JP5419034B2 - イオン伝導性材料、燃料電池用伝導性膜、膜電極接合体および燃料電池 - Google Patents
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Description
さらに、従来のセラミック製の酸化物イオン性電導膜の製造には、1000℃以上の高温が必要とされており、他の燃料電池の構成材料との反応において、性能劣化を生じさせることが問題となっている。
具体的には、下記手段により上記課題を解決しうることを見出した。
(1)アモルファス材料からなる、酸化物イオン伝導性および/またはプロトン伝導性を有するイオン伝導性材料。
(2)前記アモルファス材料は、SiO2、TiO2、ZrO2、Al2O3およびCeO2からなる群から選択される金属酸化物中に、少なくとも、5配位以上の配位数を取り得るカチオン(但し、前記金属酸化物が有する金属と同種の金属イオンを除く)がドープされたアモルファス材料である、(1)に記載のイオン伝導性材料。
(3)前記アモルファス材料は、SiO2またはZrO2中に、少なくとも、5配位以上の配位数を取り得るカチオンがドープされたアモルファス材料である、(1)に記載のイオン伝導性材料。
(4)前記カチオンが、6配位以上の配位数を取り得るカチオンである、(2)または(3)に記載のイオン伝導性材料。
(5)前記カチオンは、金属イオンである、(2)〜(4)のいずれか1項に記載のイオン伝導性材料。
(6)前記カチオンは、希土類金属イオン、Alイオン、Zrイオン、Nbイオン、Hfイオン、Taイオンおよび第一遷移金属イオンからなる群から選択される1種以上である、(2)〜(5)のいずれか1項に記載のイオン伝導性材料。
(7)前記カチオンは、Ceイオン、Alイオン、Tiイオン、Zrイオン、Nbイオン、Yイオン、Laイオン、HfイオンおよびTaイオンからなる群から選択される1種以上である、(2)〜(5)のいずれか1項に記載のイオン伝導性材料。
(8)膜状である、(1)〜(7)のいずれか1項に記載のイオン伝導性材料。
(9)膜厚が0.005〜1.0μmである、(8)に記載のイオン伝導性材料。
(10)作動温度0〜800℃で1×10-6S・cm-1以上のイオン伝導度を示す、(8)または(9)に記載のイオン伝導性材料。
(11)作動温度500℃未満で1×10-6S・cm-1以上の酸化物イオン伝導度を示す、(8)または(9)に記載のイオン伝導性材料。
(12)作動温度400℃以下で5×10-5S・cm-1以上のプロトン伝導度を示す、(8)または(9)に記載のイオン伝導性材料。
(13)作動温度0〜800℃で、0.2Ωcm2以下の面積抵抗値を示す、(8)〜(12)のいずれか1項に記載のイオン伝導性材料。
(14)前記イオン伝導性が、プロトン伝導性である、(1)〜(13)のいずれか1項に記載のイオン伝導性材料。
(15)前記イオン伝導性が、酸化物イオン伝導性である、(1)〜(13)のいずれか1項に記載のイオン伝導性材料。
(16)前記イオン伝導性が、プロトン−酸化物イオン混合伝導性である、(1)〜(13)のいずれか1項に記載のイオン伝導性材料。
(17)(1)〜(16)のいずれか1項に記載のイオン伝導性材料を含む燃料電池用伝導性膜。
(18)(1)〜(16)のいずれか1項に記載のイオン伝導性材料を含む膜電極接合体。
(19)(18)に記載の膜電極接合体を有する燃料電池。
11 Ptボタン電極
12 ITO基板
13 金線
14 Pt-ペースト
15 ソーラートロン1250
61 気体室
62 気体室
63 多孔質基板
64 M5Si95膜
65 低酸素分圧のN2/O2混合ガス
66 高酸素分圧のN2/O2混合ガス
本願明細書において、「酸化物イオン伝導性材料」とは、外部電場又は化学ポテンシャルにより酸化物イオン(O2-)のみを伝導させ、電子またはその他のイオンの伝導および酸素分子の透過を起こさない固体材料をいう。好ましくは、1Vの電場を印加したときに1Acm2以上の酸化物イオン電流密度を発生させることができる固体材料をいう。
一方、「プロトン伝導性材料」とは、外部電場又は化学ポテンシャルによりプロトン(H+)のみを伝導させ、電子またはその他のイオンの伝度および水素分子の透過を起こさない固体材料をいう。
