JP3607352B2 - BaCeO3系イオン伝導性セラミックス及びその製造方法 - Google Patents

BaCeO3系イオン伝導性セラミックス及びその製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP3607352B2
JP3607352B2 JP07932495A JP7932495A JP3607352B2 JP 3607352 B2 JP3607352 B2 JP 3607352B2 JP 07932495 A JP07932495 A JP 07932495A JP 7932495 A JP7932495 A JP 7932495A JP 3607352 B2 JP3607352 B2 JP 3607352B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
mol
powder
per unit
baal
unit formula
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 - Fee Related
Application number
JP07932495A
Other languages
English (en)
Other versions
JPH08253363A (ja
Inventor
了 鈴木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Japan Petroleum Energy Center JPEC
Original Assignee
Petroleum Energy Center PEC
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Petroleum Energy Center PEC filed Critical Petroleum Energy Center PEC
Priority to JP07932495A priority Critical patent/JP3607352B2/ja
Publication of JPH08253363A publication Critical patent/JPH08253363A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP3607352B2 publication Critical patent/JP3607352B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Conductive Materials (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池、水素・水蒸気センサー、水素分離のための固体電解質などの電気化学デバイスに用いることができるBaCeO 系イオン伝導性セラミックスに関するものであり、特には強度を改善したBaCe1−X Gd3−a 酸素・プロトン混合イオン伝導性セラミックス及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
イオン伝導体としては、溶液系、溶融塩系及び固体系があり、電池等の電気化学デバイスには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が、これらデバイスでは漏液、蒸発といった問題があり、固体系のイオン伝導電気化学デバイスを開発することに大きな期待が寄せられている。しかしながら、多数の複合酸化物イオン伝導体が報告されてきたが、そのイオン伝導度は低く、化学的安定性も悪い。
【0003】
そうした中で、BaCeO を母体としたペロブスカイト型酸化物焼結体、特にCeの一部を稀土類元素、代表的にGdで置換したBaCe1−X Gd3−a (0<x<0.3、aは単位式量当りの酸素欠損数であり、1.5>a>0、以下BCGと略す)は、化学的に安定であり、比較的イオン伝導度が高く、水素源と酸素源のある雰囲気では酸素イオンとプロトンの両者が伝導に携わる混合イオン伝導体としての挙動を示すことが知られている。例えば特開平5−28820号は、それまで化学的に安定でありかつ高い伝導度特性を有するイオン伝導体が合成されていなかったことに鑑み、最終焼成前の粉末粒径の管理や最終焼成前の非水溶媒による粉末処理及び脱水真空乾燥の実施、焼成温度の選択などを通して、好ましくは上述の式においてxが0.16から0.23、より好ましくは0.2であるBCGペロブスカイト型酸化物焼結体合成法を記載している。また、セラミックス27(1992)No.2、112〜116頁には、「高温型プロトン電導性セラミックスとその応用」と題して、幾種かのプロトン伝導性固体の紹介、ペロブスカイト型プロトン伝導性酸化物の伝導特性としてSrCeO 及びBaCeO のCeの一部を稀土類元素で置換した各種の合成セラミックスの水素中での導電率を測定結果を示している。その応用例として、高温水素及び水蒸気センサー、燃料電池等が紹介されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
このBCG高温型プロトン伝導体は、現在使用されている安定化ジルコニア系酸素イオン伝導体に比較して、1000℃以下の温度で高いイオン伝導性を示すことから安定化ジルコニア系酸素イオン伝導体よりも低温で使用できる電気化学デバイスへの応用が期待できること及び高温にすることにより電極反応を円滑に行わせることができることといった利点を有し、これら利点を生かした多くの電気化学デバイスへの応用が期待されているが、問題点は強度が弱いことである。本発明者の測定では、焼結体密度99.4%の焼結体で3点曲げ(抗折力)強度は75MPaに過ぎない。どのような形態で使用されるにせよ、機械的強度の信頼性を得るには、少なくとも100MPaの3点曲げ(抗折力)強度は必要である。
