JP6041606B2 - Proton conductive material, solid electrolyte membrane, and method for producing proton conductive material - Google Patents

Proton conductive material, solid electrolyte membrane, and method for producing proton conductive material Download PDF

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Description

本発明は、プロトン伝導性材料、固体電解質膜、及びプロトン伝導性材料の製造方法に関する。   The present invention relates to a proton conductive material, a solid electrolyte membrane, and a method for producing a proton conductive material.

エネルギー・環境問題は、21世紀前半に人類が解決すべき最大の技術課題である。現在、地球上の人類が利用している一次エネルギー源の約80 %は、石油、石炭、及び天然ガス等の炭化水素系化石燃料である。化石燃料が持つ化学エネルギーは、空気中の酸素との間でおきる燃焼反応を通じて熱として放出される。そのため、化石燃料の使用は、温室効果ガスである炭酸ガス(CO2)の放出を不可避的に伴う。現在、全地球をおおう気候変動の主因は、CO2等の排出増大による温室効果によってもたらされた温暖化であると考えられている。従って、CO2を排出しないエネルギー源(いわゆるクリーンエネルギー、グリーンエネルギーあるいは再生可能エネルギー)の利用技術の開発は、緊急の課題と位置づけられている。 Energy / environmental problems are the biggest technological issues that human beings should solve in the first half of the 21st century. Currently, about 80% of the primary energy sources used by humans on earth are hydrocarbon fossil fuels such as oil, coal, and natural gas. The chemical energy possessed by fossil fuels is released as heat through a combustion reaction that occurs with oxygen in the air. For this reason, the use of fossil fuels is inevitably accompanied by the release of carbon dioxide (CO 2 ), which is a greenhouse gas. Currently, the main cause of climate change over the entire globe is thought to be warming caused by the greenhouse effect due to increased emissions of CO 2 and the like. Therefore, the development of technology for using energy sources that do not emit CO 2 (so-called clean energy, green energy, or renewable energy) is regarded as an urgent issue.

バイオマスは、大気中のCO2及び地中のH2Oを原料とし、太陽光をエネルギー源として植物によって生産された炭水化物である。従って、いわゆる化石燃料と同様に太陽光エネルギーが凝縮されたエネルギー源である。ただしバイオマスの場合には、その燃焼等によって生ずるCO2は現在の大気中から吸収されたものであるため、大気中のCO2濃度を増大させることはない。この特徴は、カーボンニュートラルと表現される。よってバイオマスは再生可能エネルギーに分類される。 Biomass is a carbohydrate produced by plants using sunlight as energy source and CO 2 in the atmosphere and H 2 O in the ground. Therefore, it is an energy source in which solar energy is condensed, like so-called fossil fuels. However, in the case of biomass, the CO 2 produced by the combustion of the biomass is absorbed from the current atmosphere, so the CO 2 concentration in the atmosphere is not increased. This feature is expressed as carbon neutral. Therefore, biomass is classified as renewable energy.

バイオマスは、穀類(澱粉)・糖質系と樹木・茎などを形成するセルロース系に大別される。前者は発酵技術によりエタノールに転換され、後者は部分酸化水蒸気改質法等によりメタノールに転換される。セルロース系バイオマスは、未だ有効利用されず、焼却等によって廃棄されているものも多い。従って、これから製造されるメタノールを利用する技術の開発は、エネルギー・環境問題における最も重要な課題のひとつである。   Biomass is roughly classified into cereals (starch) and sugars, and celluloses that form trees and stems. The former is converted to ethanol by fermentation technology, and the latter is converted to methanol by a partial oxidation steam reforming method or the like. Cellulosic biomass has not been effectively used yet and is often discarded by incineration or the like. Therefore, the development of technology using methanol that will be produced in the future is one of the most important issues in energy and environmental issues.

メタノールを含む炭化水素系燃料からエネルギーを取り出す方法には、内燃機関及び単純燃焼方式などの燃焼反応によって発生する熱を使う方法と、燃料電池による直接発電技術とがある。前者の燃焼熱を用いる方法では、その最大エネルギー効率はカルノー機関としての制約を受ける。後者の燃料電池では、取り出しうる最大電力エネルギーは反応の自由エネルギー変化に等しい。このため燃料電池は、高効率のエネルギー変換デバイスとして、原理的な優位性をもつ。   Methods for extracting energy from hydrocarbon fuels including methanol include a method using heat generated by a combustion reaction such as an internal combustion engine and a simple combustion method, and a direct power generation technique using a fuel cell. In the former method using combustion heat, the maximum energy efficiency is limited as a Carnot engine. In the latter fuel cell, the maximum power energy that can be extracted is equal to the change in free energy of reaction. For this reason, the fuel cell has a principle advantage as a highly efficient energy conversion device.

