JP2864928B2 - 混合イオン導電体 - Google Patents

混合イオン導電体

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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
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池,センサーな
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。
【0002】
【従来の技術】イオン伝導体としては、溶液系,溶融塩
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。
【0003】イオン結晶性固体は、融点直下では、多か
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。
【0004】一方、600℃以上でジルコニア系以外に
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)0.13-y)、800℃で4.3
×10-2S/cm,600℃で1.6×10-2S/cm(B
aCe0.85Gd0.153-y)、導電率であることが報告さ
れている。
【0005】BaCe1-xGdx3-yについて、N.ボ
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。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、現在ま
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。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、従来の酸化物
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-xx3-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
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。
【0008】
【作用】前述の通り、BaCeO3ペロブスカイト型酸
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)。
【0009】 Vo・・+1/2O2→O+2h (1) H2O+2h→2H+1/2O2 (2) H2O+Vo・・→2H+O (3) H2+2h→2H (4) つまり、(1)式に示されるようにまず酸素欠陥格子中
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。
【0010】一般に、酸化物イオン伝導体は、次式のよ
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。
【0011】Vo・・+1/2O2 ・・→O イオン伝導性は、欠陥の濃度勾配による拡散による。酸
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。
【0012】一方、酸化物中のプロトン伝導性について
は、水和結合を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。
【0013】
【実施例】以下、実施例とともに本発明の詳細について
述べる。
【0014】(実施例1)本実施例は、BaCe1-x
x3-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。
【0015】BaCe1-xGdx3-y酸化物の合成は固
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
(Gd23)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。
【0016】上記酸化物を、X線回折により構造解析を
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。
【0017】次に、この円柱焼結体を、厚さ0.5mm,
直径14mmのディスクに加工し、その両面0.5cm2
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。
【0018】この試料を図1に示す測定装置に取り付
け、種々のガスを両極に供給して導電率を測定した。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。
【0019】バリウムセリウム系酸化物は、正方晶(α
=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。
【0020】本実施例で、明らかなように酸化物イオン
とプロトンの伝導性は、結晶構造と密接な関係がある。
【0021】導電率は、イオン種の濃度と移動度(速
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。
【0022】(実施例2)本実施例は、BaCe1-x
x3-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。
【0023】前記実施例と同様に酸化物を合成し、X線
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。
【0024】また、前記実施例と同様に図1に示す測定
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。
【0025】BaCe 1-x Dy x 3-y におけるDyをT
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。
【0026】
【発明の効果】以上のように本発明においては、化学的
・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。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例における混合イオン導電体の導
電率測定装置の構成図
【図2】同実施例のガドリニウム置換量と格子定数との
関係図
【図3】同実施例の混合イオン導電体の導電率とガドリ
ニウム置換量との関係図
【符号の説明】
1 アルミナ管 2 白金リード 3 石英管 4 ガスシール材 5 ヒーター 6 熱電対 7 白金電極
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01B 1/06 - 1/08 H01M 8/00 C04B 35/00 CA JOIS

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】BaCe1-xx3-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
    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。
  2. 【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。
  3. 【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。
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