JP2864928B2 - 混合イオン導電体 - Google Patents
混合イオン導電体Info
- Publication number
- JP2864928B2 JP2864928B2 JP5017252A JP1725293A JP2864928B2 JP 2864928 B2 JP2864928 B2 JP 2864928B2 JP 5017252 A JP5017252 A JP 5017252A JP 1725293 A JP1725293 A JP 1725293A JP 2864928 B2 JP2864928 B2 JP 2864928B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- conductivity
- oxide
- ionic conductor
- mixed ionic
- rare earth
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
- H01M4/9016—Oxides, hydroxides or oxygenated metallic salts
- H01M4/9025—Oxides specially used in fuel cell operating at high temperature, e.g. SOFC
- H01M4/9033—Complex oxides, optionally doped, of the type M1MeO3, M1 being an alkaline earth metal or a rare earth, Me being a metal, e.g. perovskites
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
- Conductive Materials (AREA)
Description
ど電気化学デバイスに用いる混合イオン導電体に関す
る。
系,固体系がある。電池,センサー,燃料電池などの電
気化学反応を利用するデバイスのほとんどは、固体系に
比べイオン伝導度が大きい溶液系,溶融塩系が用いられ
ている。しかしながら、溶液の蒸発,散出、あるいは漏
液のない全て固体系の電気化学デバイスを創出すること
が、各種分野で切望されている。
れ少なかれイオンの結晶内拡散によるイオン伝導性を示
すが、1914年、Tubant等は、融点よりもずっ
と低い温度で溶液に匹敵するような高いイオン伝導性を
有する銀イオン伝導体(AgI)を見いだした。196
0年代には、酸素イオン伝導体である安定化ジルコニア
や、ナトリウムイオン伝導体であるNa−β−アルミナ
が発見され、なるだけ低い温度で大きなイオン伝導性を
示す物質の探索研究が進められるようになった。その
後、これらのイオン伝導体は、各種センサーや固体電
池、各種記憶素子や表示素子、燃料電池への応用で脚光
をあびるようになり、固体イオニクスという一つの分野
を形成するまでになってきた。
高いイオン伝導性を示すものに、ビスマス酸化物系,セ
リア系が報告されている。しかしながら、これらの系は
還元雰囲気に弱く、化学的に不安定なので電気化学デバ
イス、特に燃料電池などには適さない。また、多種の複
合酸化物のイオン導電体が報告されているが、イオン伝
導度も低く、化学的に安定性も悪いものが多い。しか
し、ある種のペロブスカイト型酸化物は化学的安定で、
プロトンと酸化物イオンの混合イオン導伝性を示し、1
000℃でYSZ(イットリア安定化ジルコニア)に近
い導電率をもつ。ペロブスカイト型酸化物系の中でもB
aCeO3-yに第3元素を添加した系が系統的に調べら
れ、第3元素にY,Nd,Sm,Gdを添加した酸化物
では、1000℃で8×10-2S/cm(Bace
0.9(Y,Nd,Sm)0.1O3-y)、800℃で4.3
×10-2S/cm,600℃で1.6×10-2S/cm(B
aCe0.85Gd0.15O3-y)、導電率であることが報告さ
れている。
ナソス(N.Bonanos)らが系統的に調べている。しかし
ながら、それらの焼結体の密度は理論値の92%にも満
たないかたちであり、焼結体の合成法自体にもかなり問
題がある。彼らの報告によれば、x=0.15の時、導
電率は最高値を示すことを報告している。
で、YSZと同程度に化学的に安定性であり、かつYS
Zより高い導電率特性を有するイオン導電体は合成され
ていなかった。溶液の蒸発,散出、あるいは漏液のない
全て固体系に優れた電気化学デバイスを創出するには、
化学的・熱的安定性に優れかつ、高イオン伝導な導電体
の材料の開発とその合成法の確立という点で大きな課題
があった。
イオン伝導体に、同時にプロトンを伝導させ、トータル
のイオン伝導性を高くすることにより、上記課題を解決
するものである。すなわち、本発明の混合イオン導電体
は、BaCe1-xMxO3-y(Mは希土類元素、0<x<
0.5、0<y<0.75)で表され、結晶型が室温に
おいて斜方晶に属するペロブスカイト型酸化物からな
り、結晶格子定数比(a、b、c、α=β=γ=90
゜、c<b<a)のb/cの値が1.010以上の極大
値を持ち、プロトン伝導性を有することを特徴とする前
記希土類元素としては、重希土類元素であるのが好まし
く、さらに希土類元素の中でもGd、Dy、Tb、Ho
またはErであるのが好ましい。
化物は、酸化物イオン導電体である。この酸化物にある
種の元素を添加することによりプロトン伝導性を示すこ
とが報告されている。このプロトン伝導性の発現につい
ては、次に示すように考えられている(H.ウチダ他、
ソリッド・ステート・イオニクス34)(H.Uchida, el
al, Solid State Ionics 34)。
に酸素が取り込まれると同時に2個のホールが埋まれ
る。このホールは、水がある状態では、(2)式に示す
ように水から酸素を取り戻し電気的中性を保とうとす
る。その時、プラスの電荷を負った水素イオン(プロト
ン)が発現する。(3)式は、(1)(2)式をまとめ
たもの。また、水素雰囲気中では、(4)式に示すよう
にホールと交換してプロトンが発現する。
うに酸化物イオンが取り込まれ欠陥格子(フレンケル
型)によりイオンが伝導する。
化物イオン伝導性は、欠陥濃度と密接な関係にあり、ま
た、空孔子点(V・ ・・)の会合現象(複合体形成)、規則格
子の生成などにより導電性が減少すると考えられてい
る。
は、水和結合を介して伝導すると考えられているが、詳
しい伝導機構などはわかっていない。もちろん、酸化物
イオンとプロトンの混合イオン伝導体についても、伝導
機構は明らかにされていない。
述べる。
dxO3-yで表される組成を持つペロブスカイト型酸化物
のGd置換量と結晶格子(斜方晶)の歪b/cについて
調べたものである。
相反応法を用いた。酢酸バリウム(Ba(CH3CO
O)2)、酸化セリウム(CeO2)、酸化ガドリニウム
(Gd2O3)粉末をそれぞれモル比で1:0.8:0.
1の割合で混合し、メノウ乳鉢中エタノール溶媒を用い
て粉砕混合を行った。充分に混合した後、溶媒を飛ば
し、更にバーナーで脱脂、再度メノウ乳鉢中で粉砕混合
を繰り返した後、円柱状にプレス成形して1300℃、
10時間焼成を行った。焼成したものを粗粉砕、その後
ベンゼン溶媒中遊星ボールミル粉砕して3μm程度に造
粒した。得られた粉末を150℃真空乾燥した後、2ト
ン/cm2で静水圧プレスをして円柱に成形し、直ちに1
650℃、10時間焼成して、多結晶焼結体を合成し
た。この焼結体の密度は、理論密度の98%であり、粒
塊が1μm程度の多結晶体であった。
した。X線測定条件は、線源α線,加電圧50kV,電
流150mA,測定角はθ/2θで、20度〜70度と
した。結晶格子の歪b/cは、X=0.20付近でピー
クを示し、その値は1.038であった。
直径14mmのディスクに加工し、その両面0.5cm2の
面積なるように白金ペーストを塗布、焼き付け測定試料
とした。
け、種々のガスを両極に供給して導電率を測定した。た
だし導電率は、交流インピーダンス法による抵抗値から
算出し、測定装置中のリード抵抗成分を完全に補正して
いる。両極に室温加湿空気を供給したときのイオン導電
率は、1000℃で1.0×10-1S/cm、800℃で
4.2×10-2S/cmと従来の酸化物イオン伝導体(ジ
ルコニア系)に比べ高い値であった。
=β=γ=90°、a=b≠c)に近い斜方晶(α=β
=γ=90°、a≠b≠c)である。この酸化物にイオ
ン半径の比較的大きい希土類元素を添加することにより
結晶は一旦正方晶に近づきその後歪を増す。Gdをドー
プしたときの構造の変化を図2に示す(a>b>c)。
添加するにしがたい格子(a)は膨脹し、Gdを15%
以上添加した酸化物は、格子がかなり歪み、添加量20
%付近でb/cは、極大値をとった。図3からもあきら
かなように、イオン導電率は、この歪のカーブに一致
し、格子の歪が極大値をとるとき、イオン導電率も極大
値を示す。
とプロトンの伝導性は、結晶構造と密接な関係がある。
度)の積で表されるが、酸化物イオン濃度とプロトンの
濃度が十分ある時、格子歪が各々イオンの移動度(H+
>O2-)の割合を支配するものと考えられる。プロトン
酸化物イオン伝導体では、格子歪b/cが1.010以
上の時、高いイオン導電体を示す。
yxO3-yで表される組成を持つペロブスカイト型酸化物
のDy置換量とxと導電率ならびに、結晶格子(斜方
晶)の歪b/cについて調べたものである。
回折により構造を解析をした。結晶格子の歪b/cは、
x=0.22付近でピークを示し、その値は1.035
であった。
装置に取り付け、種々のガスを両極に供給して導電率を
測定した。両極に室温加湿空気を供給したときのイオン
導電率は、1000℃で1.6×10-1S/cm、800
℃で9.5×10-2S/cmと従来の酸化物イオン伝導体
(ジルコニア系)や、ペロブスカイト系に比べ高い値で
あった。本実施例でも、明らかなようにプロトンと酸化
物イオンのバリウムセリウム酸化物系混合イオン伝導体
は、結晶格子の歪の大きい時、イオン伝導率も高い。
b、HoまたはErに変えたほかは実施例2と同様にし
て酸化物を合成し、その結晶格子の歪みを調べたとこ
ろ、特定のx値において格子定数比b/cがピークを示
し、結晶格子の歪みが大きいとき高いイオン伝導率を示
した。
・熱的安定性に優れかつ、高イオン伝導性で化学的・熱
的に安定な導電体材料が得られる。
電率測定装置の構成図
関係図
ニウム置換量との関係図
Claims (3)
- 【請求項1】BaCe1-xMxO3-y(Mは希土類元素、
0<x<0.5、0<y<0.75)で表され、結晶型
が室温において斜方晶型に属するペロブスカイト型酸化
物からなり、結晶格子定数比(a、b、c、α=β=γ
=90゜、c<b<a)のb/cの値が1.010以上
の極大値を持ち、プロトン伝導性を有することを特徴と
する混合イオン導電体。 - 【請求項2】希土類元素が重希土類元素である請求項1
に記載の混合イオン導電体。 - 【請求項3】重希土類元素が、Gd、Dy、Tb、Ho
またはErである請求項3に記載の混合イオン導電体。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5017252A JP2864928B2 (ja) | 1993-02-04 | 1993-02-04 | 混合イオン導電体 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5017252A JP2864928B2 (ja) | 1993-02-04 | 1993-02-04 | 混合イオン導電体 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06231611A JPH06231611A (ja) | 1994-08-19 |
JP2864928B2 true JP2864928B2 (ja) | 1999-03-08 |
Family
ID=11938767
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP5017252A Expired - Lifetime JP2864928B2 (ja) | 1993-02-04 | 1993-02-04 | 混合イオン導電体 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2864928B2 (ja) |
Families Citing this family (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CA2298850A1 (en) | 1999-02-17 | 2000-08-17 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Mixed ionic conductor and device using the same |
US6517693B2 (en) | 2000-02-14 | 2003-02-11 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Ion conductor |
JP2005019041A (ja) * | 2003-06-24 | 2005-01-20 | Chiba Inst Of Technology | 固体電解質層と水素透過性金属膜を用いた電池、燃料電池及びその製造方法 |
JP4589683B2 (ja) * | 2003-09-03 | 2010-12-01 | パナソニック株式会社 | 混合イオン伝導体 |
WO2005024850A1 (ja) | 2003-09-03 | 2005-03-17 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | 混合イオン伝導体 |
JP4977338B2 (ja) * | 2004-07-07 | 2012-07-18 | 一般財団法人電力中央研究所 | プロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質およびこれを用いた電気化学デバイス |
JP5219370B2 (ja) * | 2005-03-15 | 2013-06-26 | パナソニック株式会社 | イオン伝導体 |
US7625653B2 (en) | 2005-03-15 | 2009-12-01 | Panasonic Corporation | Ionic conductor |
JP5040123B2 (ja) | 2006-02-28 | 2012-10-03 | トヨタ自動車株式会社 | プロトン伝導性電解質およびそれを用いた電気化学セル |
JP2008243627A (ja) * | 2007-03-27 | 2008-10-09 | Toyota Motor Corp | プロトン伝導体、電気化学セル、およびプロトン伝導体の製造方法 |
JP6910032B2 (ja) * | 2016-07-29 | 2021-07-28 | 住友電気工業株式会社 | 固体電解質部材の製造方法 |
-
1993
- 1993-02-04 JP JP5017252A patent/JP2864928B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Solid State Innics,Vols.53−56(1992),p.967−p.974 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH06231611A (ja) | 1994-08-19 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2882104B2 (ja) | プロトン伝導体およびその製造方法 | |
Arikawa et al. | Oxide ion conductivity in Sr-doped La10Ge6O27 apatite oxide | |
Nomura et al. | Electrical conduction behavior in (La0. 9Sr0. 1) MIIIO3− δ (MIII= Al, Ga, Sc, In, and Lu) perovskites | |
Tu et al. | Ln1− xSrxCoO3 (Ln= Sm, Dy) for the electrode of solid oxide fuel cells | |