段落0003、0004において説明したように、CO2削減に最も有効なエネルギー源はバイオマス由来のメタノールである。またメタノールは、燃料電池用燃料として優れた特徴を有する。C1アルコールであるメタノールは、水蒸気改質器を通さずに燃料電池燃料室に水とともに直接供給することができる。特に燃料電池本体に固体高分子電解質を用いた室温動作装置は、DMFC(直接メタノール燃料電池)と呼ばれている。 As explained in paragraphs 0003 and 0004, the most effective energy source for CO 2 reduction is biomass-derived methanol. Methanol has an excellent feature as a fuel for fuel cells. Methanol, which is C1 alcohol, can be directly supplied to the fuel cell fuel chamber together with water without passing through the steam reformer. In particular, a room temperature operation device using a solid polymer electrolyte in the fuel cell body is called DMFC (direct methanol fuel cell).

しかし、DMFCは、発電効率が低いという大きな欠点をかかえている。その第一の原因は、メタノールクロスオーバーと呼ばれる現象である。DMFCが低発電効率であることの第二の原因は、白金系触媒がCO吸着により被毒し、その結果大きなアノード過電圧が生じることである。この問題を解決するために、触媒の種類、量、担持法に関する研究が活発に行われているが、未だ有効な技術は開発されていない(非特許文献1)。   However, DMFC has a major drawback of low power generation efficiency. The first cause is a phenomenon called methanol crossover. The second cause of the low power generation efficiency of DMFC is that the platinum-based catalyst is poisoned by CO adsorption, resulting in a large anode overvoltage. In order to solve this problem, active research has been conducted on the type, amount, and loading method of the catalyst, but no effective technology has been developed yet (Non-patent Document 1).

DMFCにおけるメタノールクロスオーバーは、プロトン伝導体を固体化することによって防止することができる。またCO吸着は、低くとも150 ℃、望ましくは300 ℃以上の温度で運転することにより抑制できると考えられている。従って、DMFC型燃料電池の発電効率の向上には、中温域で有意なプロトン伝導性を有する固体電解質の開発が鍵を握っている。   Methanol crossover in DMFC can be prevented by solidifying the proton conductor. In addition, it is believed that CO adsorption can be suppressed by operating at a temperature of at least 150 ° C, preferably 300 ° C or higher. Therefore, the development of solid electrolytes with significant proton conductivity in the middle temperature range is key to improving the power generation efficiency of DMFC fuel cells.

上で述べたように、現在、中温域で有意なプロトン伝導性を示す固体電解質の開発が精力的に展開されているが、酸化物ガラスの中で最も高いプロトン伝導機能をもつリン酸塩ガラスが注目されている。   As mentioned above, solid electrolytes exhibiting significant proton conductivity in the middle temperature range are being actively developed, but phosphate glasses with the highest proton conductivity among oxide glasses are currently being developed. Is attracting attention.

有意なプロトン伝導性を実現するためには、高い水素濃度をもつことが必要条件である。そこで特許文献1では、高濃度(50 〜 80 モル%)のP2O5を含むCa、Sr、Ba、Zn、Al、Si、Pb、Mg、又はBのリン酸塩ガラスを選び、これを900 ℃以下の温度で短時間溶解し、原料や雰囲気由来の水分をガラス中に高濃度で残留させる技術が開示されている。しかしながらこの方法では、融液状態で進行するガラス形成反応を平衡に至る途中段階で強制終了させるものであるため一定の品質の製品を得ることが困難であり、また高プロトン伝導率を実現するための必須条件である高プロトン濃度を実現することができない。 In order to achieve significant proton conductivity, a high hydrogen concentration is a necessary condition. Therefore, in Patent Document 1, a Ca, Sr, Ba, Zn, Al, Si, Pb, Mg, or B phosphate glass containing P 2 O 5 at a high concentration (50 to 80 mol%) is selected and used. A technique is disclosed that dissolves for a short time at a temperature of 900 ° C. or less, and leaves moisture derived from raw materials and atmosphere in glass at a high concentration. However, in this method, it is difficult to obtain a product of a certain quality because the glass forming reaction that proceeds in the melt state is forcibly terminated in the middle of the equilibrium, and in order to achieve high proton conductivity. It is impossible to achieve a high proton concentration that is an indispensable condition.

また、特許文献2では、高濃度のP2O5を含むBa、Ca、Al、又はZnのリン酸塩ガラスを、250 ℃〜400 ℃未満の温度で水蒸気を含む雰囲気下で結晶化する技術が開示されている。本材料のプロトン伝導性は、熱処理によって結晶が析出する際、結晶及びガラスマトリックスの双方が雰囲気中の水分により加水分解され、その結果取り込まれたOH基によるとされている。本技術によって作製された材料の伝導率は300 ℃で6×10-2 S/cmと示されている。 In Patent Document 2, Ba, Ca, Al, or Zn phosphate glass containing a high concentration of P 2 O 5 is crystallized in an atmosphere containing water vapor at a temperature of 250 ° C. to less than 400 ° C. Is disclosed. The proton conductivity of this material is attributed to the OH groups incorporated as a result of hydrolysis of both the crystal and the glass matrix by moisture in the atmosphere when crystals are precipitated by heat treatment. The conductivity of the material made by this technology is shown as 6 × 10 -2 S / cm at 300 ° C.

さらに非特許文献2及び特許文献3には、Snなどの4A属元素の10 %程度をInなどの3A属元素で置換したSnP2O7ピロリン酸塩結晶のプロトン伝導率の温度依存性、及びこれを用いて試作した燃料電池の出力密度特性が示されている。伝導率に関しては、250 ℃で最も高い値2×10-2 S/cmを示しそれ以上の温度では低下することが示されている。また厚さ0.35 mmの固体電解質を用いて作製した燃料電池の出力密度は、250 ℃において260 mW/cm2に達することが報告されている。 Further, Non-Patent Document 2 and Patent Document 3 describe the temperature dependence of proton conductivity of SnP 2 O 7 pyrophosphate crystals in which about 10% of 4A group elements such as Sn are substituted with 3A group elements such as In, and The power density characteristics of a fuel cell prototyped using this are shown. Regarding conductivity, the highest value of 2 × 10 −2 S / cm at 250 ° C. is shown, and it is shown that it decreases at higher temperatures. It has been reported that the power density of a fuel cell fabricated using a 0.35 mm thick solid electrolyte reaches 260 mW / cm 2 at 250 ° C.

特開2003−192380JP2003-192380 特開2007−265803JP2007-265803 特開2008−53224JP 2008-53224 A

特許庁 平成18年度 特許出願技術動向調査報告書 燃料電池(要約版)Japan Patent Office 2006 Patent Application Technology Trend Research Report Fuel Cell (Summary) Electrochem, Solid State Lett. 9 A105-A109 (2006)Electrochem, Solid State Lett. 9 A105-A109 (2006) 第47回セラミックス基礎科学討論会 予稿集、「リン酸過剰ウルトラリン酸塩の中温プロトン伝導性と熱安定性」、金子拓郎、藤津悟、川副博司 2009年1月8日、大阪47th Ceramics Science Symposium Proceedings, “Medium Temperature Proton Conductivity and Thermal Stability of Phosphate-rich Ultraphosphate”, Takuro Kaneko, Satoru Fujitsu, Hiroshi Kawai January 8, 2009, Osaka J. Mater. Sci. Lett. 9 244-245(1990)J. Mater. Sci. Lett. 9 244-245 (1990)

発明者らは上記リン酸塩ガラスを利用する技術に着目し、リン酸系ガラスの研究を行ったところ、段落0011、0012で述べた先行技術は、結晶粒界に非晶質ポリリン酸を析出させる事により高い伝導性を実現している事が明らかになった(非特許文献3)。非晶質ポリリン酸は不安定な物質であるので、特許文献2及び特許文献3が開示する技術は長期安定性に欠けるため実用には供し得ない。更に、これらの技術はプロトン伝導性を実現する領域が結晶粒界に局在するため伝導性の向上に限界があると思われる。   The inventors paid attention to the technology using the above phosphate glass and studied phosphoric acid glass. The prior art described in paragraphs 0011 and 0012 deposited amorphous polyphosphoric acid at the grain boundaries. It has been clarified that high conductivity is realized by making it (Non-Patent Document 3). Since amorphous polyphosphoric acid is an unstable substance, the techniques disclosed in Patent Document 2 and Patent Document 3 are not practical because they lack long-term stability. Furthermore, these technologies are considered to have a limit in improving the conductivity because the region for realizing the proton conductivity is localized at the grain boundary.

本発明は、安定的に中温域で高いプロトン伝導性を有するプロトン伝導性材料、固体電解質膜、及びプロトン伝導性材料の製造方法を提供することを目的とする。   It is an object of the present invention to provide a proton conductive material, a solid electrolyte membrane, and a method for producing a proton conductive material that stably have high proton conductivity in the middle temperature range.

本発明の第1の特徴とするところは、アルカリ酸化物と、複数の酸化数状態をとる多価陽性元素の酸化物と、リン酸化物と、を含むガラス材料において、前記アルカリ酸化物由来のアルカリイオンの少なくとも一部をプロトンに置換して得られ、250 ℃以上500 ℃以下の温度のうち少なくとも一部の範囲で、プロトン伝導率が0.005 S/cm以上である、無孔性のプロトン伝導性材料(但し、AlPO4を主成分とし、孔径が2nm以上の細孔を持つAlPO4系イオン交換性メソポア多孔体であるプロトン伝導体を除く)にある。 The first feature of the present invention is that a glass material containing an alkali oxide, an oxide of a polyvalent positive element having a plurality of oxidation number states, and a phosphorus oxide is derived from the alkali oxide. Nonporous proton conductivity obtained by substituting at least a part of alkali ions with protons, and having a proton conductivity of 0.005 S / cm or more in at least a part of a temperature range of 250 ° C. to 500 ° C. Materials (except for proton conductors that are AlPO4 ion-exchange mesopore porous bodies having AlPO4 as a main component and pores having a pore diameter of 2 nm or more) .

た、好ましくは、250 ℃以上450 ℃以下の温度のうち少なくとも一部の範囲で、プロトン伝導率が0.005 S/cm以上である。 Also, preferably, at least a portion of the range of the temperature of 250 ° C. or higher 450 ° C. or less, it proton conductivity 0.005 S / cm or more.

250 ℃以上500 ℃以下の温度のうち少なくとも一部の範囲で、プロトン伝導率が0.01 S/cm以上である。また、好ましくは、250 ℃以上450 ℃以下の温度のうち少なくとも一部の範囲で、プロトン伝導率が0.005 S/cm以上である。   The proton conductivity is 0.01 S / cm or more in at least a part of the temperature range of 250 ° C. or more and 500 ° C. or less. Preferably, the proton conductivity is 0.005 S / cm or more in at least a part of the temperature range from 250 ° C. to 450 ° C.

好ましくは、前記ガラス材料は、前記アルカリ酸化物をカチオンモル百分率で5 %以上40 %以下含む。   Preferably, the glass material contains the alkali oxide in a cation molar percentage of 5% to 40%.

好ましくは、前記ガラス材料は、前記多価陽性元素の酸化物をカチオンモル百分率で3 %以上45 %以下含む。また、好ましくは、前記ガラス材料は、前記多価陽性元素の酸化物をカチオンモル百分率で10 %以上45 %以下含む。   Preferably, the glass material contains 3% or more and 45% or less of the oxide of the polyvalent positive element in terms of cation mole percentage. Preferably, the glass material contains 10% or more and 45% or less of the oxide of the polyvalent positive element in terms of cation mole percentage.

好ましくは、プロトンの濃度がOH換算で5×1020個 / cm3以上1.5×1022個/cm3以下である。 Preferably, the proton concentration is 5 × 10 20 atoms / cm 3 or more and 1.5 × 10 22 atoms / cm 3 or less in terms of OH.

好ましくは、前記アルカリ酸化物は、リチウム酸化物(LiO1/2)、ナトリウム酸化物(NaO1/2)、及びカリウム酸化物(KO1/2)よりなる群から選ばれる少なくとも一種である。 Preferably, the alkali oxide is at least one selected from the group consisting of lithium oxide (LiO 1/2 ), sodium oxide (NaO 1/2 ), and potassium oxide (KO 1/2 ).

好ましくは、前記多価陽性元素は、鉄(Fe)、タングステン(W)、及びゲルマニウム(Ge)よりなる群から選ばれる少なくとも一種である。   Preferably, the polyvalent positive element is at least one selected from the group consisting of iron (Fe), tungsten (W), and germanium (Ge).

好ましくは、前記ガラス材料は、チタン酸化物(TiO2)、ジルコニウム酸化物(ZrO2)、タンタル酸化物(TaO5/2)、ニオブ酸化物(NbO5/2)及びモリブデン酸化物(MoO3)のいずれかから選ばれる少なくとも一種をさらに含む。 Preferably, the glass material includes titanium oxide (TiO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), tantalum oxide (TaO 5/2 ), niobium oxide (NbO 5/2 ), and molybdenum oxide (MoO 3). And at least one selected from any of the above.

好ましくは、前記ガラス材料は、2価金属の酸化物(RO)及び3価金属の酸化物(TO3/2)のいずれかから選ばれる少なくとも一種をさらに含む。 Preferably, the glass material further includes at least one selected from either a divalent metal oxide (RO) or a trivalent metal oxide (TO 3/2 ).