【0005】
本発明の課題は、イオン伝導性を実質上犠牲とすることなく、BCG焼結体セラミックスの強度を改善することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、研究の結果、この課題解決には、20モル%以下のAl23の添加によりBaAl24スピネル相を発現せしめることが効果的であることを見いだした。BaAl24を添加することもできる。この知見に基づいて、本発明は、Ba1+XCe1-yGdy3-a(0x≦0.2、0<y<0.3、aは単位式量当りの酸素欠損数であり、1.5>a>0)粉1モルにAl23xモル;又はBaCe1-yGdy3-a(0<y<0.3、aは単位式量当りの酸素欠損数であり、1.5>a>0)粉1モルにBaAl240.2モル以下;添加・混合させた後焼結させた組織を有することを特徴とするBaCeO3系イオン伝導性セラミックスを提供する。この焼結組織は、1モルのBaCe1-yGdy3-a(0<y<0.3、aは単位式量当りの酸素欠損数であり、1.5>a>0)母体に0.2モル以下のBaAl24スピネル相を分散させた焼結組織を有することを特徴とする。本発明はまたBa1+XCe1-yGdy3-a(0x≦0.2、0<y<0.3、aは単位式量当りの酸素欠損数であり、1.5>a>0)粉1モルにAl23粉もしくはAl23ウイスカをxモル;又は1モルのBaCe1-yGdy3-a(0<y<0.3、aは単位式量当りの酸素欠損数であり、1.5>a>0)粉に0,2モル以下のBaAl24粉を添加し、混合後、成形し、その後焼結することを特徴とするBaCeO3系イオン伝導性セラミックスの製造方法をも提供する。
【0007】
【作用】
BCG粉へAl23粉を添加混合した後成形体を焼結することにより次の反応が起こるものと考えられる:
Ba1+xCe1-yGdy3-a(0x≦0.2、0<y<0.3、1.5>a>0)+xAl23BaAl24+BaCe1-yGdy3-a-x
強度向上のメカニズムは、強度の大きなBaAl24スピネル相の分散強化機構であると考えられる。
【0008】
Al の添加量は、20モル%以下、好ましくは2〜18モル%、より好ましくは4〜11モル%である。Al 添加量が20モル%を超えると、焼結性が悪くなり、焼結体密度が低下する。20モル%以下なら、添加量に応じて相応の添加効果を示すが、意味のある強度改善効果を得るには少なくとも2モル%添加することが好ましい。Al の代わりにBaAl を相応量添加してもよい。
【0009】
BCG粉は、各元素の酸化物、炭酸塩、酢酸塩などの所定の割合の混合粉を原料として通常の焼結法で作ることができる。例えば、出発粉として、炭酸バリウム(BaCO )、酸化セリウム(CeO )、酸化ガドリニウム(Gd )粉末を用いて固相反応法で合成することができる。これら出発粉末を所定の比率で十分に混合し、成形物を例えば1300℃で10時間程度焼成し、それを粉砕することによりBCG粉が得られる。
【0010】
BCG粉に例えば粒状もしくはウイスカ状Al を添加し、ボールミルで十分に混合後、CIPにより成形を行い、1450〜1650℃で5〜15時間焼結がなされる。焼結は酸素雰囲気中で実施することが好ましい。
【0011】
こうして、BCGにAl もしくはBaAl を添加・反応させた焼結組織を有することにより強度を改善したBaCeO 系イオン伝導性セラミックスが得られる。これは、強度の大きなBaAl スピネル相が母体に分散することにより強度を改善したものと考えられる。
【0012】
アルミナを添加することにより注目すべき現象が判明した。BCGは斜方晶から立方晶への相変化が原因と考えられる600〜800℃範囲での熱膨張係数の大きな変化を示す(文献として「Denki Kagaku 62(4)(1994)326〜331頁を参照されたい)。ところが、アルミナを添加することにより、この600〜800℃範囲での熱膨張係数の大きな変化を軽減もしくは排除することができる。図1は、BCG粉焼結体、BCG+5モル%Al 粉焼結体及びBCG+10モル%Al 粉焼結体から成る3種のサンプルを300℃/hrの加熱速度で1000℃以上に加熱した場合のそれぞれの熱膨張率(%)を測定した曲線1、2及び3を示すものである。測定はリガクTAS−200システムの示差熱分析計を使用して行った。曲線1では600〜800℃範囲での熱膨張率の大きな変化が見られるのに対して、曲線2では熱膨張は軽減し、そして10%アルミナを添加した曲線3ではそれが実質上排除されている。従って、Al の添加により、加熱時の寸法安定性が向上し、構造材に組み込まれた場合の熱応力を軽減もしくは回避することができるようになる。
【0013】
【実施例】
(実施例及び比較例)
BCG粉(比表面積:12m /g)に粒状Al 粉(平均粒径:0.05μm、比表面積:80m /g)またはAl ウイスカ(平均直径:5μm、長さ:100〜200μm)を5モル%及び10モル%(ウイスカの場合のみ)添加し、ボールミルで混合し、CIP成形後、1500℃で10時間酸素雰囲気中で焼結した。比較例としてAl 無添加のサンプルも用意した。焼結体に、白金ペーストを焼きつけ、水素中の伝導度を測定した。
【0014】
【表1】
Figure 0003607352
【0015】
表1から、イオン伝導性を実質上犠牲とすることなく、焼結体セラミックスの強度が約1.7倍向上し、Al を添加することで強度が改善されていることがわかる。
【0016】
【発明の効果】
高温でのイオン伝導性を実質上犠牲とすることなく、BCG焼結体セラミックスの強度が改善し、加えて加熱時の寸法安定性を向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】BCG粉焼結体(曲線1)、BCG+5モル%Al 粉焼結体(曲線2)及びBCG+10モル%Al 粉焼結体(曲線3)から成る3種のサンプルの加熱時の熱膨張率(%)の測定結果を示すグラフである。