一方、「プロトン−酸化物イオン混合伝導性材料」とは、外部電場又は化学ポテンシャルによりプロトン(H+)および酸化物イオン(O2-)のみを伝導させ、電子またはその他のイオンの伝導および気体分子の透過を起こさない固体材料をいう。
ここで、純粋なアモルファス性のシリカSiO2(α−SiO2)中の酸素の拡散は、酸化物イオンの拡散ではなく、原子状酸素の拡散である。これはSi−O結合は極めて共有結合性であるため、Si4+とO2-の解離反応は起こりにくいためである。従って、α−SiO2はO2-イオンをほとんど輸送しない物質である。この点について、Journal of applied physics 98, 013579(2005)、Journal of applied physics 98, 013528(2005)、Journal of applied physics 98, 013529(2005)等に記載がある。
しかしながら、驚くべきことにシリカ等の金属酸化物を主成分として採用し、かつ、特定のカチオンをドープすることにより、酸化物イオン伝導性を有する材料とすることに成功したものである。
さらに驚くべきことに、このようなアモルファス材料が、プロトン伝導性も有することを見出したのである。
金属酸化物は、本発明の趣旨を逸脱しない限り、1種類のみであってもよいし、2種類以上であってもよい。
なお、本発明のイオン伝導性材料において、酸素がイオン等の状態で、SiO2、TiO2、ZrO2、Al2O3またはCeO2の組成を超えて含まれている場合があるが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、このような酸化物イオン等が含まれていることを排除するものではない。
5配位以上の配位数を取り得るカチオンは、6配位以上の配位数を取り得るカチオンであることが好ましく、6〜12の配位数を取り得るカチオンであることがより好ましい。より具体的には、本発明で用いるカチオンは、金属イオンであることが好ましく、希土類金属イオン、Alイオン、Zrイオン、Nbイオン、Hfイオン、Taイオンまたは第一遷移金属イオンであることがより好ましく、Ceイオン、Alイオン、Tiイオン、Zrイオン、Nbイオン、Yイオン、Laイオン、HfイオンまたはTaイオンであることがさらに好ましく、Hfイオン、 Alイオン、Zrイオンであることが特に好ましい。
また、カチオンは1種のみ含まれていてもよいし、2種以上含まれていてもよい。
しかしながら、本発明において、アルミノシリケート骨格をもつアモルファス材料を採用することにより、非常に優れたプロトン伝導性材料として採用できることを見出した。
まず、シリカ前駆体とカチオン性素材を含む溶液(以下、「原料溶液」という)を作製し、該原料溶液を基板上に薄層状に塗布し、該状態のものを加水分解して焼成する方法が挙げられる。
基板上への塗布方法としては、スピンコーティング法等の公知の方法を採用できる。スピンコーティング法を採用することにより、塗布の回数が制御でき、膜厚を調整できるため好ましい。さらに、本発明では、薄層を積層した積層体であることが好ましい。このような構成とすることにより、膜がより均一に作製され、より伝導性に優れた薄膜が得られる。
このとき、原料溶液中のカチオン性素材の濃度が、2mM〜100mMであることが好ましい。また、ケイ素:カチオンの比は、最終的に製造されるイオン伝導性材料の比から換算して決定される。
加水分解は、該加水分解によりシリカ前駆体をシリカとし、該シリカ中にカチオンがドープされた状態となる限り特に定めるものではない。例えば、原料溶液を吸着させた固体を水蒸気処理、水処理または湿潤空気中で加熱処理するのが好ましい。この場合の水は、不純物等の混入を防止し、高純度の原料溶液からなる薄層を形成するために、イオン交換水を用いることが好ましい。
加水分解後、必要により、窒素ガス等の乾燥用ガスにより表面を乾燥させてもよい。さらに、酸や塩基などの触媒を用いることで、これらの工程に必要な時間を大幅に短縮することも可能である。
焼成は、100〜500℃で、10秒〜24時間行うことが好ましい。
尚、本発明の製造方法は、すべての工程を500℃以下で行うことができるため、他の電池構成材料との反応による性能劣化を抑止できるという点からも好ましい。
アルコキシシランとしては、テトラアルコキシシランが好ましく、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、トリブトキシシラノール、メチルトリエトキシシランがより好ましい。
また、TiO2、ZrO2、Al2O3またはCeO2を用いる場合も、ぞれぞれ、該金属を含有するハロゲン化化合物または、アルコキシ化合物を採用することが好ましい。
金属アルコキシドとしては、例えば、M(OR)xで表されるものが好ましい。
ここで、Mは希土類金属原子、Al、Zr、Nb、Hf、Taまたは第一遷移金属原子であり、Ce、Al、Ti、Zr、Nb、Y、La、HfまたはTaであることが好ましい。
Rは、アルキル基を含む基であり、炭素原子数1〜7のアルキル基、アルキルカルボニル基、アルキルケトン基、アルキルジケトン基が好ましい。
nは1〜6の整数であることが好ましい。
M(OR)nの具体例として、Ce(OC2H4OCH3)3、Hf(OC4H9)4、Ta(OC2H5)5、Zr(OC4H9)4、Al(OCH(CH3)2)3、La(OC2H4OCH3)3、Nb(OC2H5)5、TiO(C4H9)4等が挙げられる。
ハロゲン化金属化合物としては、具体的には、CeCl3、ZrCl4、TaCCl4、LaCl3、AlCl3、TaCl5等が挙げられる。
特に本発明では、M(OR)n:シリカ前駆体のモル比が、1〜50:99〜50となるよう調整することが好ましい。
さらに、本発明のイオン伝導性材料は、例えば、100nm以下の薄い膜としても、充分な強度を保つことができる。すなわち、本発明のイオン伝導性材料は、自己支持性を有する。従来の結晶性セラミックからなる電解質膜は通常数十nm以上の結晶粒子からなっているため、5μm以下の厚さとすることができなかったが、本発明では、この点を回避できる点で極めて有意である。
さらに、本発明のイオン伝導性材料の酸化物イオン伝導度は、例えば、作動温度500℃未満、好ましくは400℃以下で、5×10-6S・cm-1以上であることが好ましく、5×10-5S・cm-1以上であることがより好ましい。さらに、作動温度350℃でも、5×10-5S・cm-1以上であることが好ましく、1×10-4S・cm-1以上であることがより好ましい。
一方、本発明の伝導性材料のプロトン伝導度は、例えば、作動温度0〜800℃、好ましくは作動温度100〜400℃において、1×10-6S・cm-1以上であることが好ましく、5×10-5S・cm-1以上であることがより好ましい。
固体燃料電池は、イオン伝導性膜と一対電極(アノード極、カソード極)との接合体(膜電極接合体)の両側に集電体を密着させて、その両側から極室分離と電極へのガス供給通路の役割を兼ねた伝導性のセパレータ(バイポーラプレート)を配したものを単セルとし、この単セルの複数個を、積層することにより構成される。
ここで、固体燃料電池の具体的な構成、膜電極接合体の製造方法、カソード電極およびアノード電極の構成、材料等は、公知のものを広く採用できる。例えば、「固体酸化物形燃料電池:SOFCの開発」(出版元:(株)シーエムシー出版)、「燃料電池技術とその応用」の第7章(出版元:(株)テクノシステム)、「解説・燃料電池システム」(出版元:オーム社)等に記載のものを採用できる。
本発明の伝導性膜を用いた燃料電池の作動温度は、本発明の趣旨を逸脱しない限り特に制限は無いが、例えば、800℃以下といった高温でも、100℃〜600℃、さらには500℃未満、特に400℃以下といった低温でも、十分に作動させることができる点で、極めて有意である。さらに、例えば、200〜400℃の温度域では、酸化物イオン伝導性およびプロトン伝導性の両方のイオン伝導を示す材料とすることができる。これは、用いる燃料や触媒の選択肢を広げ、汎用性の高い電池システムを構築できるという観点から有利である。
前駆体溶液における元素比が、M/Si=5/95である膜(以下、「M5Si95膜」という、Mは表1に示した)を以下の方法により作製した。
ITO電極をコートしたガラス基板(Aldrich製、57635-2)(ITO基板)は、エタノールで15分超音波洗浄し、酸素プラズマエッチャー(Samco製、FA−1)を用いて酸素プラズマ照射(10W、10Pa、30秒)し、表面を親水化した。
0.396gのテトラエトキシシラン(TEOS)(関東化学製、99.9%)を15mlの1−プロパノール溶媒(1-PrOH)に加え、さらに、0.1mol/dm3のHCl水溶液130μlを添加し、室温で撹拌した。次に、表1に示す金属アルコキシド(M(OR)n )について、それぞれ、M/Si=5/95(モル比)になるように添加し、70℃で30分撹拌した。この溶液をろ過して浮遊物を除去し、ろ液を1-PrOHで50mlに希釈した。以上の操作により、金属元素濃度[M+Si]=0.04 mol/dm3、元素比M/Si=5/95のM-Si混合前駆体溶液を得た。
ITO基板上に、M-Si混合前駆体溶液を200(l滴下してスピンコート(3000rpm、20秒間)し、M-Si酸化物ゲル超薄膜を析出した。ITO基板を60℃の水に、浸漬して、M-Si酸化物ゲルを加水分解し、基板を水から引き上げ、N2ブローにより乾燥した。上記スピンコートから乾燥までの工程を10回以上繰り返した。
次に、O2プラズマ処理(10W、10Pa、30秒)を行い、400℃、15分間焼成(calcinate)した。これらの操作を3回以上繰り返した。ただし最後の焼成(anneal)は、400℃、1時間焼成して、M5Si95膜を得た。
上記で得られたM5Si95膜の膜厚方向のイオン伝導度を、図1に示す装置を用いて、ACインピーダンス法により評価した。
具体的には、ITO基板(12)上に設けられたM5Si95膜(10)上にPtボタン電極(直径1mm、厚み100nm)(11)をスパッタ蒸着した。金線(直径0.05 mm)(13)を両電極にPt-ペースト(14)を使って接着し、それを電気的コンタクトとした。イオン伝導度は、ソーラートロン1250(15)(Solartron製)を用いて測定した。ここで、周波数範囲は、107〜10Hzとし、アンプリチュードは20mVとした。
測定は、乾燥空気下(100 ml/分)、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃でそれぞれ測定した。
図2(a)〜(c)に、Ce5Si95の測定結果(Cole-Coleプロット)を示した。ここで、横軸は、インピーダンスの実数成分Z'(単位:Ω)(電流と電圧の位相差が0の成分)を、縦軸はインピーダンスの虚数成分-iZ”(単位:Ω)(電流と電圧の位相差がπ/2の成分)をそれぞれ示している。また、図2(a)〜(c)のデータは、各周波数(107-10Hzの範囲)で測定したトータルインピーダンスZをZ'に対する-i Z”として表したものである。ここで、
Z=(|Z'|2+|Z”|2)1/2
で表される。
インピーダンス測定の結果を解析するために、Pt/M5Si95/ITO基板−スタックを等価回路に置き換えることを試みた。M5Si95膜は電気抵抗と静電容量(キャパシタンス)が並列に接続したものと考えられる。また、M5Si95膜がイオン伝導体である場合、M5Si95膜のキャリアーはイオンであるが、ITO基板およびPt電極中のキャリアーは電子(又はホール)であるため、M5Si95−ITO電極間では電荷の移動は起こらない。その結果、M5Si95/ITO電極の界面では、電荷は移動せず蓄積されていくことになる。従って、M5Si95/ITO電極の界面は無限の電気抵抗と静電容量の並列回路、つまり大きな静電容量をもつキャパシターとみなせる。以上のことから、Pt/M5Si95/ITOスタックの等価回路モデルは図3のようになる。ここで、Rsは測定システム、リードおよび電極など、測定系の電気抵抗である。RoxおよびCPEoxは、それぞれ、M5Si95薄膜の電気抵抗および静電容量である。CPEiはM5Si95/電極−界面の静電容量である。この回路モデルでM5Si95膜のインピーダンス結果に対し、非線形最小二乗法によるフィッティングを行った。Ce5Si95膜に対するフィッティングの結果を図4に示した。図4中、横軸は、インピーダンスの実数成分Z'(単位:Ω)(電流と電圧の位相差が0の成分)を、縦軸はインピーダンスの虚数成分-iZ”(単位:Ω)(電流と電圧の位相差がπ/2の成分)をそれぞれ示している。また、実線は計算値を、○は測定値をそれぞれ示している。全ての測定値について、等価回路を用いた最小二乗計算は誤差5%以内で収束した。
他のM5Si95膜についても同様な実験を行ったところ、同様の傾向を示す結果が得られた。以上の結果から、本実施例で作製したM5Si95膜は、全てイオン伝導体であることが証明された。
図5から明らかなとおり、面積抵抗Rasは、全てのM5Si95薄膜において明らかな温度依存性を示し、温度が上昇すると指数関数的に減少することが認められた。特に、Hf5Si95、Al5Si95、Zr5Si95、Ti5Si95は高いイオン伝導度を示し、Rasは約400℃で0.2Ωcm2以下まで減少した。
以上から、M5Si95はイオン伝導体であることが確認された。
また、Hf3Si97、Hf5Si95-2およびHf20Si80薄膜の組成並びに膜厚を上記と同様の方法により測定した。その結果を下記表に示した。
実施例1で作製したHf5Si95膜について、乾燥空気中および2%の水を含んだH2/N2混合ガス中(H2O/H2/N2=2/10/90)で、インピーダンス測定を行って、面積抵抗を求めた。結果を、図7に示した。図7中、黒丸は、乾燥空気中で測定した結果を、+は、約2%の水を含んだ湿潤空気下でそれぞれ測定している。Hf5Si95膜は、200℃以下では湿潤条件下のほうが約一桁小さな面積抵抗を示すが、250℃以上では酸化・還元および乾燥・湿潤条件による面積抵抗の差はほとんど示さなかった。この結果より、少なくとも、250℃以上の温度ではHf5Si95膜のイオン伝導が、水分や付加水素によるプロトン伝導ではないことが示唆された。
M5Si95膜の電導イオンが酸化物イオンおよびプロトン伝導性を有することを確認するために、多孔質電極上に自己支持性薄膜を合成し、それを用いた酸素濃淡電池を作製して起電力(electro motive force、EMF)測定を行った。
酸素濃淡電池の構造を図8に示す。濃淡電池は二つの気体室(61、62)をM5Si95膜(64)で仕切った構造になっている。ここで、M5Si95膜(64)は、多孔質基板(63)の上に設けられており、M5Si95膜(64)はその両面に電極が設けられている。そして、気体室の一方(62)には様々な分圧のO2/N2又はH2/N2混合ガス(65)、もう一方(61)には分圧0.05又は1.0に固定したO2/N2又はO2/N2混合ガス(66)をフローしている。両気体室(61、62)間には濃度差による化学ポテンシャル勾配が生じる。従って酸素分子は、酸化物イオンとなって高濃度側から低濃度側にM5Si95膜(64)中を移動し、同時に電子は低濃度側から高濃度側へ移動する。その結果、起電力(EMF)が生じ、その大きさは、次のNernst式により決定される。
ガス濃淡電池は、Pt/Al2O3ガス拡散電極上にHf5Si95膜を作製することによって形成した。まずJ. Mater. Sci. 27: 527-537 (1992)に報告されている方法を用い、多孔質アルミナ支持体を作製した。ディスク状多孔質α−Al2O3焼結体(ノリタケカンパニー、直径2mm、厚み0.1mm)の一方の表面に1Mベーマイト前駆体水溶液をディップコートし、乾燥後、600℃で3時間焼成し、メソポーラスγ−Al2O3層(厚み10μm)を形成した。このγ−Al2O3層上にPt粒子層(厚み30nm)をスパッタ蒸着し、再び600℃で1時間焼成してPt/Al2O3ガス拡散電極とした。
得られたガス拡散電極基板を0.01mol/dm3のメルカプトエタンスルホン酸ナトリウム/メタノール溶液に12時間浸漬し、メタノールで洗浄した後、減圧乾燥した。
さらに、この表面に、5mg/mlのポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド(PDDA)溶液を100μl滴下し、3000rpm、10秒間スピンコートした。純水でスピンコートし洗浄した後、5mg/mlのポリアクリル酸(PAA)溶液を100μl滴下し、3000rpm、10秒間スピンコートした。さらに、純水でスピンコート洗浄した。PDDA溶液およびPAA溶液のスピンコートに関する一連の操作を数回繰り返した。
Hf5Si95膜を実施例1と同様の方法で作製した。図9にPt/Al2O3ガス拡散電極上に作製したHf5Si95膜の断面のSEM像写真(a)、Hf5Si95膜の表面のSEM像写真(b)を示した。ガス拡散電極の多孔質アルミナ支持体は、マクロポーラスなα−Al2O3焼結体上に均一な厚さ8μmのγ−Al2O3層を形成している。またPt電極は数十nmの粒子からなっており、粒子間に10〜40nm程度の空隙が生じている。Hf5Si95膜はボイド・クラックのない厚さ110nmの均一な膜であり、完全にPt/Al2O3ガス拡散電極の表面を覆っていることが確認された。
次に、Hf5Si95膜の上に多孔質電極(80nm、直径2mm)をスパッタ蒸着し、これを石英ガラス管一端にアルミナセメント(東亜合成)を用いて密封し、図8に示すような酸素濃淡電池を作製した。
両気体室には分圧調整したガスを200 ml/minの流速で供給し、またガスはコールドトラップによって水分除去したあと供給した。起電力はデジタルマルチメーター(Advantest製、E2221)によって測定した。
200〜300℃の温度領域において、水素濃淡電池は理論値に近い起電力を示したが、温度が350℃以上になると理論値からのずれが大きくなった。一方、酸素濃淡電池では、低温では起電力の濃度依存性が見られなかったが、300℃以上で濃度依存性が見られた。従ってHf5Si95膜はプロトン−酸化物イオン混合伝導体であることが確認された。またHf5Si95膜の主な可動イオンはプロトンであり、300℃以上になると酸化物イオン伝導の寄与が大きくなることが確認された。
アモルファスアルミノシリケートを用いた伝導性材料を以下の方法により作製した。
実施例1と同様の方法で、ITO基板の前処理を行った。
サンプル瓶にTEOS(5.2g)量りとり、1−プロパノール(10ml)を加え、室温で30分撹拌し、0.004M塩酸(0.45ml)をゆっくり加え、60℃水浴中で1時間撹拌し、0.06M塩酸(2.0ml)をゆっくり加え、70℃水浴中で1時間撹拌し、0.2μmのフィルターを用い、濾過し、1−プロパノールを加え、100mMに希釈して、Al/Si=0/100の溶液を調整した。
サンプル瓶にTEOSを量りとり、1−プロパノールと、0.1Mの塩酸を加え、室温で30分撹拌(TEOS濃度:HCl濃度=280:1[mol])し、アルミニウムブトキシドを加え、ホットプレート上で70℃1時間撹拌し、0.2μmのフィルターを用い、濾過し、1−プロパノールを加え、金属濃度(Si+Al)が100mMになるように希釈して、Al/Si=5/95、10/90、20/80、50/50、90/10の溶液を、それぞれ調整した。
サンプル瓶にアルミニウムブトキシドを量りとり、1−プロパノールを加え、ホットプレート上で70℃1時間撹拌し、0.2μmのフィルターを用い、濾過し、1−プロパノールを加え、50mMに希釈して、Al/Si=100/0の溶液を調整した。
各前駆体溶液200μlを3000rpm、20〜40secでスピンコートし、N2ガスで表面洗浄し、300℃のマッフル炉で3分間加熱し、N2ガス吹きつけにより、表面洗浄および冷却した。これらの工程を、膜厚が100nmになるまで、10〜15回程度繰り返した。膜厚は走査型電子顕微鏡(SEM)で評価した。薄膜の金属組成を光電子分光法(XPS)により評価した。組成を表7に示した。
実施例1と同様に、面積抵抗を測定した。測定は、全て気密性の管状電気炉中で行い、乾燥空気下または2%の水を含んだ湿潤空気下、50℃、80℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃で行った。2%の水を含んだ湿潤空気は、25℃の純水に乾燥空気をバブリングして発生した。各薄膜の80℃乾燥空気下における面積抵抗を下記表に示した。
Al5Si95膜、Al10Si90膜およびAl20Si80膜の乾燥空気および湿潤空気下での面積抵抗の温度変化を図12に示した。図12中、三角、四角、丸は、順に、Al5Si95膜、Al10Si90膜およびAl20Si80膜を示しており、黒表示が乾燥空気下における面積抵抗であり、白表示が2.0%の水を含む湿潤空気下での面積抵抗を示している。尚、図12の縦軸は、面積抵抗Rasを、横軸は、温度(K)の逆数×103で示しており、横軸の数値が大きいほどほど、温度が低くなる。
いずれの薄膜も、150℃以下では、湿潤空気下の面積抵抗が乾燥空気下の面積抵抗よりも1〜2桁小さかった。この結果は、150℃以下では、吸着水を介したプロトン伝導により、薄膜のイオン伝導度が増加したためであると考えられる。しかしながら、200℃以上では、どちらの条件下でも同じ面積抵抗を示した。これらの中でAl10Si90膜は最も小さな面積抵抗を示し、400℃では0.24Ωcm2を示した。これは燃料電池の電解質膜として必要な面積抵抗値0.2Ωcm2にほぼ匹敵する。
メチルトリエトキシシランをシリカ前駆体として用い、アルミノシリケート薄膜を作製した。
支持体であるシリコン基板は、ピラニア溶液を用いて洗浄した。該シリコンウェハー上に、ポリヒドロキシスチレン(PHS)に20mol%のビニルエーテル化合物を添加したものを100μl滴下し、スピンコート法により塗布し(3000rpm、60秒間)、シリコン基板上に犠牲層を形成した。
上記犠牲層を形成した上に、ポリビニルアルコールの5mg/ml溶液を3000rpm、60秒間スピンコートした。
サンプル瓶にTEOSおよびMTESを、それぞれ0.17gおよび0.016g量りとり、1−プロパノールを10ml加え室温で30分撹拌し、アルミニウムブトキシドを0.025g加え、ホットプレート上で70℃1時間撹拌し、0.2μmのフィルターを用いてろ過し、金属濃度(Zr+Al)が100mMの溶液を調整した。得られたAl/Si=10/90前駆体溶液100μlを3000rpm、60秒間でポリビニルアルコール層の上にスピンコートし、空気中で1時間放置して加水分解した。これらの工程を、膜厚が100nmになるまで、10〜15回程度繰り返した。さらに基板をp-トルエンスルホン酸エタノール溶液に浸漬して犠牲層を溶解し、陽極酸化ポーラスアルミナ基板(Whatman社 Anodisc25)へ移し取った。
陽極酸化ポーラスアルミナ基板上に移し取った自己支持性薄膜の形態を走査型電子顕微鏡(SEM)で評価した。自己支持性Al10Si90膜の断面SEM写真を図14に示した。図14中(a)および(b)は、膜の断面写真であり、互いに倍率が異なっている。本実施例で作製した薄膜は、ポリビニルアルコール層を含めて100nm程度の厚みであった。さらに、マクロスコピック(microscopic)な面積サイズを持った薄膜であり、移転後もその連続的な膜形状を保っていることが確認された。p-トルエンスルホン酸エタノール溶液中で基板から遊離させた自己支持性Al10Si90膜を、ピンセットを使って折りたたんだ様子をデジタルカメラにより撮影した写真を図15に示した。膜は折りたたんでも破れることはなく、更高い柔軟性と強度を有する自己支持性薄膜であることが確認された。これらのことから自己支持性とプロトン伝導性を兼ね備えたAl10Si90膜が得られることを確認した。
ジルコニア(ZrO2)またはセリア(CeO2)をマトリクスとしたイオン伝導性薄膜を作製した。
まず、ITO基板は、実施例1と同様に前処理を行った。
サンプル瓶にジルコニウムブトキシド(Zr(OC4H9)4)を量りとり、2−エトキシエタノールを加え室温で30分撹拌し、セリウムメトキシエトキシド(Ce(OC2H5OCH3)4)を適量加え、ホットプレート上で70℃1時間撹拌し、0.2μmのフィルターを用いてろ過し、2−エトキシエタノールを加えて金属濃度(Zr+Ce)が100mMになるように希釈して、Zr/Ce=90/10、50/50、10/90の溶液をそれぞれ調整した。
上記によって調整したZr/Ce=90/10、50/50、10/90の各前駆体溶液から、Zr90Ce10膜、 Zr50Ce50膜、Zr10Ce90膜を以下の方法により調整した。
前駆体溶液200μlを3000rpm、20〜40secでスピンコートし、N2ガスで表面洗浄し、空気中ヒートガンで20秒間加熱して加水分解し、N2ガス吹きつけにより、表面洗浄および冷却した。これらの工程を、膜厚が100nmになるまで、20回程度繰り返した。膜厚は走査型電子顕微鏡(SEM)で評価した。Zr50Ce50膜の表面および断面SEM写真を図16に示した。図16中、(a)は膜の断面を、(b)は膜の表面を示している。図16から明らかなとおり、100nm厚みの薄膜がITO電極上に均一に形成しており、またその膜はボイド・クラックフリーな緻密な薄膜であった。
実施例1と同様に、面積抵抗を測定した。測定は、全て気密性の管状電気炉中で行い、乾燥空気下、50℃、80℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃で行った。
Zr90Ce10膜、Zr50Ce50膜、Zr10Ce90膜の乾燥空気下での面積抵抗の温度変化を図17に示した。図17は、温度の逆数(1000/T)(K)に対する面積抵抗Rasを表し、×印はZr90Ce10膜、白四角はZr50Ce50膜、黒丸はZr10Ce90膜をそれぞれ示している。いずれも温度が上昇すると指数関数的に面積抵抗が減少した。400℃以下の温度域では、Zr90Ce10膜に比べ、Zr50Ce50膜およびZr10Ce90膜は小さな面積抵抗を示した。これらの中でZr50Ce50膜は最も小さな面積抵抗を示し、400℃では1.4( cm2であった。この値は燃料電池の電解質としての実用値0.2(cm2よりまだ大きいが、測定値のプロットに外挿すると、この薄膜は 約550 ℃で実用値0.2( cm2に達すると予想される。よって本発明のイオン伝導性膜は乾燥空気下、約550℃付近で高いイオン伝導性を示す電解質材料である。
さらに、本発明のイオン伝導性材料は、安価に製造でき、かつ、他の燃料電池の構成材料との反応による性能劣化という問題も回避できる。
加えて、本発明では、酸化物イオン伝導性およびプロトン伝導性の両方の性能を有するものとすることができる。
Claims (12)
- アモルファス材料からなり、前記アモルファス材料は、SiO2,TiO2、ZrO2、Al2O3およびCeO2からなる群から選択される金属酸化物中に、少なくとも、5配位以上の配位数を取り得るカチオン(但し、前記金属酸化物が有する金属と同種の金属イオンを除く)がドープされたアモルファス材料であるイオン伝導性材料であり、
前記カチオンは、希土類金属イオン、Alイオン、Zrイオン、Nbイオン、Hfイオン、Taイオン及び第一遷移金属イオンからなる群より選択される1種以上であり、
前記イオン伝導性が、酸化物イオン伝導性であるイオン伝導性材料を含む燃料電池用伝導性膜(ただし、細孔の開口部が膜に対して3次元的に開くように規則的に配向した薄膜を除く。)。 - アモルファス材料からなり、前記アモルファス材料は、SiO2,TiO2、ZrO2、Al2O3およびCeO2からなる群から選択される金属酸化物中に、少なくとも、5配位以上の配位数を取り得るカチオン(但し、前記金属酸化物が有する金属と同種の金属イオンを除く)がドープされたアモルファス材料であるイオン伝導性材料であり、
前記カチオンは、希土類金属イオン、Alイオン、Zrイオン、Nbイオン、Hfイオン、Taイオン及び第一遷移金属イオンからなる群より選択される1種以上であり、
前記イオン伝導性がプロトン−酸化物イオン混合伝導性であるイオン伝導性材料を含む燃料電池用伝導性膜(ただし、細孔の開口部が膜に対して3次元的に開くように規則的に配向した薄膜を除く。)。 - 前記アモルファス材料は、SiO2、CeO2またはZrO2中に、少なくとも5配位以上の配位数を取り得るカチオンがドープされたアモルファス材料である、請求項1又は2に記載の燃料電池用伝導性膜。
- 前記カチオンは、Ceイオン、Alイオン、Tiイオン、Zrイオン、Nbイオン、Yイオン、Laイオン、HfイオンおよびTaイオンからなる群より選択される1種以上である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池用伝導性膜。
- 膜厚が0.005〜1.0μmである、請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池用伝導性膜。
- アモルファス材料からなり、前記アモルファス材料は、SiO 2 に、カチオンとしてAlイオンがドープされたものであり、アルミノシリケート骨格を有するイオン伝導性材料であり、前記イオン伝導性が、酸化物イオン伝導性であるイオン伝導性材料。
- アモルファス材料からなり、前記アモルファス材料は、SiO 2 に、カチオンとしてAlイオンがドープされたものであり、アルミノシリケート骨格を有するイオン伝導性材料であり、前記イオン伝導性がプロトン−酸化物イオン混合伝導性であるイオン伝導性材料。
- 乾燥空気中でイオン伝導性を有する請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池用伝導性膜。
- 乾燥空気中、作動温度400℃におけるイオン伝導度が1×10 −6 S・cm −1 以上である、請求項1〜5及び8のいずれか1項に記載の燃料電池用伝導性膜。
- 請求項1〜5及び8〜9のいずれか1項に記載の燃料電池用伝導性膜を含む膜電極接合体。
- 請求項6又は7に記載のイオン伝導性材料を含む膜電極接合体。
- 請求項10又は11に記載の膜電極接合体を有する燃料電池。
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