JP4178610B2 - Oxide ion conductors and their applications - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ペロブスカイト型構造をとる希土類ガレート系の新規な酸化物イオン伝導体に関する。本発明の酸化物イオン伝導体は、酸素分圧にあまり影響されずに非常に高い酸化物イオン伝導性あるいは酸化物イオン混合伝導性を示し、燃料電池の電解質または空気極、酸素センサー等のガスセンサー、電気化学式酸素ポンプ等の酸素分離膜、およびガス分離膜等として有用である。
【0002】
【従来の技術】
電子性電気伝導が低く、主に酸化物イオン (O2-) の移動により電気伝導性を示す酸化物イオン伝導体は、一般にO2-空孔を生ずるように他金属をドープした金属酸化物からなり、固体酸化物型 (固体電解質型) 燃料電池 (SOFC) の電解質、酸素センサー等のガスセンサー、電気化学式酸素ポンプ用酸素分離膜等への応用が試みられてきた。
【0003】
酸化物イオン伝導体の代表例は、酸化ジルコニウム(ZrO2)に少量のCaO, MgO, Y2O3, Gd2O3 などの2価または3価金属酸化物を固溶させた、安定化ジルコニアと呼ばれる立方晶系ホタル石型の固溶体である。安定化ジルコニアは、耐熱性に優れている上、酸素雰囲気から水素雰囲気までの全ての酸素分圧下で酸化物イオン伝導性が支配的であって、酸素分圧が低下してもイオン輸率 (電気伝導性に占める酸化物イオン伝導性の割合) が低下しにくい。
【0004】
そのため、安定化ジルコニアは、ジルコニア (酸素) センサーとして、製鋼をはじめとする種々の工業プロセスの制御や、自動車エンジンの燃焼 (空燃比) 制御に広く利用されている。また、開発中の1000℃前後で作動する固体酸化物型燃料電池 (SOFC) にも電解質として用いられている。しかし、安定化ジルコニアの酸化物イオン伝導性は十分には高くなく、特に温度が低くなると伝導性が不足する。例えば、Y2O3安定化ジルコニアのイオン伝導度は、1000℃では10-1 S/cm であるが、500 ℃では10-4 S/cm に低下するので、使用温度が最低でも800 ℃以上という高温に制限される。
【0005】
安定化ジルコニアを凌ぐ非常に高い酸化物イオン伝導性を示すホタル石型酸化物として、Bi2O3 にY2O3を固溶させたBi2O3 系酸化物がある。この酸化物は酸化物イオン伝導性は非常に高いものの、融解温度が850 ℃弱と低いことから耐熱性が不十分である。その上、還元性雰囲気に弱く、酸素分圧が下がるとBi3+→Bi2+の変化によりn型の電子性電気伝導が現れ、さらに酸素分圧が下がって純水素雰囲気に近くなると金属にまで還元されてしまうので、固体酸化物型燃料電池には使用できない。
【0006】
その他のホタル石型酸化物イオン伝導体のうち、ThO2系酸化物は酸化物イオン伝導性が安定化ジルコニアよりずっと低い上、低酸素分圧では電子性電気伝導が支配的になるので、イオン輸率が著しく低下する。CeO2系酸化物は安定化ジルコニアを凌ぐ酸化物イオン伝導性を示すものの、酸素分圧が10-12 気圧以下に下がるとCe4+→Ce3+の変化によりn型の電子性電気伝導が現れ、やはりイオン輸率が大きく下がる。
【0007】
ホタル石型以外の結晶構造をとる酸化物イオン伝導体として、PbWO4, LaAlO3, CaTiO3 が知られているが、これらはいずれも酸化物イオン伝導性が低い上、低酸素分圧下では半導性が現れて電子性電気伝導が主になり、イオン輸率が低下する。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上に説明したように、安定化ジルコニアより酸化物イオン伝導性の高い酸化物イオン伝導体は知られているものの、耐熱性が不十分であったり、低酸素分圧では電子性電気伝導が支配的になりイオン輸率が大きく低下するため、固体酸化物型燃料電池の電解質や酸素センサーといった用途には適していなかった。
【0009】
本発明は、安定化ジルコニアより高い酸化物イオン伝導性を示し、耐熱性が高く、高温はもちろん、温度が低下しても酸化物イオン伝導性が高く、さらに好ましくは酸素雰囲気から水素雰囲気までのあらゆる酸素分圧で (即ち、酸素分圧が低くても) イオン輸率の低下が小さく、酸化物イオン伝導が支配的であるか、又は混合イオン伝導性を示す酸化物イオン伝導体を提供することを課題とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決する目的で研究を進める中で、ペロブスカイト型構造のABO3 (式中、Aは1種もしくは2種以上のランタノイド系希土類金属、BはGa) で示される希土類ガレート系酸化物において、Aサイトの希土類金属の一部をアルカリ土類金属で、および/またはBサイトのGa原子の一部をMg、In、Alといった非遷移金属で置換すると、高い酸化物イオン伝導性を示す材料が得られることを見出した。中でも、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3で示される材料が高い酸化物イオン伝導性を示した。
【0011】
図1に、この化合物の電気伝導性を従来の酸化物イオン伝導体と比較したグラフを示す。このグラフからわかるように、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3は、従来の代表的な安定化ジルコニアであるY2O3安定化ジルコニアや CaO安定化ジルコニアに比べて非常に高い伝導性 (電気伝導性、以下同じ) を示す。Bi2O3 系酸化物はこれよりさらに高い伝導性を示すが、上述したように耐熱性が不十分である上、還元雰囲気に弱いため、酸化物イオン伝導体としての実用化は困難である。
【0012】
本発明者らはさらに酸化物イオン伝導性が高い材料について探究した結果、上記の希土類ガレート系酸化物のBサイトに少量の特定の遷移金属を含有させると、酸化物イオン伝導性がさらに向上し、低温でも高い酸化物イオン伝導性を示すことを見出し、本発明に到達した。
【0013】
ここに、本発明は、下記一般式で示される酸化物イオン伝導体である。
Ln1-x x Ga1-y-z B1y B2z 3 ・・・ ▲1▼
▲1▼式中、
Ln=La、Ce、Pr、Nd、Smの1種もしくは2種以上;
A=Sr、Ca、Baの1種もしくは2種以上;
B1=Mg、Al、Inの1種もしくは2種以上;
B2=Co、Fe、Ni、Cuの1種もしくは2種以上;
x=0.05〜0.3 ;
y=0〜0.29;
z=0.01〜0.3 ;
y+z= 0.025〜0.3 。
【0014】
本発明において、「酸化物イオン伝導体」とは、実質的な酸化物イオン伝導性を示す電気伝導性材料を意味する。即ち、電気伝導性の大部分を酸化物イオン伝導性が占める狭義の酸化物イオン伝導体だけでなく、場合により電子−イオン混合伝導体(または酸化物イオン混合伝導体)と呼ばれる、電子伝導性と酸化物イオン伝導性の両方が大きな割合を占める材料も、本発明では酸化物イオン伝導性を示す材料として、酸化物イオン伝導体に含める。
【0015】
電気伝導性の大部分を酸化物イオン伝導性が占める狭義の酸化物イオン伝導体の場合、イオン輸率 (電気伝導性に占める酸化物イオン伝導性の割合) は好ましくは0.7 以上であり、より好ましくは0.9 以上である。一方、電子−イオン混合伝導体の場合には、イオン輸率は好ましくは 0.1〜0.7 、より好ましくは 0.2〜0.6 である。
【0016】
本発明によればまた、上記の酸化物イオン伝導体を電解質または空気極に使用した固体酸化物型燃料電池、この酸化物イオン伝導体からなるガスセンサー、電気化学的酸素ポンプ用酸素分離膜、ならびにガス濃度差を利用するガス分離膜も提供される。
【0017】
【発明の実施の形態】
上記▲1▼式で示される本発明の酸化物イオン伝導体は、ペロブスカイト型結晶構造を持ち、ABO3 で示されるペロブスカイト型結晶のAサイトを上記一般式のLn原子とA原子が占め、そのBサイトを残りのGa原子、B1原子、およびB2原子が占めている。なお、B1原子は無くてもよい。
【0018】
本来は3価金属が占めるA、B両サイトの一部を2価金属 (例えば、Aサイトを占める上記A原子、Bサイトを占めるB1のMg) または遷移金属 (Bサイトを占めるB2原子) が占めることにより、酸素空孔を生じ、この酸素空孔により酸化物イオン伝導性が現れる。従って、酸素原子数はこの酸素空孔の分だけ減少することになる。
【0019】
即ち、▲1▼式では酸素原子数が3であるように表示されているが、実際には酸素原子数は3以下である。但し、酸素空孔の数は添加原子 (A、B1、B2) の種類のみならず、温度、酸素分圧、B2原子の種類・量によっても変動するため、正確に表示することは困難である。そのため、本明細書のペロブスカイト型材料を示す化学式では、酸素原子比の数値を便宜上3として表示する。
【0020】
上の▲1▼式において、Lnはランタノイド系希土類金属であり、Aはアルカリ土類金属であり、B1は非遷移金属であり、B2は遷移金属である。即ち、本発明の酸化物イオン伝導体は、ランタノイド・ガレート (LnGaO3)を基本構造とし、これにアルカリ土類金属 (A) 、非遷移金属 (B1) 、および遷移金属 (B2) の3種類、またはアルカリ土類金属 (A) および遷移金属 (B2) の2種類の原子をドープした、5元系 (Ln+A+Ga+B1+B2) または4元系 (Ln+A+Ga+B2) の複合酸化物である。以下、この複合酸化物を5/4元系複合酸化物ということがある。
【0021】
Ln+A+Ga+B1の4元系複合酸化物 (その代表例は上記La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3) も、図1に示したように、安定化ジルコニアより高い酸化物イオン伝導性を示す優れた酸化物イオン伝導体である。これを本発明では対照4元系複合酸化物という。本発明によれば、この対照4元系複合酸化物のB1原子の一部または全部を遷移金属 (B2原子) で置換することにより、一般に対照4元系複合酸化物よりさらに高い酸化物イオン伝導性を示す酸化物イオン伝導体が得られる。
【0022】
図2に、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3の対照4元系複合酸化物のMgの一部を遷移金属 (図2の一般式では、Mと表示) で置換して5元系にした本発明の酸化物イオン伝導体 (LnがLa、AがSr、B1がMg、B2がM原子) の電気伝導性を示す。
【0023】
この図からわかるように、B2原子 (図2の一般式ではM) がCoまたはFeであると、どの温度でも対照4元系複合酸化物より非常に高い電気伝導性を示す。特に対照4元系複合酸化物では低温側 (横軸の値が1.1 以上、約630 ℃以下) で伝導性の低下が大きいため、低温側ではCoまたはFeの含有による伝導性の向上が大きくなる。B2原 (M) 子がNiの場合には、横軸が約0.9 以上 (温度約840 ℃以下) において伝導性が対照4元系複合酸化物の伝導性を超えるようになる。B2原子がCuの場合には、横軸が約1.1 以上 (温度約630 ℃以下) において伝導性が対照4元系複合酸化物の伝導性を超えるようになり、注目すべきことに、これより温度が下がっても伝導性が低下せず、ほぼ一定であるため、横軸が1.3 以上 (温度約500 ℃以下) では図中で最も高い伝導性を示すようになる。
【0024】
従って、B2原子がNiやCuの場合には、比較的低温側で酸化物イオン伝導体として使用することが好ましい。但し、図2において比較の対象とした対照4元系複合酸化物 (La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3) は、図1に示したように、横軸が1.0 を超える高温側でも安定化ジルコニアより非常に高い伝導性を示すので、B2原子がNiやCuの場合の場合でも、安定化ジルコニアに比べれば、低温側のみならず、高温側でも伝導性は十分に高いといえる。
【0025】
これに対し、B2原子の遷移金属がMnであると、横軸が1.1 以下の高温側では対照4元系複合酸化物より伝導性が低く、横軸が1.1 以上の低温側でも対照4元系複合酸化物と伝導性が同程度であって、Mgの一部を遷移金属で置換することによる伝導性の向上がどの温度でも実質的に得られない。従って、遷移金属のB2原子としては、対照4元系複合酸化物に比べた伝導性の向上が少なくとも一部の温度で得られる、Co、Fe、Ni、Cuから選んだ1種もしくは2種以上とする。
【0026】
各サイトにおけるドープ原子、即ち、AサイトにおけるA原子の原子比 (x) 、またはBサイトにおけるB1原子+B2原子の合計原子比 (y+z) が上記の範囲外になると、本発明の5/4元系複合酸化物の電気伝導性あるいはイオン輸率が低下する。
【0027】
図3は、A原子 (Sr) の割合を変化させた場合の伝導性を示し、A原子の原子比 (x) が0.05〜0.3(=Ln原子の原子比が 0.7〜0.95) の範囲を外れると、伝導性が低下することがわかる。
【0028】
図4(a) は、B1原子+B2原子の合計原子比 (y+z、但しy:z=11.5:8.5)を変化させた場合の伝導性を示す。この合計値が大きくなるにつれて伝導性が増大する。しかし、図4(b) に示すようにy+zの値が増加するとイオン輸率の低下が認められ、0.3(=Gaの原子比が 0.7) を越えるとイオン輸率が0.7 を下回るようになる。
【0029】
Bサイトの2種類のドープ原子のうちB2原子については、図5に示すように、B2原子(Co)の原子比であるz値が増大するほど、電気伝導性は高くなる。これは、B2原子が遷移金属であり、原子価の変動によりn型またはp型の電子性電気伝導を発現し易いため、この原子が多くなるほど電子性電気伝導が増大して、電気伝導性が高くなるためである。それに伴って、酸化物イオン伝導性の割合 (イオン輸率) が低下する。
【0030】
図5からわかるように、z値が0.15以下の5元系複合酸化物であれば、イオン輸率が0.7 以上となり、特にz値が0.10以下であるとイオン輸率は0.9 以上と高く、前述した狭義の酸化物イオン伝導体として機能する。但し、この場合はBサイトに非遷移金属であるB1原子がある程度含まれていないと、電子性電気伝導の寄与の割合を0.3 以下に維持できない。このような材料は、後述するように、固体酸化物型燃料電池の電解質、ガスセンサー、電気化学的酸素ポンプ用酸素分離膜などとして有用である。
【0031】
一方、z値が0.15を超えると、イオン輸率が0.7 以下に下がって、電子−イオン混合伝導体として機能するようになる。前述したように、このような材料も本発明では酸化物イオン伝導体の中に含める。注目すべきことに、z値が0.2(即ち、y値=0) 、つまりMg (B1原子) が完全にCo (B2原子) で置換された4元系の複合酸化物でも、イオン輸率は約0.3 にとどまり、なお電子−イオン混合伝導体 (即ち、酸化物イオン混合伝導体) として十分に機能し、前述したように伝導性は最も高くなる。このような混合伝導体は、後述するように、固体酸化物型燃料電池の空気極またはガス分離膜に有用である。
【0032】
上記▲1▼式において好ましい組成は次の通りである。
Ln=La、Ndまたはこれらの混合物、特にLa、
A=Sr、
B1=Mg、
B2=Co、
x=0.10〜0.25、特に0.17〜0.22、
y=0〜0.17、特に0.09〜0.13、
y+z=0.10〜0.25、特に0.15〜0.20。
【0033】
z値は、高い酸化物イオン伝導性 (イオン輸率が0.7 以上、好ましくは0.9 以上) を持つ狭義の意味での酸化物イオン伝導体として機能させる場合、z=0.02〜0.15、特に0.07〜0.10であることが好ましい。一方、電子−イオン混合伝導体として機能させたい場合には、z値は0.15<z≦0.3 であり、好ましくは0.15<z≦0.25である。
【0034】
本発明の1好適態様にあっては、Ln=La、A=Sr、B1=Mg、B2=Fe、x= 0.1〜0.3 、y= 0.025〜0.29、z=0.01〜0.15、y+z= 0.035〜0.3 である。即ち、この酸化物イオン伝導体は、次の▲2▼式で示される。
【0035】
La1-x Sr x Ga1-y-z Mg y Fe z3 ・・・ ▲2▼
式中、
x= 0.1〜0.3 ;
y= 0.025〜0.29;
z=0.01〜0.15;
y+z= 0.035〜0.3 。
【0036】
▲2▼式で示される酸化物イオン伝導体は、酸素分圧にほとんど依存せずに高い電気伝導性を示す。この電気伝導性には、高酸素分圧下でわずかにP型半導性が寄与するもの、1〜10-21 atm の広い酸素分圧 (即ち、還元性雰囲気から酸化性雰囲気に及ぶ酸素分圧) で、酸化物イオン伝導性が支配的であり、かつ電気伝導性のイオン輸率が0.9 以上と高い。このように酸素分圧に関係なく高いイオン輸率を示し、同時に電気伝導性も高いことから、本発明の酸化物イオン伝導体の電気伝導性の向上は、主に酸化物イオン伝導性の向上によるものと考えられる。
【0037】
図6に、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3で示される対照4元系複合酸化物のMgの一部をFeで置換した5元系複合酸化物 (即ち、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2-zFez O3) の電気伝導性 (950 ℃、酸素分圧=10-5 atm) を示す。この図からわかるように、z=0の対照4元系複合酸化物に比べて、Mgの一部をFeで置換すると一般に電気伝導性が高くなり、電気伝導性はz=0.01〜0.05の範囲で特に高く、z=0.03付近で最高値に達することがわかる。
【0038】
図7(a) は、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2-zFez O3 (z=0.03、0.05、0.1 、0.15) で示される▲2▼式で示される5元系複合酸化物と、z=0の4元系複合酸化物の電気伝導性の温度変化 (アレニウスプロット) を、図7(b) は▲2▼式でz=0.03の5元系複合酸化物と関連化合物の電気伝導性の酸素分圧依存性をそれぞれ示す。この図からわかるように、この5元系複合酸化物は広い温度および酸素分圧の範囲で高い電気伝導性を示し、かつ電気伝導度が酸素分圧依存性をほとんど示さないことから0.9 以上の高いイオン輸率を示すことがわかる。
【0039】
従って、この5元系複合酸化物は、固体酸化物型燃料電池の電解質、ガスセンサー、電気化学的酸素ポンプ用酸素分離膜などとして有用である。酸化物イオン伝導性が安定化ジルコニアより高く、かつ温度や酸素分圧による変化が小さいため、安定化ジルコニアより性能の優れた製品を与えることができよう。
【0040】
上記▲2▼式において好ましい組成は次の通りである。
x=0.15〜0.25、特に0.17〜0.22、
y=0.09〜0.24、特に0.10〜0.20、
z=0.01〜0.05、特に約0.03、
y+z=0.10〜0.25、特に0.15〜0.22。
【0041】
本発明の酸化物イオン伝導体は、成分元素の各酸化物の粉末を所定の配合割合でよく混合した混合物を適宜手段で成形し、焼成して焼結させることにより製造することができる。原料粉末としては、酸化物以外に、焼成中に熱分解して酸化物になる前駆物質 (例、炭酸塩、カルボン酸等) も使用できる。焼結のための焼成温度は1200℃以上、好ましくは1300℃以上であり、焼成時間は数時間ないし数十時間である。焼成時間を短縮するため、原料混合物を焼結温度より低温で予備焼成してもよい。この予備焼成は、例えば、 500〜1300℃で1〜10時間程度加熱することにより実施できる。予備焼成した混合物を、必要であれば粉砕した後、成形し、最終的に焼結させる。成形は、一軸圧縮成形、静水圧プレス、押出し成形、テープキャスト成形などの適宜の粉体成形手段を採用できる。予備焼成も含めて焼成雰囲気は、空気等の酸化性雰囲気か不活性ガス雰囲気が好ましい。
【0042】
本発明の酸化物イオン伝導体のうち、y値が0.025 以上で、かつz値が0.15以下の5元系のものは、電気伝導性において酸化物イオン伝導性が支配的 (即ち、イオン輸率が0.7 以上) であり、上記の狭義の酸化物イオン伝導体となる。この材料は、従来は安定化ジルコニアが使用されてきた各種の酸化物イオン伝導体の用途 (例、SOFCの電解質、ガスセンサー) に利用できる。本発明のこの種の酸化物イオン伝導体は、酸化物イオン伝導性が安定化ジルコニアより高く、低温でも作動可能であることから、安定化ジルコニアより性能の優れた製品を与えるものと期待される。
【0043】
YSZ のような酸化物イオン伝導体の応用分野は広範囲に及んでいるが、重要な用途の1つが固体酸化物型 (固体電解質型) 燃料電池 (SOFC) の電解質である。現時点で最も開発が進んでいるSOFCは、Y2O3安定化ジルコニア(YSZ) の薄膜を電解質とし、空気極 (カソード) には電子性電気伝導を示すペロブスカイト型材料 (例、Sr含有LaMnO3) 、燃料極 (アノード) にはNi等の金属またはNi-YSZなどのサーメットを用いた電池構成をとる。YSZ の伝導性が低温では低いことと、1000℃付近では排ガスの熱を利用したタービン発電機の運転を行うコジェネレーションによる発電効率の増大が可能となることから、YSZ を電解質とするSOFCは1000℃前後の高温で作動させるように設計されている。
【0044】
SOFCは電解質の抵抗損による電圧降下が大きく、薄膜ほど高出力が得られる。そのため、電解質のYSZ は30〜50μm程度の薄膜で使用されている。しかし、それでもなおYSZ の酸化物イオン伝導度が小さいため、実用上十分な性能を得るために約1000℃に加熱する必要がある。膜厚30μm厚の薄膜YSZ で作動温度1000℃における実用的な出力密度は、0.35 W/cm2程度と報告されている。これより電池の出力を高くするか、作動温度を低くするために、数μmないし10μm程度という薄さのYSZ 薄膜を使用した実験例が報告されているが、このような薄膜では電解質に求められるガス不透過性が不確実となり、信頼性の面で望ましくない。
【0045】
本発明の5元系ペロブスカイト型酸化物からなる狭義の酸化物イオン伝導体は、YSZ より酸化物イオン伝導性が非常に高いものを得ることができるので、例えば厚さ0.5 mm (=500 μm) という焼結法で製造可能な厚膜の電解質を用いてSOFCを構成した場合でも、上記のYSZ 薄膜より高い出力を得ることができる。この場合の最大出力密度は、B2原子の種類や原子比によっても異なるが、30μm厚のYSZ 薄膜を用いたSOFCと比べて、作動温度1000℃でもこれを凌ぎ、作動温度800 ℃では数倍 (例、3倍またはそれ以上) も大きくなる。或いは、厚さ約200 μmの膜で用いれば、600 ℃ないし700 ℃という低温において、30μm厚のYSZ 膜が1000℃で発揮するのと同等の出力密度を得ることができる。
【0046】
本発明の酸化物イオン伝導体をSOFCの電解質に用いる場合、使用する具体的な材料は、作動温度に応じて選択すればよい。例えば、コジェネレーションとして排ガスによるタービン発電を同時に行う場合には、1000℃前後の高い作動温度が必要であるので、このような高温で高い酸化物イオン伝導性を示す、B2原子がCoまたFe、特にCoである5元系複合酸化物を電解質に使用することが好ましい。一方、作動温度が800 ℃程度であれば上記以外にB2原子がNiであるものも使用でき、さらに作動温度が600 ℃以下であればB2原子がCuであるものも使用できる。
【0047】
作動温度が例えば 600〜700 ℃と低くても、水蒸気または他の排ガスによる発電を同時に行うか、或いは熱源としてのエネルギー有効利用を同時に達成することで、SOFCの発電効率はそれほど低下しない。このように作動温度が低くなると、SOFCの構造材料にステンレス鋼等の鉄鋼材料を使用でき、作動温度が1000℃前後の場合のNi−Cr合金やセラミックといった材料に比べて材料費が著しく低減するという利点もある。従来のYSZ では、このような低温で作動させるSOFCを構築することはできなかったが、本発明によればこのような低温作動型から高温作動型まで、使用環境に合わせて多様なSOFCを構築することが可能となる。
【0048】
特に上記▲2▼式で示される5元系複合酸化物からなる酸化物イオン伝導体は、高い酸化物イオン伝導性を示す温度範囲が広いため、 600〜700 ℃という比較的低い作動温度から1000℃前後の高い作動温度のいずれの温度においてもSOFCの電解質として十分に機能する。従って、電解質としてこの酸化物イオン伝導体を選択した場合には、この材料だけで低温作動型から高温作動型までの多様なSOFCを構築することができる。
【0049】
前述したように、本発明の5元系複合酸化物は、YSZ に比べて酸化物イオン伝導性が非常に高いため、電解質を厚くして、例えば0.5 mm程度の焼結体から製造することが可能となるため、機械的強度、寿命が大幅に向上し、しかもYSZ を電解質とする場合より最大出力密度の高いSOFCを製造することができる。
【0050】
本発明の5元系の酸化物イオン伝導体を電解質とするSOFCの電極は特に制限されず、従来のSOFCに利用されている電極材料を使用できる。例えば、空気極をSm0.5-0.7Sr0.3-0.5CoO3から、燃料極をNi金属から構成できる。この電池構成をとると、特に低温での出力が増大し、800 ℃でも1.5 W/cm2 を超える高い最大出力密度が得られ、さらには600 ℃でも比較的高い出力密度が得られるので、600 ℃またはそれ以下という従来は不可能であった低温作動が可能な固体酸化物型燃料電池が作製可能となるものと期待される。燃料極は、電極過電圧を低減させるため、Ni−CeO2等のサーメットでもよい。特に好ましい空気極と燃料極については後述する。
【0051】
YSZ の現時点で最も大きな用途は酸素センサーであり、自動車の空燃比制御に大量に使用されているほか、製鋼等の工業プロセスの制御にも利用されている。この酸素センサーは固体電解質酸素センサーと呼ばれ、酸素濃淡電池の原理により酸度濃度を測定するものである。即ち、酸化物イオン伝導体からなる材料の両端に酸素ガス分圧の差があると、材料内部に酸化物イオンが拡散して酸素濃淡電池を構成するため、両端に電極をつけて起電力を測定することにより酸素分圧を測定することが可能となる。固体電解質酸素センサーは、酸素ガス以外にSOx , NOx といった酸素含有ガスのセンサーとしても利用できる。
【0052】
YSZ からなる酸素センサーは、比較的安価ではあるが、低温では酸化物イオン伝導性が低下するため、600 ℃以上の高温でしかセンサーを使用できず、用途が制限されていた。これに対し、酸化物イオン伝導性が支配的な本発明の5元系の酸化物イオン伝導体 (y≧0.025 、z≦0.15、上記▲2▼式で示されるものも含む) は、YSZ より高い酸化物イオン伝導性を示すので、ガスセンサー、特に酸素センサーとして有用であり、低温でも酸化物イオン伝導性が高いことから600 ℃以下でも十分に使用可能なガスセンサーとなる。
【0053】
酸化物イオン伝導性が支配的である本発明の5元系の酸化物イオン伝導体 (y≧0.025 、z≦0.15、上記▲2▼式で示されるものも含む) は、電気化学的酸素ポンプ用酸素分離膜としても使用できる。酸化物イオン伝導体からなる分離膜の両側に電位差を与えると、内部を酸化物イオンが移動して電流が流れ、酸素が片側の面から反対側の面に1方向に流れるようになる。これが酸素ポンプである。例えば、空気を流すと、反対側の面から酸素が富化された空気が得られるので、酸素分離膜として利用されている。
【0054】
このような酸素分離膜は、例えば軍事用航空機やヘリコプターなどで、周囲の希薄空気から酸素富化空気を作るのに利用されている。医療用酸素ボンベの代替品としても応用可能性があると考えられる。
【0055】
また、電子−イオン混合伝導性 (即ち、イオン輸率が0.7 以下) を示す本発明の5/4元系ペロブスカイト型酸化物イオン伝導体 (z>0.15) は、酸素に電子付与するイオン化触媒として機能し、集電体として機能するのに必要な電子伝導性と、酸化物イオンを電解質に送りこむための酸化物イオン伝導体として機能するのに十分な酸化物イオン伝導性の両方を示すので、前述したSOFCの空気極の材料に適しており、空気極の少なくとも一部をこの材料から構成することが好ましい。
【0056】
特に、SOFCの電解質を、前述した酸化物イオン伝導性が支配的な狭義の酸化物イオン伝導体である本発明の5元系材料 (▲1▼式でy≧0.025 、z≦0.15、特にz≦0.10であるもの、上記▲2▼式で示されるものも含む) から構成する場合、その空気極に電子−イオン混合伝導性を示す本発明の5/4元系材料 (▲1▼式でz>0.15のもの、y=0の場合を含む) を使用すると、SOFCの電解質と空気極が同種の材料から構成されることになり、SOFCの性能が向上する。
【0057】
この点を詳しく説明すると、従来のSOFCでは電解質と空気極が異種の材料から構成されている [例えば、電解質がYSZ で、空気極はLa(Sr)CoO3] 。この場合には、原子レベルで微視的に見ると、電解質と空気極との界面に両層の材料が混じり合ったごく薄い界面層が生成し、その界面抵抗による電圧損のために、出力が低下する。電解質と空気極を同種の材料から構成すると、界面層の生成が抑制され、界面抵抗が小さくなる。
【0058】
界面抵抗の問題に加えて、電解質と空気極が異種の材料である場合には、両者の熱膨張率が異なるため、昇温時や降温時に加わる熱応力が大きくなる。この問題も、電解質と空気極を同種の材料から構成することにより著しく低減する。
【0059】
上記の界面抵抗や熱応力は、電解質と空気極との間に、これらの2材料の中間の組成を持つ1または2以上の中間層を設けて、電解質から空気極に組成が徐々に変化するようにすると、さらに抑制することができる。
【0060】
燃料極は、上述したように従来より使用されてきた各種材料から構成できるが、特に好ましい燃料極の材料は、(1) Niと、(2) 一般式:Ce1-mm2 (式中、CはSm、Gd、YおよびCaの1種もしくは2種以上を意味し、m=0.05〜0.4)で示される化合物とからなるものである。両者の割合は、 (1):(2) の体積比が95:5〜20:80の範囲内であることが好ましい。より好ましくはm値が 0.1〜0.3 であり、 (1):(2) の体積比が90:10〜40:60である。
【0061】
SOFCの構造は特に制限されず、円筒型でも平板型でもよく、また平板型の場合はスタック型と一体焼結型(モノリス型)のいずれでもよい。いずれの場合も、電解質層を空気極と燃料極とで挟んだ3層の積層体(電解質層は片面が空気極層に、他面が燃料極層に接する)が基本セル構造になる。電解質層はガス不透過性であり、空気極と燃料極の各層は、ガスが通過できるように多孔質である。円筒型の場合には、円筒の内部と外部に分けて燃料ガス(例、水素)と空気(または酸素)が別々に供給され、多数の円筒型セルがその外面の一部に設けたインターコネクタを介して接続される。平板型の場合には、燃料ガスと空気を別々に供給できる流路を設けた概ね平板型のインターコネクタを利用してガスが供給される。このインターコネクタを上記の3層の積層構造からなる平板型セルと交互に積み重ねて多層化される。
【0062】
SOFCの電極反応で律速となる反応の一つは、次式で示される空気極での酸素のイオン化である。
1/2O2 + 2e- →O2-
この反応は、空気極と電解質と空気との界面で起こるため、この界面の面積が大きいほど反応量が多くなる。そのため、例えば、上記の3層構造物を平板ではなく、波型にすることがこれまでも行われてきた。
【0063】
本発明の好適態様においては、図8に示すように、電解質層の両面に凹凸を形成し、この表面凹凸部に空気極または燃料極の材料を粒子状で付着させたセル構造を利用する。この場合、電解質層の本体部分はガス不透過性とする必要があるが、両面の表面に形成した凹凸部は多孔質であってもよい。この凹凸部の材料は、電解質と同じ材料 (即ち、狭義の酸化物イオン伝導体)でもよいが、好ましくは電子−イオン混合伝導性を示す材料とする。例えば、空気極側の凹凸部を本発明に係る電子−イオン混合伝導性を示す材料 (z>0.15) から構成することができる。その場合、この凹凸部に付着させた個々の粒子は、従来の空気極材料のような、電子性電気伝導が支配的な材料から構成することが好ましい。
【0064】
このような構造は、電解質層の表面にまずイオン−電子混合伝導体粒子を焼付け、次にさらにその表面により微細な電子伝導体粒子を付着させ、焼付けることによって形成することができる。或いは、単にイオン−電子混合伝導体粒子と電子伝導体粒子の混合物を電解質層の表面に付着させ、焼付けることによっても、一定の割合で同様の構造を実現することができる。
【0065】
従来の空気極の材料は、La(Sr)CoO3、La(Sr)MnO3といった電子性電気伝導が支配的な (イオン輸率の低い) 電子伝導体であるため、空気中の酸素を酸化物イオンにイオン化しても、空気極材料の中を通過して電解質へ酸化物イオンを送り込むとができない。そのため、この空気極材料を使用する場合には、図8の空気極側の表面凹凸部は電解質材料から構成し、空気極材料はこの表面凹凸部に粒子状で付着させることになる。その場合の酸素のイオン化は、図9(a) に示すように、電解質層と空気極粒子と空気の3相の界面、即ち、電解質層と空気極粒子の接合面の外縁(円周)に沿った一次元的な領域でしか起こらない。その結果、空気極の分極が大きくなり、SOFCの出力の低下が起こる。また、酸化物イオンを取込むために電解質層が空気と接している必要があるため、空気極が電解質層を完全に覆うことができず、付着量にも制限がある。従って、空気極の電子性電気伝導に依存する外部端子への電気的接続も不完全になり易い。或いは、十分な電気的接続を得るために、3相界面を粗に覆って空気極粒子同士をつなぐ導電材料の空隙に富む架橋構造が必要となるが、その場合にはその空隙構造がガスの通過に対して抵抗となる。
【0066】
これに対し、本発明の空気極の材料はイオン−電子混合伝導性を示すため、この材料それ自体が空気中の酸素を酸化物イオンにイオン化することができる。そのため、上述したように、図8の空気極側の表面凹凸部を、この混合伝導性の空気極材料から構成し、この凹凸部に付着させる個々の粒子を従来の電子伝導体の空気極材料から構成することができる。その場合の酸素のイオン化は、図9(b) に示すように、混合伝導性材料の表面凹凸部と空気の2相の界面、即ち、この材料の外表面全体という二次元の領域で起こるため、イオン化効率が飛躍的に増大し、空気極の分極が防止できるため、SOFCの出力が向上する。イオン化により生成した酸化物イオンは、この混合伝導性空気極材料の酸化物イオン伝導性により空気極材料を伝わって電解質に流れる。また、この表面凹凸部を形成する混合伝導性空気極材料は電子性電気伝導も可能であり、外部端子に電気を流すことができるが、それを助けるために電子伝導体の粒子を空気極側の凹凸部の表面に付着させる。
【0067】
燃料極は、上記のように、Niとセリア系材料 (Ce1-mm2)から構成することが好ましい。この場合も、酸化物イオン混合伝導体であるセリア系材料が燃料極側の表面凹凸部を構成し、その表面の個々の粒子を電子伝導体であるNiから構成する。この構成により、上述した空気極の場合と同様に、二次元的な領域でH2への酸化物イオンの受渡しが行われ、やはりH2O 生成反応の効率が著しく向上する。
【0068】
電子−イオン混合伝導性を示す本発明の酸化物イオン伝導体 (z>0.15) は、ガス濃度差を利用するガス分離膜としても利用できる。ガス分離膜の場合には、膜の両側に外部から電位差を与える必要はなく、分離膜の両側のガス中の酸素濃度差が分離の駆動力となる。この酸素濃度差により、酸化物イオンが高濃度側かた低濃度側に流れ、この流れを電気的に補償するために電子が逆方向に流れる。従って、酸化物イオン伝導性と一緒にある程度の電子性電気伝導もないと (即ち、電子−イオン混合伝導体でないと) 電子が流れないために機能しなくなる。
【0069】
このガス分離膜は、酸素ばかりでなく、例えば、水やNOX の分解にも使用できる。水の場合、分離膜の表面で酸化物イオンと水素に分解すると、膜の両側で酸化物イオン濃度に差ができ、これが駆動力となって酸化物イオンの流れができ、水素は流れずに残るので、水から水素を製造することができる。NOX の場合も、分解してNOX が無害化され、窒素と酸素に分離される。
【0070】
その他、本発明の酸化物イオン伝導体は、電気化学的反応器や酸素同位体分離膜などにも利用可能である。
【0071】
【実施例】
(実施例1)
La2O3 、SrCO3 、Ga2O3 、MgO 、ならびにCoO, Fe2O3, Ni2O3, CuO, MnO2から選んだ遷移金属酸化物の各粉末を、La0.8 Sr0.2 Ga0.8 Mg0.1 0.1 O3 (Mは遷移金属) を生ずる割合で配合し、よく混合した後、1000℃で6時間予備焼成した。この予備焼成した混合物を粉砕し、静水圧プレスにより厚み0.5 mm、直径15 mm のディスク状に圧縮成形し、成形体を1500℃で6時間焼成して焼結させた。得られた焼結体の結晶構造をX線回折により調べたところ、いずれもペロブスカイト型結晶構造を有していた。
【0072】
得られた焼結体の電気伝導性は、ディスク形の焼結体から切断した直方体試料に、電極となる白金ペーストを塗布した後、白金線を接続して950 〜1200℃で10〜60分間焼き付け、任意の酸素分圧と温度に調整可能な装置内で、直流四端子法または交流二端子法で抵抗値を測定することにより求めた。酸素分圧の調整は、O2−N2、CO−CO2 、H2−H2O 混合ガスを用いて行った。
【0073】
測定結果を図2および図10に示す。図2は、酸素分圧が一定 (10-5 atm) で、温度を変化させた場合の電気伝導度 (伝導度のアレニウスプロット) を示す。図10は、温度が一定 (950 ℃) で、酸素分圧を変化させた場合の電気伝導度 (伝導度の酸素分圧依存性) を示す。図2については既に説明したが、遷移金属がCo、Fe、NiまたはCuであると、Mgの一部を遷移金属で置換することにより、少なくとも低温側では伝導性が大きく向上することがわかる。
【0074】
図10からは、遷移金属がNi、CuまたはMnであると、伝導性が酸素分圧により変動するが、遷移金属がCoまたはFeであると、酸素分圧が変動してもほぼ一定の高い伝導性を保持していることがわかる。
【0075】
遷移金属がCoである化合物について、イオン輸率を測定した結果を図5に電気伝導率と一緒に示す。このイオン輸率は、仕切りにより試料の両端の雰囲気の酸素分圧を互いに異なる既知の値にして酸素濃淡電池を作製し、この電池の起電力を測定すると共に、同条件の理論起電力をネルンスト式から求め、起電力の測定値の理論起電力に対する比として求めた。遷移金属がCo以外であっても、図5とほぼ同様の傾向が認められ、Mgに対する遷移金属の割合が増大すると、電気伝導性は増大し、イオン輸率は低下した。しかし、電気伝導性の増大は対数的増大であるので、イオン輸率の低下よりずっと大きい。従って、イオン輸率が低下しても、酸化物イオン伝導性の絶対値は増大しているのである。
【0076】
(実施例2)
実施例1と同様にして、La0.8 Sr0.2 Ga0.8 Mg0.115 Co0.085 O3の焼結体からなる酸化物イオン伝導体を作製し、酸素分圧10-5 atmで温度を変化させて電気伝導性を測定した。測定結果 (伝導度のアレニウスプロット) を図11に示す。
【0077】
(実施例3)
実施例1と同様にして、La1-x Srx Ga0.8 Mg0.115 Co0.085 O3 (式中x=0.05、0.1 、0.15、0.2 、0.25または0.3)の焼結体からなる酸化物イオン伝導体を作製し、温度または酸素分圧を変化させて電気伝導度を測定した。950 ℃におけるxの値と電気伝導性との関係を図3に示す。伝導度のアレニウスプロット (酸素分圧10-5 atm) と酸素分圧依存性 (温度950 ℃) をそれぞれ図12(a) および(b) に示す。酸素分圧依存性はx値によって挙動が変化することが注目される。
【0078】
(実施例4)
実施例1と同様にして、La0.8 Sr0.2 Ga(1-y-z) Mgy Coz O3 (式中、y+z=0.05、0.1 、0.15、0.2 、0.25または0.3 、y:z=11.5:8.5)の焼結体からなる酸化物イオン伝導体を作製し、温度を変えて電気伝導度とイオン輸率を測定した。各 (y+z) 値における伝導度のアレニウスプロット (酸素分圧10-5atm)を図4(c) に示す。950 ℃における (y+z) 値と電気伝導性との関係を図4(a) に、またイオン輸率との関係を図4(b) に示す。
【0079】
(実施例5)
実施例1と同様にして、Ln0.9 0.1 Ga0.8 B10.1 Co0.1 3 なる組成で、Ln、A、B1の各金属原子を変更した焼結体からなる酸化物イオン伝導体を作製し、その電気伝導性を測定した。酸素分圧10-5 atm、950 ℃での電気伝導度 (σ/Scm-1) は次の通りであった。
【0080】
▲1▼Ln0.9 Sr0.1 Ga0.8 Mg0.1 Co0.1 3
Ln=La:0.53
=Pr:0.49
=Nd:0.36
=Ce:0.08
=Sm:0.05
▲2▼La0.9 0.1 Ga0.8 Mg0.1 Co0.1 3
A=Sr:0.53
=Ca:0.24
=Ba:0.22
▲3▼La0.9 Sr0.1 Ga0.8 B10.1 Co0.1 3
B1=Al:0.12
=Mg:0.53
=In:0.23
(実施例6)
実施例1と同様にして、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2-zFez O3 (z=0〜0.2)の焼結体からなる酸化物イオン伝導体を作製した。得られた焼結体の結晶構造をX線回折により調べたところ、いずれもペロブスカイト型結晶構造を有していた。
【0081】
この酸化物イオン伝導体の温度950 ℃、酸素分圧10-5 atmにおける電気伝導性の測定結果は、図6に示した通りである。この図から、前述したようにz=0.01〜0.15の範囲内の場合に高い電気伝導性が得られることがわかる。また、上記組成においてz=0.03の場合の電気伝導性の温度変化および酸素分圧依存性は、それぞれ図7(a) および(b) に示した通りである。この酸化物イオン伝導体は、広い温度範囲および酸素分圧の範囲で高い電気伝導性とイオン輸率を示すことがわかる。
【0082】
【発明の効果】
本発明によれば、従来の代表的な酸化物イオン伝導体である安定化ジルコニアより酸化物イオン伝導性が高いのはもちろん、それより酸化物イオン伝導性が高いAサイトとBサイトに非遷移金属だけをドープした4元系複合酸化物に比べても、酸化物イオン伝導性がさらに高く、また酸化物イオン伝導性と電子伝導性の割合、即ち、イオン輸率を容易かつ自由に制御することができる酸化物イオン伝導体が実現できる。従って、電気伝導性が高く、かつイオン輸率が0.9 以上と高い、狭義の酸化物イオン伝導体として有用な材料だけでなく、電子−イオン混合伝導体として有用な材料も得られる。
【0083】
イオン輸率が高い本発明の酸化物イオン伝導体は、安定化ジルコニアより低温でも使用でき、かつ酸素雰囲気から水素雰囲気に至る全ての酸素分圧下で高い酸化物イオン伝導性を示すので、固体酸化物型燃料電池の電解質、酸素センサー等のガスセンサー、および電気化学式酸素ポンプ用酸素分離膜として有用であり、従来より高性能の製品を実現できる可能性がある。特に、上記▲2▼式で示される酸化物イオン伝導体は、広い温度範囲および純酸素雰囲気から実質的な水素雰囲気に及ぶ非常に広い酸素分圧で高い酸化物イオン伝導性を保持する点で非常に有利である。
【0084】
また、電子−イオン混合伝導性を示す本発明の酸化物イオン伝導体は、固体酸化物型燃料電池の空気極や、ガス濃度差を利用するガス分離膜として利用できる。特に、この電子−イオン混合伝導性を示す本発明の酸化物イオン伝導体を空気極とし、上記のイオン輸率の高い本発明に係る狭義の酸化物イオン伝導体を電解質としてSOFCを構築すると、界面抵抗が減少するため、SOFCの高出力化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の代表的な酸化物イオン伝導体と、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3なる組成を持つ4元系複合酸化物からなるペロブスカイト型酸化物イオン伝導体の電気伝導性を示すグラフである。
【図2】図1の4元系ペロブスカイト型酸化物イオン伝導体のMgの一部を遷移金属で置換した、5元系複合酸化物からなる電気伝導性を、4元系のものと比較して示すグラフである。
【図3】本発明に係る5元系複合酸化物からなる酸化物イオン伝導体のAサイトのドープ原子であるA原子 (Sr) の割合 (x値) と電気伝導性との関係を示すグラフである。
【図4】図4(a) は、本発明に係る5元系複合酸化物からなる酸化物イオン伝導体のBサイトのドープ原子の割合、即ち、B1原子+B2原子の合計原子比 (y+z, 但しy:z=11.5:8.5)と、電気伝導性との関係を示すグラフであり、図4(b) は、同上 (y+z) 値とイオン輸率との関係を示すグラフであり、図4(c) は、同上、様々な (y+z) 値を有する5元系複合酸化物からなる酸化物イオン伝導体の電気伝導性と温度の関係を示すグラフである。
【図5】本発明に係る5/4元系複合酸化物からなる酸化物イオン伝導体のBサイトのドープ原子のうち遷移金属であるB2原子の割合 (z値) と電気伝導性およびイオン輸率との関係を示すグラフである。
【図6】 La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2-zFez O3で示される複合酸化物の電気伝導性 (950 ℃、酸素分圧=10-5 atm) をz値に対して示すグラフである。
【図7】 La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2-zFez O3で示される本発明の酸化物イオン伝導体の電気伝導性の酸素分圧10-5 atmにおける温度変化(a) と950 ℃における酸素分圧依存性(b) を示す。
【図8】表面凹凸を設けた固体酸化物型燃料電池のセル構造の模式的断面図である。
【図9】上記セル構造の電解質層と空気極の界面を示す説明図である。
【図10】本発明に係る5元系複合酸化物からなる酸化物イオン伝導体の電気伝導性の酸素分圧依存性を示すグラフである。
【図11】本発明に係る別の5元系複合酸化物からなる酸化物イオン伝導体の電気伝導性の温度変化示すグラフである。
【図12】本発明に係る別の5元系複合酸化物からなる酸化物イオン伝導体の電気伝導性の温度変化(a) および酸素分圧依存性(b) を示すグラフである。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a novel rare earth gallate oxide oxide conductor having a perovskite structure. The oxide ion conductor of the present invention exhibits a very high oxide ion conductivity or mixed oxide ion conductivity without being significantly affected by the partial pressure of oxygen, and is a gas for an electrolyte or air electrode of a fuel cell, an oxygen sensor, etc. It is useful as a sensor, an oxygen separation membrane such as an electrochemical oxygen pump, and a gas separation membrane.
[0002]
[Prior art]
Low electronic electrical conductivity, mainly oxide ions (O2-) Oxide ion conductors that exhibit electrical conductivity by movement of2-Consists of metal oxides doped with other metals to generate voids, solid oxide type (solid electrolyte type) fuel cell (SOFC) electrolyte, gas sensor such as oxygen sensor, oxygen separation membrane for electrochemical oxygen pump, etc. Application to has been attempted.
[0003]
A typical example of an oxide ion conductor is zirconium oxide (ZrO2) Small amount of CaO, MgO, Y2OThree, Gd2OThreeThis is a cubic fluorite-type solid solution called stabilized zirconia in which a divalent or trivalent metal oxide such as Stabilized zirconia has excellent heat resistance, and oxide ion conductivity is dominant under all oxygen partial pressures from oxygen atmosphere to hydrogen atmosphere, and even if the oxygen partial pressure decreases, the ion transport number ( The ratio of oxide ion conductivity to electric conductivity is difficult to decrease.
[0004]
Therefore, stabilized zirconia is widely used as a zirconia (oxygen) sensor for control of various industrial processes including steel making and combustion (air-fuel ratio) control of automobile engines. It is also used as an electrolyte in the solid oxide fuel cell (SOFC) operating at around 1000 ° C, which is under development. However, the oxide ion conductivity of stabilized zirconia is not sufficiently high, and the conductivity is insufficient particularly when the temperature is lowered. For example, Y2OThreeThe ionic conductivity of stabilized zirconia is 10 at 1000 ° C.-1 S / cm but 10 at 500 ° C-Four Since it is reduced to S / cm, the operating temperature is limited to a high temperature of at least 800 ° C.
[0005]
As a fluorite-type oxide that exhibits extremely high oxide ion conductivity that surpasses stabilized zirconia, Bi2OThreeY2OThreeBi dissolved in2OThreeThere are oxides. Although this oxide has a very high oxide ion conductivity, its heat resistance is insufficient because its melting temperature is as low as 850 ° C. In addition, it is weak in reducing atmosphere, and when the oxygen partial pressure decreases, Bi3+→ Bi2+As a result of this change, n-type electronic conductivity appears, and when the oxygen partial pressure is lowered and the atmosphere is close to a pure hydrogen atmosphere, it is reduced to a metal, so that it cannot be used for a solid oxide fuel cell.
[0006]
Among other fluorite-type oxide ion conductors, ThO2The oxide oxide has much lower oxide ion conductivity than stabilized zirconia, and electronic conductivity becomes dominant at a low oxygen partial pressure, so that the ion transport number is remarkably lowered. CeO2Oxide oxide exhibits oxide ion conductivity superior to that of stabilized zirconia, but oxygen partial pressure is 10-12Ce when it falls below atmospheric pressure4+→ Ce3+As a result of the change, n-type electronic conductivity appears, and the ion transport number greatly decreases.
[0007]
PbWO as an oxide ion conductor with a crystal structure other than fluoriteFour, LaAlOThree, CaTiOThreeHowever, all of these have low oxide ion conductivity, and semiconductivity appears under a low oxygen partial pressure, mainly resulting in electronic conductivity, resulting in a decrease in ion transport number.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
As explained above, oxide ion conductors with higher oxide ion conductivity than stabilized zirconia are known, but heat resistance is insufficient, and electronic conductivity is dominant at low oxygen partial pressure. Therefore, the ion transport number is greatly reduced, so that it is not suitable for applications such as an electrolyte of a solid oxide fuel cell or an oxygen sensor.
[0009]
The present invention shows higher oxide ion conductivity than stabilized zirconia, high heat resistance, high oxide ion conductivity even when the temperature is lowered as well as high temperature, more preferably from oxygen atmosphere to hydrogen atmosphere. Provide an oxide ion conductor in which the decrease in ion transport number is small at any oxygen partial pressure (that is, even when the oxygen partial pressure is low), oxide ion conduction is dominant, or mixed ion conductivity is exhibited. This is the issue.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have studied ABO with a perovskite structure in order to solve the above problems.Three (Wherein A is one or more lanthanoid-based rare earth metals, B is Ga), a part of the rare earth metal at the A site is an alkaline earth metal, and / or It has been found that a material exhibiting high oxide ion conductivity can be obtained by substituting a part of Ga atoms at the B site with a non-transition metal such as Mg, In or Al. Above all, La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2OThreeThe material indicated by shows high oxide ion conductivity.
[0011]
FIG. 1 shows a graph comparing the electrical conductivity of this compound with a conventional oxide ion conductor. As you can see from this graph, La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2OThreeY is a typical representative stabilized zirconia2OThreeCompared to stabilized zirconia and CaO stabilized zirconia, it exhibits very high conductivity (electrical conductivity, the same applies hereinafter). Bi2OThreeAlthough the system oxide exhibits higher conductivity than this, it is difficult to put it into practical use as an oxide ion conductor because it has insufficient heat resistance as described above and is weak in a reducing atmosphere.
[0012]
As a result of searching for materials having higher oxide ion conductivity, the present inventors have further improved oxide ion conductivity when a small amount of a specific transition metal is contained in the B site of the rare earth gallate oxide. The present inventors have found that high oxide ion conductivity is exhibited even at a low temperature, and reached the present invention.
[0013]
Here, the present invention is an oxide ion conductor represented by the following general formula.
Ln1-xAxGa1-yzB1yB2zOThree  ・ ・ ・ ▲ ▼
▲ 1 ▼
Ln = One or more of La, Ce, Pr, Nd, Sm;
A = one or more of Sr, Ca, Ba;
B1 = one or more of Mg, Al, In;
B2 = one or more of Co, Fe, Ni, Cu;
x = 0.05-0.3;
y = 0-0.29;
z = 0.01-0.3;
y + z = 0.025-0.3.
[0014]
In the present invention, the “oxide ion conductor” means an electrically conductive material exhibiting substantial oxide ion conductivity. That is, not only the oxide ion conductor in the narrow sense where the oxide ion conductivity occupies most of the electric conductivity, but also the electron conductivity, sometimes called an electron-ion mixed conductor (or oxide ion mixed conductor). In the present invention, a material in which both the oxide ion conductivity and the oxide ion conductivity account for a large proportion is also included in the oxide ion conductor as a material exhibiting oxide ion conductivity.
[0015]
In the case of oxide ion conductors in the narrow sense where the majority of electrical conductivity is occupied by oxide ion conductivity, the ion transport number (ratio of oxide ion conductivity in electrical conductivity) is preferably 0.7 or more, more Preferably it is 0.9 or more. On the other hand, in the case of an electron-ion mixed conductor, the ion transport number is preferably 0.1 to 0.7, more preferably 0.2 to 0.6.
[0016]
According to the present invention, a solid oxide fuel cell using the oxide ion conductor as an electrolyte or an air electrode, a gas sensor comprising the oxide ion conductor, an oxygen separation membrane for an electrochemical oxygen pump, Also provided is a gas separation membrane that utilizes gas concentration differences.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The oxide ion conductor of the present invention represented by the above formula (1) has a perovskite crystal structure, and is ABO.ThreeThe Ln atom and A atom of the above general formula occupy the A site of the perovskite crystal, and the remaining Ga atom, B1 atom, and B2 atom occupy the B site. The B1 atom may not be present.
[0018]
Originally a part of both A and B sites occupied by trivalent metals are divalent metals (for example, the above A atom occupying A site, B1 Mg occupying B site) or transition metal (B2 atom occupying B site). Occupancy causes oxygen vacancies, and oxide ion conductivity appears due to the oxygen vacancies. Accordingly, the number of oxygen atoms is reduced by this oxygen vacancy.
[0019]
That is, in the formula (1), the number of oxygen atoms is displayed as three, but the number of oxygen atoms is actually three or less. However, the number of oxygen vacancies varies not only with the type of added atoms (A, B1, B2) but also with temperature, oxygen partial pressure, and type and amount of B2 atoms, so it is difficult to display accurately. . Therefore, in the chemical formula showing the perovskite material of this specification, the numerical value of the oxygen atomic ratio is displayed as 3 for convenience.
[0020]
In the above formula (1), Ln is a lanthanoid rare earth metal, A is an alkaline earth metal, B1 is a non-transition metal, and B2 is a transition metal. That is, the oxide ion conductor of the present invention has a lanthanoid gallate (LnGaOThree) As a basic structure, and three types of alkaline earth metal (A), non-transition metal (B1), and transition metal (B2), or two types of alkaline earth metal (A) and transition metal (B2) This is a ternary (Ln + A + Ga + B1 + B2) or quaternary (Ln + A + Ga + B2) complex oxide doped with the above atoms. Hereinafter, this composite oxide may be referred to as a 5/4 ternary composite oxide.
[0021]
Ln + A + Ga + B1 quaternary complex oxide (typical example is La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2OThree) Is an excellent oxide ion conductor that exhibits higher oxide ion conductivity than stabilized zirconia, as shown in FIG. In the present invention, this is referred to as a control quaternary complex oxide. According to the present invention, by replacing some or all of the B1 atoms of this control quaternary composite oxide with a transition metal (B2 atom), the oxide ionic conductivity is generally higher than that of the control quaternary composite oxide. An oxide ion conductor exhibiting properties can be obtained.
[0022]
In Figure 2, La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2OThreeThe oxide ionic conductor of the present invention in which a part of Mg of the control quaternary composite oxide is replaced with a transition metal (indicated by M in the general formula of FIG. 2) to form a ternary system (Ln is La, A is Sr, B1 is Mg, and B2 is M atom).
[0023]
As can be seen from this figure, when the B2 atom (M in the general formula of FIG. 2) is Co or Fe, it exhibits much higher electrical conductivity than the control quaternary composite oxide at any temperature. In particular, in the control quaternary complex oxide, the decrease in conductivity is large on the low temperature side (value on the horizontal axis is 1.1 or more and about 630 ° C or less), so the conductivity is improved by the inclusion of Co or Fe on the low temperature side. . When the B2 atomic (M) atom is Ni, the conductivity exceeds the conductivity of the control quaternary composite oxide when the horizontal axis is about 0.9 or more (temperature is about 840 ° C. or less). When the B2 atom is Cu, the conductivity exceeds the conductivity of the control quaternary complex oxide when the horizontal axis is about 1.1 or higher (temperature is about 630 ° C or lower). As the temperature drops, the conductivity does not decrease and is almost constant. Therefore, when the horizontal axis is 1.3 or higher (temperature is about 500 ° C or lower), the highest conductivity is shown in the figure.
[0024]
Therefore, when the B2 atom is Ni or Cu, it is preferably used as an oxide ion conductor on the relatively low temperature side. However, the control quaternary complex oxide (La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2OThree1) As shown in Fig. 1, it shows much higher conductivity than stabilized zirconia even on the high temperature side where the abscissa exceeds 1.0. For example, it can be said that the conductivity is sufficiently high not only on the low temperature side but also on the high temperature side.
[0025]
In contrast, when the transition metal of the B2 atom is Mn, the conductivity is lower than the control quaternary complex oxide on the high temperature side where the horizontal axis is 1.1 or less, and the control quaternary system is used even on the low temperature side where the horizontal axis is 1.1 or more. The conductivity is almost the same as that of the composite oxide, and substantially no improvement in conductivity can be obtained at any temperature by substituting a part of Mg with a transition metal. Therefore, as transition metal B2 atoms, one or more selected from Co, Fe, Ni, and Cu can be obtained at least at some temperatures, as compared to the control quaternary composite oxide. And
[0026]
When the atomic ratio (x) of doped atoms at each site, that is, the A atom at the A site, or the total atomic ratio (y + z) of B1 atoms + B2 atoms at the B site falls outside the above range, 5/4 element of the present invention. The electrical conductivity or ion transport number of the composite oxide decreases.
[0027]
FIG. 3 shows the conductivity when the ratio of A atom (Sr) is changed, and the atomic ratio (x) of A atom is out of the range of 0.05 to 0.3 (= the atomic ratio of Ln atom is 0.7 to 0.95). It can be seen that the conductivity decreases.
[0028]
FIG. 4 (a) shows the conductivity when the total atomic ratio of B1 atom + B2 atom (y + z, where y: z = 11.5: 8.5) is changed. As this sum increases, the conductivity increases. However, as shown in FIG. 4 (b), when the value of y + z increases, the ion transport number decreases, and when 0.3 (= Ga atomic ratio exceeds 0.7), the ion transport number falls below 0.7.
[0029]
Of the two types of doped atoms at the B site, as shown in FIG. 5, as the z value, which is the atomic ratio of B2 atoms (Co), increases, the electrical conductivity increases. This is because the B2 atom is a transition metal, and it easily develops n-type or p-type electronic electrical conduction due to valence fluctuations. This is because it becomes higher. Along with this, the ratio of oxide ion conductivity (ion transport number) decreases.
[0030]
As can be seen from FIG. 5, when the z value is 0.15 or less, the ion transport number is 0.7 or more, and particularly when the z value is 0.10 or less, the ion transport number is as high as 0.9 or more. It functions as a narrowly defined oxide ion conductor. However, in this case, if the B site does not contain B1 atoms, which are non-transition metals, to some extent, the contribution ratio of electronic conductivity cannot be maintained at 0.3 or less. As will be described later, such a material is useful as an electrolyte for a solid oxide fuel cell, a gas sensor, an oxygen separation membrane for an electrochemical oxygen pump, and the like.
[0031]
On the other hand, when the z value exceeds 0.15, the ion transport number decreases to 0.7 or less, and functions as an electron-ion mixed conductor. As described above, such a material is also included in the oxide ion conductor in the present invention. It should be noted that even if the z value is 0.2 (ie, y value = 0), that is, the quaternary complex oxide in which Mg (B1 atom) is completely substituted with Co (B2 atom), the ion transport number is It remains at about 0.3 and still functions sufficiently as an electron-ion mixed conductor (ie, oxide ion mixed conductor), and has the highest conductivity as described above. Such a mixed conductor is useful for an air electrode or a gas separation membrane of a solid oxide fuel cell, as will be described later.
[0032]
In the above formula (1), preferred compositions are as follows.
Ln = La, Nd or mixtures thereof, in particular La,
A = Sr,
B1 = Mg,
B2 = Co,
x = 0.10-0.25, especially 0.17-0.22,
y = 0 to 0.17, especially 0.09 to 0.13,
y + z = 0.10-0.25, especially 0.15-0.20.
[0033]
The z value is z = 0.02 to 0.15, particularly 0.07 to 0.10 when functioning as an oxide ion conductor in a narrow sense having high oxide ion conductivity (ion transport number of 0.7 or more, preferably 0.9 or more). It is preferable that On the other hand, when it is desired to function as an electron-ion mixed conductor, the z value is 0.15 <z ≦ 0.3, and preferably 0.15 <z ≦ 0.25.
[0034]
In one preferred embodiment of the present invention, Ln = La, A = Sr, B1 = Mg, B2 = Fe, x = 0.1 to 0.3, y = 0.025 to 0.29, z = 0.01 to 0.15, y + z = 0.035 to 0.3. It is. That is, this oxide ion conductor is represented by the following equation (2).
[0035]
La1-xSrx Ga1-yz MgyFezOThree  ... (2)
Where
x = 0.1-0.3;
y = 0.025-0.29;
z = 0.01-0.15;
y + z = 0.035-0.3.
[0036]
The oxide ion conductor represented by the formula (2) exhibits high electrical conductivity almost independent of the oxygen partial pressure. This electrical conductivity is slightly contributed by P-type semiconductivity under high oxygen partial pressure, 1 to 10-twenty oneOxygen ion conductivity is dominant at a wide oxygen partial pressure of atm (that is, oxygen partial pressure extending from the reducing atmosphere to the oxidizing atmosphere), and the electric conductivity ion transport number is as high as 0.9 or more. Thus, the high ion transport number is exhibited regardless of the oxygen partial pressure, and at the same time, the electrical conductivity is high. Therefore, the improvement in the electrical conductivity of the oxide ion conductor of the present invention is mainly the improvement in the oxide ion conductivity. It is thought to be due to.
[0037]
Figure 6 shows La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2OThreeA ternary composite oxide obtained by substituting a part of Mg of the control quaternary composite oxide shown in FIG.0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2-zFezOThree) Electrical conductivity (950 ° C, oxygen partial pressure = 10-Five atm). As can be seen from this figure, compared with the control quaternary composite oxide with z = 0, when Mg is partially replaced with Fe, the electrical conductivity generally increases, and the electrical conductivity is in the range of z = 0.01 to 0.05. It is especially high, and it is understood that the maximum value is reached around z = 0.03.
[0038]
Figure 7 (a) shows La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2-zFezOThree (Arrhenius plot) Temperature change of electrical conductivity of quaternary composite oxide represented by formula (2) shown by (z = 0.03, 0.05, 0.1, 0.15) and quaternary composite oxide of z = 0 FIG. 7 (b) shows the oxygen partial pressure dependence of the electrical conductivity of the ternary composite oxide of z = 0.03 and related compounds in the formula (2). As can be seen from this figure, this ternary composite oxide exhibits high electrical conductivity over a wide temperature and oxygen partial pressure range, and the electrical conductivity exhibits almost no oxygen partial pressure dependence. It turns out that a high ion transport number is shown.
[0039]
Therefore, this ternary composite oxide is useful as an electrolyte, a gas sensor, an oxygen separation membrane for an electrochemical oxygen pump, etc. for a solid oxide fuel cell. Since oxide ion conductivity is higher than that of stabilized zirconia and changes due to temperature and oxygen partial pressure are small, a product superior in performance to stabilized zirconia can be provided.
[0040]
In the above formula (2), preferred compositions are as follows.
x = 0.15 to 0.25, especially 0.17 to 0.22.
y = 0.09-0.24, especially 0.10-0.20,
z = 0.01-0.05, especially about 0.03,
y + z = 0.10-0.25, especially 0.15-0.22.
[0041]
The oxide ion conductor of the present invention can be produced by forming a mixture in which the powders of the oxides of the component elements are mixed well at a predetermined blending ratio by appropriate means, firing and sintering. As the raw material powder, in addition to oxides, precursors (eg, carbonates, carboxylic acids, etc.) that are thermally decomposed during firing to become oxides can be used. The firing temperature for sintering is 1200 ° C. or more, preferably 1300 ° C. or more, and the firing time is several hours to several tens of hours. In order to shorten the firing time, the raw material mixture may be pre-fired at a temperature lower than the sintering temperature. This pre-baking can be carried out, for example, by heating at 500 to 1300 ° C. for about 1 to 10 hours. The pre-fired mixture is crushed if necessary, then shaped and finally sintered. For the molding, an appropriate powder molding means such as uniaxial compression molding, isostatic pressing, extrusion molding, tape cast molding or the like can be adopted. The firing atmosphere including pre-firing is preferably an oxidizing atmosphere such as air or an inert gas atmosphere.
[0042]
Among the oxide ion conductors of the present invention, those having a y value of 0.025 or more and a z value of 0.15 or less have a dominant oxide ion conductivity in electrical conductivity (that is, ion transport number). Is 0.7 or more), and the oxide ion conductor in the narrow sense is obtained. This material can be used for various oxide ion conductor applications (eg, SOFC electrolytes, gas sensors) that have traditionally used stabilized zirconia. This type of oxide ion conductor of the present invention is expected to give a product with higher performance than stabilized zirconia because it has higher oxide ion conductivity than stabilized zirconia and can operate at low temperatures. .
[0043]
Although the application field of oxide ion conductors such as YSZ is widespread, one important application is the electrolyte of solid oxide (solid electrolyte) fuel cells (SOFC). The most developed SOFC at present is Y2OThreeA perovskite-type material (e.g., Sr-containing LaMnO) that exhibits electronic electrical conductivity at the cathode (cathode) using a thin film of stabilized zirconia (YSZ) as an electrolyte.ThreeThe fuel electrode (anode) has a battery configuration using a metal such as Ni or a cermet such as Ni-YSZ. Since the conductivity of YSZ is low at low temperatures and power generation efficiency can be increased by cogeneration that operates the turbine generator using the heat of exhaust gas at around 1000 ° C, SOFCs using YSZ as an electrolyte are 1000 Designed to operate at high temperatures around ℃.
[0044]
SOFC has a large voltage drop due to the resistance loss of the electrolyte, and the thinner the film, the higher the output. Therefore, the electrolyte YSZ is used in a thin film of about 30-50 μm. However, since the oxide ion conductivity of YSZ is still small, it is necessary to heat to about 1000 ° C. in order to obtain practically sufficient performance. A practical power density of 0.35 W / cm at a working temperature of 1000 ° C with a thin film YSZ of 30 μm thickness2It is reported as a degree. In order to increase the battery output or lower the operating temperature, experimental examples using YSZ thin films with a thickness of several μm to 10 μm have been reported, but such thin films are required for electrolytes. The gas impermeability becomes uncertain, which is undesirable in terms of reliability.
[0045]
The narrowly defined oxide ion conductor composed of the ternary perovskite oxide of the present invention can be obtained with oxide oxide conductivity much higher than that of YSZ. For example, the thickness is 0.5 mm (= 500 μm). Even when the SOFC is configured using a thick film electrolyte that can be manufactured by the sintering method, a higher output than the YSZ thin film can be obtained. The maximum power density in this case varies depending on the type and atomic ratio of B2 atoms, but surpasses this even at an operating temperature of 1000 ° C compared to SOFC using a 30 μm-thick YSZ thin film, and several times at an operating temperature of 800 ° C ( Eg 3 times or more). Alternatively, when used in a film having a thickness of about 200 μm, a power density equivalent to that produced by a 30 μm-thick YSZ film at 1000 ° C. can be obtained at a low temperature of 600 ° C. to 700 ° C.
[0046]
When the oxide ion conductor of the present invention is used for an SOFC electrolyte, the specific material to be used may be selected according to the operating temperature. For example, when turbine power generation using exhaust gas is performed simultaneously as cogeneration, a high operating temperature of about 1000 ° C. is required. Therefore, B2 atoms exhibit high oxide ion conductivity at such a high temperature, Co2 or Fe, In particular, it is preferable to use a ternary composite oxide of Co as an electrolyte. On the other hand, if the operating temperature is about 800 ° C., those having B2 atoms of Ni can be used in addition to the above, and if the operating temperature is 600 ° C. or lower, those having B2 atoms of Cu can be used.
[0047]
Even if the operating temperature is as low as 600 to 700 ° C., for example, the power generation efficiency of SOFC does not decrease so much by simultaneously performing power generation with water vapor or other exhaust gas or simultaneously achieving effective use of energy as a heat source. When the operating temperature is lowered in this way, steel materials such as stainless steel can be used for the SOFC structural material, and material costs are significantly reduced compared to materials such as Ni-Cr alloys and ceramics when the operating temperature is around 1000 ° C. There is also an advantage. In the conventional YSZ, it was not possible to build a SOFC that operates at such a low temperature. However, according to the present invention, a variety of SOFCs can be built from the low-temperature operation type to the high-temperature operation type according to the usage environment. It becomes possible to do.
[0048]
In particular, the oxide ion conductor composed of the ternary complex oxide represented by the above formula (2) has a wide temperature range exhibiting high oxide ion conductivity. It functions well as an SOFC electrolyte at any high operating temperature around ℃. Therefore, when this oxide ion conductor is selected as the electrolyte, various SOFCs from a low temperature operation type to a high temperature operation type can be constructed with this material alone.
[0049]
As described above, the ternary composite oxide of the present invention has a very high oxide ion conductivity compared to YSZ, and therefore can be manufactured from a sintered body having a thick electrolyte and, for example, about 0.5 mm. As a result, it is possible to produce a SOFC with significantly improved mechanical strength and longevity and a higher maximum power density than when YSZ is used as the electrolyte.
[0050]
The SOFC electrode using the ternary oxide ion conductor of the present invention as an electrolyte is not particularly limited, and an electrode material used for a conventional SOFC can be used. For example, if the air electrode is Sm0.5-0.7Sr0.3-0.5CoOThreeTherefore, the fuel electrode can be made of Ni metal. This battery configuration increases output, especially at low temperatures, 1.5 W / cm even at 800 ° C.2Therefore, a solid oxide fuel cell capable of operating at a low temperature of 600 ° C or lower, which was impossible in the past, has been achieved. It is expected to be possible to produce. The fuel electrode uses Ni-CeO to reduce electrode overvoltage.2A cermet such as Particularly preferred air electrodes and fuel electrodes will be described later.
[0051]
The largest application of YSZ at present is oxygen sensors, which are used in large quantities for air-fuel ratio control of automobiles and also for industrial processes such as steelmaking. This oxygen sensor is called a solid electrolyte oxygen sensor and measures the acidity concentration based on the principle of an oxygen concentration cell. That is, if there is a difference in oxygen gas partial pressure at both ends of the material made of oxide ion conductor, oxide ions diffuse into the material to form an oxygen concentration cell. By measuring, the oxygen partial pressure can be measured. In addition to oxygen gas, the solid electrolyte oxygen sensorx, NOxIt can also be used as an oxygen-containing gas sensor.
[0052]
Although the oxygen sensor made of YSZ is relatively inexpensive, the oxide ion conductivity decreases at low temperatures, so the sensor can only be used at high temperatures of 600 ° C or higher, and its application has been limited. On the other hand, the ternary oxide ion conductor (y ≧ 0.025, z ≦ 0.15, including those represented by the above formula (2)) of the present invention in which the oxide ion conductivity is dominant is obtained from YSZ. Since it exhibits high oxide ion conductivity, it is useful as a gas sensor, particularly an oxygen sensor, and since it has high oxide ion conductivity even at low temperatures, it is a gas sensor that can be sufficiently used at 600 ° C. or lower.
[0053]
The ternary oxide ion conductor of the present invention (y ≧ 0.025, z ≦ 0.15, including those represented by the above formula (2)) in which the oxide ion conductivity is dominant is an electrochemical oxygen pump. It can also be used as an oxygen separation membrane. When a potential difference is applied to both sides of the separation membrane made of an oxide ion conductor, the oxide ions move inside to flow current, and oxygen flows in one direction from one surface to the opposite surface. This is an oxygen pump. For example, when air is flown, oxygen-enriched air is obtained from the opposite surface, and therefore, it is used as an oxygen separation membrane.
[0054]
Such oxygen separation membranes are used, for example, in military aircraft and helicopters to produce oxygen-enriched air from the surrounding rare air. It can be applied as an alternative to medical oxygen cylinders.
[0055]
In addition, the 5/4 quaternary perovskite oxide ion conductor (z> 0.15) of the present invention that exhibits electron-ion mixed conductivity (ie, an ion transport number of 0.7 or less) is an ionization catalyst that imparts electrons to oxygen. It exhibits both the electronic conductivity necessary to function and function as a current collector, and sufficient oxide ion conductivity to function as an oxide ion conductor for delivering oxide ions to the electrolyte, It is suitable for the material of the SOFC air electrode described above, and at least a part of the air electrode is preferably composed of this material.
[0056]
In particular, the SOFC electrolyte is a ternary material of the present invention which is an oxide ion conductor in a narrow sense in which the oxide ion conductivity is dominant as described above (where y ≧ 0.025, z ≦ 0.15, especially z ≦ 0.10, including those represented by the above formula (2)) 5/4 quaternary material of the present invention that exhibits electron-ion mixed conductivity in the air electrode (in formula (1)) z> 0.15, including the case of y = 0), the SOFC electrolyte and the air electrode are made of the same material, and the performance of the SOFC is improved.
[0057]
To explain this point in detail, in the conventional SOFC, the electrolyte and the air electrode are made of different materials. [For example, the electrolyte is YSZ and the air electrode is La (Sr) CoO.Three] In this case, when viewed microscopically at the atomic level, a very thin interface layer is formed in which the materials of both layers are mixed at the interface between the electrolyte and the air electrode, and the output loss due to the voltage loss due to the interface resistance. Decreases. When the electrolyte and the air electrode are made of the same material, the generation of the interface layer is suppressed and the interface resistance is reduced.
[0058]
In addition to the problem of interfacial resistance, when the electrolyte and the air electrode are made of different materials, the thermal expansion coefficients of the two are different, so that the thermal stress applied when the temperature is raised or lowered is increased. This problem is also significantly reduced by constituting the electrolyte and the air electrode from the same kind of material.
[0059]
The interface resistance and thermal stress are gradually changed from the electrolyte to the air electrode by providing one or more intermediate layers having an intermediate composition between these two materials between the electrolyte and the air electrode. By doing so, it can be further suppressed.
[0060]
As described above, the fuel electrode can be composed of various materials that have been conventionally used. Particularly preferable materials for the fuel electrode are (1) Ni and (2) General formula: Ce.1-mCmO2 (Wherein C represents one or more of Sm, Gd, Y and Ca, and m = 0.05 to 0.4). The ratio of the two is preferably such that the volume ratio of (1) :( 2) is in the range of 95: 5 to 20:80. More preferably, the m value is 0.1 to 0.3, and the volume ratio of (1) :( 2) is 90:10 to 40:60.
[0061]
The structure of the SOFC is not particularly limited, and may be a cylindrical type or a flat plate type. In the case of a flat plate type, either a stack type or an integral sintered type (monolith type) may be used. In any case, a three-layered structure in which an electrolyte layer is sandwiched between an air electrode and a fuel electrode (one side of the electrolyte layer is in contact with the air electrode layer and the other surface is in contact with the fuel electrode layer) has a basic cell structure. The electrolyte layer is gas impermeable, and the air electrode and fuel electrode layers are porous so that gas can pass through. In the case of a cylindrical type, an interconnector in which fuel gas (for example, hydrogen) and air (or oxygen) are separately supplied to the inside and outside of the cylinder, and a large number of cylindrical cells are provided on a part of the outer surface. Connected through. In the case of the flat plate type, the gas is supplied using a generally flat plate type interconnector provided with a flow path capable of supplying fuel gas and air separately. This interconnector is stacked in layers with the above-described flat plate cells having a three-layer structure so as to be multilayered.
[0062]
One of the rate-limiting reactions in the SOFC electrode reaction is the ionization of oxygen at the air electrode represented by the following formula.
1 / 2O2+ 2e-→ O2-
Since this reaction occurs at the interface between the air electrode, the electrolyte, and the air, the reaction amount increases as the area of this interface increases. For this reason, for example, the above three-layer structure has not been made flat but corrugated.
[0063]
In the preferred embodiment of the present invention, as shown in FIG. 8, a cell structure is used in which irregularities are formed on both surfaces of the electrolyte layer, and the material of the air electrode or fuel electrode is adhered to the surface irregularities. In this case, the main body portion of the electrolyte layer needs to be gas-impermeable, but the uneven portions formed on both surfaces may be porous. The material of the concavo-convex portion may be the same material as the electrolyte (that is, an oxide ion conductor in a narrow sense), but is preferably a material that exhibits electron-ion mixed conductivity. For example, the concavo-convex portion on the air electrode side can be made of the material (z> 0.15) showing the electron-ion mixed conductivity according to the present invention. In that case, it is preferable that the individual particles adhered to the concavo-convex portions are made of a material having a dominant electronic electrical conductivity, such as a conventional air electrode material.
[0064]
Such a structure can be formed by first baking the ion-electron mixed conductor particles on the surface of the electrolyte layer, and further attaching and baking finer electron conductor particles on the surface. Alternatively, the same structure can be realized at a certain ratio by simply adhering a mixture of ion-electron mixed conductor particles and electron conductor particles to the surface of the electrolyte layer and baking it.
[0065]
Conventional air electrode material is La (Sr) CoOThree, La (Sr) MnOThreeIs an electronic conductor with a dominant electronic conductivity (low ion transport number), so even if oxygen in the air is ionized to oxide ions, it passes through the air electrode material and becomes oxide into the electrolyte. I cannot send in ions. Therefore, when this air electrode material is used, the surface uneven portion on the air electrode side in FIG. 8 is made of an electrolyte material, and the air electrode material is adhered to the surface uneven portion in the form of particles. In this case, as shown in FIG. 9A, oxygen ionization occurs at the interface between the electrolyte layer, the air electrode particles, and the air, that is, the outer edge (circumference) of the interface between the electrolyte layer and the air electrode particles. It only happens in a one-dimensional area along. As a result, the polarization of the air electrode increases and the output of SOFC decreases. In addition, since the electrolyte layer needs to be in contact with air in order to take in oxide ions, the air electrode cannot completely cover the electrolyte layer, and the amount of adhesion is limited. Therefore, the electrical connection to the external terminal depending on the electronic electrical conduction of the air electrode is likely to be incomplete. Alternatively, in order to obtain a sufficient electrical connection, a bridging structure rich in voids of a conductive material that roughly covers the three-phase interface and connects the air electrode particles is required. Resistance to passage.
[0066]
On the other hand, since the material for the air electrode of the present invention exhibits ion-electron mixed conductivity, the material itself can ionize oxygen in the air to oxide ions. Therefore, as described above, the surface uneven portion on the air electrode side in FIG. 8 is composed of this mixed conductive air electrode material, and individual particles adhered to the uneven portion are air electrode materials of conventional electron conductors. It can consist of In this case, as shown in FIG. 9 (b), oxygen ionization occurs at a two-dimensional region of the two-phase interface between the surface irregularities of the mixed conductive material and the air, that is, the entire outer surface of the material. The ionization efficiency is dramatically increased and the polarization of the air electrode can be prevented, thereby improving the SOFC output. Oxide ions generated by ionization flow to the electrolyte through the air electrode material due to the oxide ion conductivity of the mixed conductive air electrode material. In addition, the mixed conductive air electrode material that forms the surface irregularities can also be electronically conductive, and electricity can flow to the external terminals. It is made to adhere to the surface of the uneven part.
[0067]
The anode is made of Ni and ceria-based material (Ce1-mCmO2). Also in this case, the ceria-based material that is the oxide ion mixed conductor constitutes the surface irregularity portion on the fuel electrode side, and individual particles on the surface are composed of Ni that is the electron conductor. With this configuration, as in the case of the air electrode described above, H in a two-dimensional region is obtained.2The oxide ions are delivered to2The efficiency of the O production reaction is significantly improved.
[0068]
The oxide ion conductor (z> 0.15) of the present invention exhibiting mixed electron-ion conductivity can also be used as a gas separation membrane utilizing a gas concentration difference. In the case of a gas separation membrane, it is not necessary to apply a potential difference from the outside to both sides of the membrane, and the oxygen concentration difference in the gas on both sides of the separation membrane becomes the driving force for separation. Due to this oxygen concentration difference, oxide ions flow from the high concentration side to the low concentration side, and electrons flow in the opposite direction to electrically compensate for this flow. Therefore, if there is no electronic conductivity along with oxide ion conductivity (that is, if it is not an electron-ion mixed conductor), it will not function because electrons do not flow.
[0069]
This gas separation membrane is not only oxygen but also, for example, water or NOXCan also be used for disassembling. In the case of water, when it is decomposed into oxide ions and hydrogen on the surface of the separation membrane, there is a difference in the oxide ion concentration on both sides of the membrane, which can be used as a driving force to allow the flow of oxide ions, without hydrogen flowing. Since it remains, hydrogen can be produced from water. NOXIn the case ofXIs detoxified and separated into nitrogen and oxygen.
[0070]
In addition, the oxide ion conductor of the present invention can be used for electrochemical reactors, oxygen isotope separation membranes, and the like.
[0071]
【Example】
(Example 1)
La2OThree, SrCOThree, Ga2OThree, MgO and CoO, Fe2OThree, Ni2OThree, CuO, MnO2Each transition metal oxide powder selected from0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.1M0.1OThree (M is a transition metal) was added at a ratio to generate and mixed well, followed by pre-baking at 1000 ° C. for 6 hours. This pre-fired mixture was pulverized and compression-molded into a disk shape having a thickness of 0.5 mm and a diameter of 15 mm by an isostatic press, and the compact was fired at 1500 ° C. for 6 hours to be sintered. When the crystal structure of the obtained sintered body was examined by X-ray diffraction, all had a perovskite crystal structure.
[0072]
The electrical conductivity of the obtained sintered body was determined by applying a platinum paste serving as an electrode to a rectangular parallelepiped sample cut from a disk-shaped sintered body, and then connecting a platinum wire at 950 to 1200 ° C. for 10 to 60 minutes. The resistance value was obtained by measuring the resistance value by the DC four-terminal method or the AC two-terminal method in an apparatus that can be baked and adjusted to an arbitrary oxygen partial pressure and temperature. O partial pressure adjustment is O2−N2, CO-CO2, H2−H2This was carried out using O mixed gas.
[0073]
The measurement results are shown in FIGS. Figure 2 shows a constant oxygen partial pressure (10-Five Atm) shows the electrical conductivity (Arrhenius plot of conductivity) when the temperature is changed. FIG. 10 shows the electric conductivity (dependence of conductivity on oxygen partial pressure) when the temperature is constant (950 ° C.) and the oxygen partial pressure is changed. Although FIG. 2 has already been described, it can be seen that when the transition metal is Co, Fe, Ni, or Cu, the conductivity is greatly improved at least on the low temperature side by substituting a part of Mg with the transition metal.
[0074]
From FIG. 10, when the transition metal is Ni, Cu or Mn, the conductivity varies depending on the oxygen partial pressure, but when the transition metal is Co or Fe, even if the oxygen partial pressure varies, it is almost constant and high. It can be seen that the conductivity is maintained.
[0075]
The result of measuring the ion transport number of the compound whose transition metal is Co is shown together with the electric conductivity in FIG. This ion transport number was determined by preparing an oxygen concentration cell with partitioning the oxygen partial pressures of the atmosphere at both ends of the sample different from each other, measuring the electromotive force of this battery, and applying the theoretical electromotive force under the same conditions to the Nernst It calculated | required from the type | formula and calculated | required as ratio with respect to the theoretical electromotive force of the measured value of an electromotive force. Even when the transition metal was other than Co, the same tendency as in FIG. 5 was observed. When the ratio of the transition metal to Mg increased, the electrical conductivity increased and the ion transport number decreased. However, since the increase in electrical conductivity is a logarithmic increase, it is much greater than the decrease in ion transport number. Therefore, even if the ion transport number decreases, the absolute value of the oxide ion conductivity increases.
[0076]
(Example 2)
In the same manner as in Example 1, La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.115Co0.085 OThreeAn oxide ion conductor made of a sintered body of-Five The electrical conductivity was measured by changing the temperature with atm. The measurement results (Arrhenius plot of conductivity) are shown in FIG.
[0077]
(Example 3)
In the same manner as in Example 1, La1-xSrxGa0.8Mg0.115Co0.085 OThree An oxide ion conductor made of a sintered body (wherein x = 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25, or 0.3) was produced, and the electric conductivity was measured by changing the temperature or the oxygen partial pressure. FIG. 3 shows the relationship between the value of x at 950 ° C. and electrical conductivity. Arrhenius plot of conductivity (oxygen partial pressure 10-Five Atm) and oxygen partial pressure dependence (temperature 950 ° C) are shown in Fig. 12 (a) and (b), respectively. It is noted that the oxygen partial pressure dependency changes depending on the x value.
[0078]
Example 4
In the same manner as in Example 1, La0.8Sr0.2Ga(1-yz)MgyCozOThree An oxide ion conductor made of a sintered body of (where y + z = 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25 or 0.3, y: z = 11.5: 8.5) is produced, and the electric conductivity and ions are changed at different temperatures. The transportation number was measured. Arrhenius plot of conductivity at each (y + z) value (oxygen partial pressure 10-Fiveatm) is shown in FIG. The relationship between the (y + z) value at 950 ° C. and the electrical conductivity is shown in FIG. 4 (a), and the relationship with the ion transport number is shown in FIG. 4 (b).
[0079]
(Example 5)
In the same manner as in Example 1, Ln0.9A0.1Ga0.8B10.1Co0.1OThreeThe oxide ion conductor which consists of the sintered compact which changed each metal atom of Ln, A, and B1 by the composition which becomes this was produced, and the electrical conductivity was measured. Oxygen partial pressure 10-Five atm, conductivity at 950 ° C (σ / Scm-1) Was as follows.
[0080]
▲ 1 ▼ Ln0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.1Co0.1OThree
Ln = La: 0.53
= Pr: 0.49
= Nd: 0.36
= Ce: 0.08
= Sm: 0.05
▲ 2 ▼ La0.9A0.1Ga0.8Mg0.1Co0.1OThree
A = Sr: 0.53
= Ca: 0.24
= Ba: 0.22
▲ 3 ▼ La0.9Sr0.1Ga0.8B10.1Co0.1OThree
B1 = Al: 0.12
= Mg: 0.53
= In: 0.23
Example 6
In the same manner as in Example 1, La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2-zFezOThree An oxide ion conductor made of a sintered body (z = 0 to 0.2) was produced. When the crystal structure of the obtained sintered body was examined by X-ray diffraction, all had a perovskite crystal structure.
[0081]
This oxide ion conductor has a temperature of 950 ° C and an oxygen partial pressure of 10-Five The measurement results of electrical conductivity at atm are as shown in FIG. From this figure, it can be seen that high electrical conductivity is obtained when z = 0.01 to 0.15 as described above. In addition, the temperature dependence and oxygen partial pressure dependence of electrical conductivity when z = 0.03 in the above composition are as shown in FIGS. 7 (a) and 7 (b), respectively. It can be seen that this oxide ion conductor exhibits high electrical conductivity and ion transport number in a wide temperature range and oxygen partial pressure range.
[0082]
【The invention's effect】
According to the present invention, the oxide ion conductivity is higher than that of the stabilized zirconia which is a typical representative oxide ion conductor, and of course, there is no transition between the A site and the B site which have higher oxide ion conductivity. Compared to quaternary complex oxides doped only with metal, oxide ion conductivity is higher, and the ratio of oxide ion conductivity and electron conductivity, that is, ion transport number, can be controlled easily and freely. An oxide ion conductor that can be used can be realized. Therefore, not only a material useful as a narrowly defined oxide ion conductor having high electrical conductivity and an ion transport number as high as 0.9 or more, but also a material useful as an electron-ion mixed conductor can be obtained.
[0083]
The oxide ion conductor of the present invention having a high ion transport number can be used at a lower temperature than stabilized zirconia and exhibits high oxide ion conductivity under all oxygen partial pressures from an oxygen atmosphere to a hydrogen atmosphere. It is useful as an electrolyte for a physical fuel cell, a gas sensor such as an oxygen sensor, and an oxygen separation membrane for an electrochemical oxygen pump. In particular, the oxide ion conductor represented by the above formula (2) has high oxide ion conductivity in a wide temperature range and a very wide oxygen partial pressure ranging from a pure oxygen atmosphere to a substantial hydrogen atmosphere. Very advantageous.
[0084]
In addition, the oxide ion conductor of the present invention exhibiting electron-ion mixed conductivity can be used as an air electrode of a solid oxide fuel cell or a gas separation membrane utilizing a gas concentration difference. In particular, when the oxide ion conductor of the present invention showing this electron-ion mixed conductivity is used as an air electrode, and the SOFC is constructed using the above-defined oxide ion conductor of the present invention having a high ion transport number as an electrolyte, Since the interface resistance is reduced, SOFC output can be increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a conventional representative oxide ion conductor and La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2OThreeIt is a graph which shows the electrical conductivity of the perovskite type oxide ion conductor which consists of a quaternary type complex oxide with the composition which becomes.
FIG. 2 compares the electrical conductivity of a ternary composite oxide in which a part of Mg in the quaternary perovskite oxide ion conductor of FIG. It is a graph shown.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the electric conductivity and the ratio (x value) of A atoms (Sr) which are doped atoms at the A site of an oxide ion conductor made of a ternary composite oxide according to the present invention. It is.
FIG. 4 (a) shows the ratio of doped atoms at the B site of the oxide ion conductor made of the ternary composite oxide according to the present invention, that is, the total atomic ratio of B1 atoms + B2 atoms (y + z, However, y: z = 11.5: 8.5) is a graph showing the relationship between the electrical conductivity and FIG. 4 (b) is a graph showing the relationship between the (y + z) value and the ion transport number. (c) is a graph showing the relationship between the electrical conductivity and temperature of an oxide ion conductor made of a ternary composite oxide having various (y + z) values.
FIG. 5 shows the ratio (z value) of the B2 atoms that are transition metals out of the B-site doped atoms of the oxide ion conductor made of the quinary composite oxide according to the present invention, the electrical conductivity and the ion transport. It is a graph which shows the relationship with a rate.
[Figure 6] La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2-zFezOThreeThe electrical conductivity of the composite oxide represented by (950 ° C, oxygen partial pressure = 10-Five It is a graph which shows atm) with respect to z value.
[Figure 7] La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2-zFezOThreeThe electrical conductivity oxygen partial pressure of the oxide ion conductor of the present invention represented by 10-Five Temperature change at atm (a) and oxygen partial pressure dependence at 950 ° C (b) are shown.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a cell structure of a solid oxide fuel cell provided with surface irregularities.
FIG. 9 is an explanatory view showing an interface between the electrolyte layer having the cell structure and an air electrode.
FIG. 10 is a graph showing the oxygen partial pressure dependence of the electrical conductivity of an oxide ion conductor made of a ternary composite oxide according to the present invention.
FIG. 11 is a graph showing a temperature change of electrical conductivity of an oxide ion conductor made of another ternary composite oxide according to the present invention.
FIG. 12 is a graph showing temperature change (a) and oxygen partial pressure dependency (b) of electrical conductivity of an oxide ion conductor made of another ternary composite oxide according to the present invention.

Claims (13)

一般式:Ln1-x x Ga1-y-z B1y B2z 3 で示される酸化物イオン伝導体。
式中、
Ln=La、Ce、Pr、Nd、Smの1種もしくは2種以上;
A=Sr、Ca、Baの1種もしくは2種以上;
B1=Mg、Al、Inの1種もしくは2種以上;
B2=Co、Fe、Ni、Cuの1種もしくは2種以上;
x=0.05〜0.3 ;
y=0〜0.29;
z=0.01〜0.3 ;
y+z= 0.025〜0.3 。
General formula: Ln 1-x A x Ga 1-yz B1 y B2 oxide represented by z O 3 ion conductor.
Where
Ln = One or more of La, Ce, Pr, Nd, Sm;
A = one or more of Sr, Ca, Ba;
B1 = one or more of Mg, Al, In;
B2 = one or more of Co, Fe, Ni, Cu;
x = 0.05-0.3;
y = 0-0.29;
z = 0.01-0.3;
y + z = 0.025-0.3.
y≧0.025 、z≦0.15である、酸化物イオン伝導性の高い請求項1記載の酸化物イオン伝導体。The oxide ion conductor according to claim 1, wherein y ≧ 0.025 and z ≦ 0.15 are high in oxide ion conductivity. z>0.15である、電子−イオン混合伝導性を示す請求項1記載の酸化物イオン伝導体。2. The oxide ion conductor according to claim 1, which exhibits electron-ion mixed conductivity, wherein z> 0.15. Ln=Laおよび/またはNd、A=Sr、B1=Mg、B2=Co、x=0.10〜0.25、y=0〜0.17、z=0.02〜0.15、y+z=0.10〜0.25である、請求項1記載の酸化物イオン伝導体。2. Ln = La and / or Nd, A = Sr, B1 = Mg, B2 = Co, x = 0.10 to 0.25, y = 0 to 0.17, z = 0.02 to 0.15, y + z = 0.10 to 0.25. Oxide ion conductor. Ln=La、A=Sr、B1=Mg、B2=Fe、x= 0.1〜0.3 、y= 0.025〜0.29、z=0.01〜0.15、y+z= 0.035〜0.3 である、請求項2記載の酸化物イオン伝導体。The oxide ion according to claim 2, wherein Ln = La, A = Sr, B1 = Mg, B2 = Fe, x = 0.1 to 0.3, y = 0.025 to 0.29, z = 0.01 to 0.15, y + z = 0.035 to 0.3 Conductor. x=0.15〜0.25、y=0.09〜0.24、z=0.01〜0.05、y+z=0.10〜0.25である、請求項5記載の酸化物イオン伝導体。The oxide ion conductor according to claim 5, wherein x = 0.15 to 0.25, y = 0.09 to 0.24, z = 0.01 to 0.05, and y + z = 0.10 to 0.25. 請求項2、4、5または6記載の酸化物イオン伝導体からなる電解質を備えた固体酸化物型燃料電池。A solid oxide fuel cell comprising an electrolyte comprising the oxide ion conductor according to claim 2, 4, 5 or 6. 請求項3記載の酸化物イオン伝導体を含む空気極を備えた固体酸化物型燃料電池。A solid oxide fuel cell comprising an air electrode comprising the oxide ion conductor according to claim 3. 請求項2、4、5または6記載の酸化物イオン伝導体からなる電解質と、請求項3記載の酸化物イオン伝導体を含む空気極とを備えた、固体酸化物型燃料電池。A solid oxide fuel cell comprising an electrolyte comprising the oxide ion conductor according to claim 2, 4, 5 or 6 and an air electrode containing the oxide ion conductor according to claim 3. (1) Niと、(2) 一般式:Ce1-mm2 (式中、CはSm、Gd、YおよびCaの1種もしくは2種以上を意味し、m=0.05〜0.4)で示される化合物とからなる燃料極を備えた、請求項7〜9のいずれか1項に記載の固体酸化物型燃料電池。(1) Ni and (2) General formula: Ce 1-m C m O 2 (wherein C represents one or more of Sm, Gd, Y and Ca, and m = 0.05 to 0.4) The solid oxide fuel cell of any one of Claims 7-9 provided with the fuel electrode which consists of a compound shown by these. 請求項2、4、5または6記載の酸化物イオン伝導体からなるガスセンサー。A gas sensor comprising the oxide ion conductor according to claim 2, 4, 5 or 6. 請求項2、4、5または6記載の酸化物イオン伝導体からなる電気化学的酸素ポンプ用酸素分離膜。An oxygen separation membrane for an electrochemical oxygen pump comprising the oxide ion conductor according to claim 2, 4, 5 or 6. 請求項3記載の酸化物イオン伝導体からなるガス分離膜。A gas separation membrane comprising the oxide ion conductor according to claim 3.
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