Claims (4)

  1. Ba1+XCe1-yGdy3-a(0x≦0.2、0<y<0.3、aは単位式量当りの酸素欠損数であり、1.5>a>0)粉1モルにAl23xモル、もしくはBaCe1-yGdy3-a(0<y<0.3、aは単位式量当りの酸素欠損数であり、1.5>a>0)粉1モルにBaAl240.2モル以下添加・混合させた後焼結させた組織を有することを特徴とするBaCeO3系イオン伝導性セラミックス。
  2. 1モルのBaCe1-yGdy3-a(0<y<0.3、aは単位式量当りの酸素欠損数であり、1.5>a>0)母体に0.2モル以下のBaAl24スピネル相を分散させた焼結組織を有することを特徴とするBaCeO3系イオン伝導性セラミックス。
  3. Ba1+XCe1-yGdy3-a(0x≦0.2、0<y<0.3、aは単位式量当りの酸素欠損数であり、1.5>a>0)粉1モルにAl23粉もしくはAl23ウイスカをxモル添加し、混合後、成形し、その後焼結することを特徴とするBaCeO3系イオン伝導性セラミックスの製造方法。
  4. 1モルのBaCe1-yGdy3-a(0<y<0.3、aは単位式量当りの酸素欠損数であり、1.5>a>0)粉に0.2モル以下のBaAl24粉を添加し、混合後、成形し、その後焼結することを特徴とするBaCeO3系イオン伝導性セラミックスの製造方法。
JP07932495A 1995-03-13 1995-03-13 BaCeO3系イオン伝導性セラミックス及びその製造方法 Expired - Fee Related JP3607352B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP07932495A JP3607352B2 (ja) 1995-03-13 1995-03-13 BaCeO3系イオン伝導性セラミックス及びその製造方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP07932495A JP3607352B2 (ja) 1995-03-13 1995-03-13 BaCeO3系イオン伝導性セラミックス及びその製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH08253363A JPH08253363A (ja) 1996-10-01
JP3607352B2 true JP3607352B2 (ja) 2005-01-05

Family

ID=13686709

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP07932495A Expired - Fee Related JP3607352B2 (ja) 1995-03-13 1995-03-13 BaCeO3系イオン伝導性セラミックス及びその製造方法

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3607352B2 (ja)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10329626A1 (de) * 2003-06-25 2005-01-20 Itn Nanovation Gmbh Mischmetalloxide und ihre Verwendung in CO2-Sensoren
JP4528021B2 (ja) * 2004-04-27 2010-08-18 新日本製鐵株式会社 酸化物イオン混合伝導体、複合構造体、酸素分離装置、及び化学反応装置
CN104969302B (zh) * 2013-07-16 2017-08-01 松下知识产权经营株式会社 质子传导体
JP6292381B2 (ja) * 2014-02-07 2018-03-14 パナソニックIpマネジメント株式会社 水蒸気電解水素化装置

Also Published As

Publication number Publication date
JPH08253363A (ja) 1996-10-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5387330A (en) Mixed ionic conductors
US6517693B2 (en) Ion conductor
JP3453283B2 (ja) 固体電解質型燃料電池
JP2001307546A (ja) イオン伝導体
JP6655122B2 (ja) プロトン伝導性酸化物燃料電池の製造方法
JP3934750B2 (ja) 酸化物イオン導電性セラミックス及びその製造方法
JP3997365B2 (ja) 酸化物イオン導電性単結晶及びその製造方法
JPH08208333A (ja) 酸素イオン導電体及びその製造方法
JPH11120817A (ja) 混合イオン電導体
JP3607352B2 (ja) BaCeO3系イオン伝導性セラミックス及びその製造方法
JPH06231611A (ja) 混合イオン導電体
JPH07149522A (ja) ジルコニア電解質粉体及びその製造方法
JP3134882B2 (ja) ランタンクロマイト系複合酸化物と用途
JPH07247165A (ja) 導電性セラミックス
JP3598956B2 (ja) ガレート複合酸化物固体電解質材料とその製造方法
JPS5855373A (ja) ジルコニア磁器およびその製造法
JPH09295866A (ja) 混合イオン導電体
JP3877809B2 (ja) プロトン伝導性セラミックス
JP3300077B2 (ja) イオン導電体材料
JP4038628B2 (ja) 酸化物イオン導電体およびその製造法並びに固体電解質型燃料電池
Skarmoutsos et al. Titania doped YSZ for SOFC anode Ni-Cermet
JP3323923B2 (ja) ジルコニア多結晶体薄膜及びその製造方法
JP3134883B2 (ja) 固体電解質型燃料電池用セパレーター
JP3121991B2 (ja) 導電性セラミックス
JP2003068324A (ja) 酸素イオン伝導性固体電解質並びにこれを用いた電気化学デバイス及び固体電解質型燃料電池

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20040609

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20040622

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20040819

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20040921

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20041007

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20071015

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20081015

Year of fee payment: 4

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees