれ以上の単独
の金属酸化物、化合物または他の固容体であることを特
徴とする装置。
3. A device according to claim 1 or 2, characterized in that the semiconductor oxide component is one or more single metal oxides, compounds or other solid solutions. Device to do.
【請求項4】請求の範囲第1または2項のいずれかに記
載の装置あって、前記半導体酸化物成分は1種またはそ
れ以上の単独の金属酸化物、化合物または固容体の混合
物であることを特徴とする装置。
4. The device according to claim 1 or 2, wherein the semiconductor oxide component is a mixture of one or more single metal oxides, compounds or solid solutions. A device characterized by.
【請求項5】請求の範囲第1〜4項のいずれかに記載の
装置であって、前記半導体酸化物成分は1種またはそれ
以上の絶縁体、イオン導体または他の半導体相も含むこ
とを特徴とする装置。
5. A device according to any one of claims 1 to 4, wherein the semiconductor oxide component also comprises one or more insulators, ionic conductors or other semiconductor phases. Characterized device.
【請求項6】請求の範囲第1〜5項のいずれかに記載の
装置であって、電極材料は固体電解質体の上の表面層の
形で設けられることを特徴とする装置。
6. A device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the electrode material is provided in the form of a surface layer on the solid electrolyte body.
【請求項7】請求の範囲第1〜5項のいずれかに記載の
装置であって、電極材料は固体電解質の表面の下を延び
る薄い領域として形成されることを特徴とする装置。
7. A device according to any of claims 1 to 5, characterized in that the electrode material is formed as a thin region extending below the surface of the solid electrolyte.
【請求項8】酸素イオン伝導の固体電解質装置の製造方
法において、 前記固体電解質は、ガス不透過性であって、酸化カルシ
ウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化スカ
ンジウム、希土類金属酸化物からなる群から選択された
1以上の酸化物がドープあるいは合金化された酸化ジル
コニウム、酸化ハフニウム、酸化トリウム、酸化セリウ
ムからなる群から選択されたものであり、前記固体電解
質は以下の混合物からなる少なくとも1の電極を有す
る: (a) 白金、銀、金、パラジウム、イリジウム又はロ
ジウム、及びこれらの金属のうち2種類以上の金属の混
合物又は合金からなる群から選択された貴金属を少数部
分とし、 (b) 原子番号24から30までの遷移金属の酸化物、 原子番号49から50までの金属の酸化物、 原子番号51〜71を有するランタニドの酸化物、および 一つ以上のこれらの金属酸化物からなる複合酸化物、又
は二つ以上の前記酸化物又は複合酸化物の混合物、ただ
しウラン酸化物を含む複合酸化物又は酸化物混合物を除
く、 から選択された電子(n形)又は正孔(p形)の導電性
を有する半導体金属酸化物を多数部分とし、 前記貴金属が、貴金属単体又は半導体金属酸化物単体と
比較して時定数及び前記電極の電極抵抗を低下させるの
に十分な量から重量比40パーセントまでの量だけ存在
し、 前記方法は前記固体電解質上に電極を付着あるいは形成
させる工程を含むことを特徴とする固体電解装置の製造
方法。
8. A method of manufacturing a solid electrolyte device for oxygen ion conduction, wherein the solid electrolyte is gas impermeable and is selected from the group consisting of calcium oxide, magnesium oxide, yttrium oxide, scandium oxide, and rare earth metal oxides. One or more electrodes selected from the group consisting of zirconium oxide, hafnium oxide, thorium oxide, and cerium oxide doped or alloyed with one or more selected oxides, wherein the solid electrolyte is at least one electrode composed of the following mixture. Having: (a) a minority portion of a noble metal selected from the group consisting of platinum, silver, gold, palladium, iridium or rhodium, and mixtures or alloys of two or more of these metals, and (b) atoms. Oxides of transition metals with numbers 24 to 30, oxides of metals with atomic numbers 49 to 50, atomic numbers 51 to 71 Oxides of lanthanides having, and complex oxides consisting of one or more of these metal oxides, or mixtures of two or more of the above oxides or complex oxides, provided that the complex oxides or oxides containing uranium oxide Excluding a mixture, the semiconductor metal oxide having electron (n-type) or hole (p-type) conductivity selected from is included in a large number of parts, and the noble metal is compared with a noble metal simple substance or a semiconductor metal oxide simple substance. Present in an amount sufficient to reduce the time constant and electrode resistance of the electrode up to 40 percent by weight, the method comprising depositing or forming an electrode on the solid electrolyte. Method for manufacturing solid electrolytic device.
【請求項9】請求の範囲第8項記載の固体電解装置の製
造方法において、 前記電極材料の層を、絶縁体の多孔質基体、電解質の多
孔質基体、絶縁体および電解質の混合物の多孔質基体、
半導体の多孔質基体のうちの少なくとも1つの多孔質基
体に付着し、またはその多孔質基体の上に形成し、それ
から前記複合電極材料の層の上に電解質の層と第2の複
合電極層をそれぞれ付着または形成することを特徴とす
る固体電解質装置を製作する方法。
9. The method for producing a solid electrolytic device according to claim 8, wherein the electrode material layer is a porous substrate of an insulator, a porous substrate of an electrolyte, or a porous mixture of an insulator and an electrolyte. Substrate,
Adhering to or forming on at least one of the semiconductor porous substrates, an electrolyte layer and a second composite electrode layer on top of said composite electrode material layer. A method of manufacturing a solid electrolyte device, characterized in that they are respectively attached or formed.
【請求項10】請求の範囲第8および9項記載の方法で
あって、固体電解質体に、 (a) 半導体金属酸化物、または加熱により前記酸化
物を生ずる物質若しくは物質の混合物と、 (b) 加熱により貴金属を生ずる貴金属あるいは貴金
属化合物と、 を含む混合物の層を付着し、それからその層を加熱して
複合電極材料を形成することを特徴とする方法。
10. The method according to claims 8 and 9, wherein: (a) a semiconductor metal oxide, or a substance or a mixture of substances that produces the oxide by heating, ) A method comprising depositing a layer of a mixture containing a noble metal or a noble metal compound which produces a noble metal by heating, and then heating the layer to form a composite electrode material.
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