Marrero-Lopez et al. | Electrical conductivity and redox stability of La2Mo2− xWxO9 materials | |
JP3733030B2 (ja) | イオン伝導体 | |
KR100352099B1 (ko) | 혼합이온 전도체 및 이것을 이용한 장치 | |
EP0896378B1 (en) | Solid electrolyte type fuel battery | |
JP2000302550A (ja) | 混合イオン伝導体およびこれを用いたデバイス | |
JP2864928B2 (ja) | 混合イオン導電体 | |
INAGUMA et al. | Lithium ion conductivity in a perovskite lanthanum lithium titanate single crystal | |
Ishihara et al. | Oxide Ion Conductivity in Doubly Doped PrGaO3 Perovskite‐Type Oxide | |
JPH08208333A (ja) | 酸素イオン導電体及びその製造方法 | |
Laidoudi et al. | Investigation of the bulk conductivity of BaZr0. 95M0. 05O3-α (M= Al, Er, Ho, Tm, Yb and Y) under wet N2 | |
JPH11120817A (ja) | 混合イオン電導体 | |
Maffei et al. | Performance of planar single cell lanthanum gallate based solid oxide fuel cells | |
Esaka et al. | Alkali ion conduction in the substituted phase based on the scheelite-type oxide | |
CA2516809C (en) | Mixed ionic conductor | |
JP2951887B2 (ja) | 混合イオン導電体 | |
JP4589683B2 (ja) | 混合イオン伝導体 | |
Tanasescu et al. | The influence of compositional variables on the thermodynamic properties of lanthanum strontium ferrite manganites and lanthanum strontium manganites | |
JP3300077B2 (ja) | イオン導電体材料 | |
JP3607352B2 (ja) | BaCeO3系イオン伝導性セラミックス及びその製造方法 | |
RU2146360C1 (ru) | Материал для кислородного электрода электрохимических устройств | |
RU2681947C1 (ru) | Твердооксидный протонпроводящий материал |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20071218 Year of fee payment: 9 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20081218 Year of fee payment: 10 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091218 Year of fee payment: 11 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091218 Year of fee payment: 11 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101218 Year of fee payment: 12 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101218 Year of fee payment: 12 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111218 Year of fee payment: 13 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111218 Year of fee payment: 13 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121218 Year of fee payment: 14 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121218 Year of fee payment: 14 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131218 Year of fee payment: 15 |
|
EXPY | Cancellation because of completion of term | ||
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131218 Year of fee payment: 15 |