本発明の第2の特徴とするところは、アルカリ酸化物と、複数の酸化数状態をとる多価陽性元素の酸化物と、リン酸化物と、を含むガラス材料において、前記アルカリ酸化物由来のアルカリイオンの少なくとも一部をプロトンに置換して得られ、250 ℃以上500 ℃以下の温度のうち少なくとも一部の範囲で、プロトン伝導率が0.005 S/cm以上である、プロトン伝導性材料(但し、AlPO4を主成分とし、孔径が2nm以上の細孔を持つAlPO4系イオン交換性メソポア多孔体であるプロトン伝導体を除く)を含む無孔性の固体電解質膜にある。 The second feature of the present invention is that a glass material comprising an alkali oxide, an oxide of a polyvalent positive element having a plurality of oxidation number states, and a phosphorus oxide is derived from the alkali oxide. obtained by replacing at least a portion of the alkali ions in the proton, at least part of the range of the temperature of 250 ° C. or higher 500 ° C. or less, the proton conductivity of 0.005 S / cm or more, the proton conductive material (except And a non-porous solid electrolyte membrane including a proton conductor which is an AlPO4 ion-exchange mesopore porous body having AlPO4 as a main component and having a pore diameter of 2 nm or more .

本発明の第3の特徴とするところは、アルカリ酸化物と、複数の酸化数状態をとる多価陽性元素の酸化物と、リン酸化物と、を含むガラス材料に、電界の印加下、含水素雰囲気下、及び250 ℃以上の温度下において前記アルカリ酸化物由来のアルカリイオンの少なくとも一部をプロトンに置換することを特徴とするプロトン伝導性材料の製造方法にある。   A third feature of the present invention is that a glass material containing an alkali oxide, an oxide of a polyvalent positive element having a plurality of oxidation number states, and a phosphorus oxide is contained under application of an electric field. In the method for producing a proton conductive material, at least a part of the alkali ions derived from the alkali oxide is substituted with protons in a hydrogen atmosphere and at a temperature of 250 ° C. or higher.

好ましくは、電界が5 V / cm以上であり電圧が3 V以上である直流電位差を与えて、前記アルカリ酸化物由来のアルカリイオンの少なくとも一部をプロトンに置換する。   Preferably, a direct-current potential difference is applied such that the electric field is 5 V / cm or more and the voltage is 3 V or more, and at least a part of the alkali ions derived from the alkali oxide is substituted with protons.

好ましくは、前記ガラス材料に電界を印加する一対の電極うち、正極は、水素を溶解する金属材料であり、負極は、アルカリ原子を溶解する金属材料、炭素材料、及び遷移金属酸化物材料よりなる群から選ばれる少なくとも一種である。   Preferably, of the pair of electrodes for applying an electric field to the glass material, the positive electrode is a metal material that dissolves hydrogen, and the negative electrode is made of a metal material that dissolves alkali atoms, a carbon material, and a transition metal oxide material. It is at least one selected from the group.

本発明によれば、安定的に中温域で高いプロトン伝導性を有するプロトン伝導性材料、固体電解質膜、及びプロトン伝導性材料の製造方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a proton conductive material, a solid electrolyte membrane, and a method for producing a proton conductive material that have a stable and high proton conductivity in an intermediate temperature range.

本発明の一実施形態にかかるプロトン伝導性材料を製造するフローチャートである。It is a flowchart which manufactures the proton-conductive material concerning one Embodiment of this invention. 実施例1にかかるプロトン伝導性材料の組成、及びその評価結果を示す図である。It is a figure which shows the composition of the proton conductive material concerning Example 1, and its evaluation result. 実施例1及び比較例にかかるプロトン伝導性材料の組成、及びその評価結果を示す図である。It is a figure which shows the composition of the proton conductive material concerning Example 1, and a comparative example, and its evaluation result. 実施例2、3にかかるプロトン伝導性材料の組成、及びその評価結果を示す図である。It is a figure which shows the composition of the proton conductive material concerning Example 2, 3, and its evaluation result. 試料W10−1についてのEPMA測定結果を示す図である。It is a figure which shows the EPMA measurement result about sample W10-1. W系試料の伝導率測定結果を数値で示す図である。It is a figure which shows the conductivity measurement result of a W type | system | group sample with a numerical value. W系試料の伝導率測定結果を数値で示す図である。It is a figure which shows the conductivity measurement result of a W type | system | group sample with a numerical value. W5系試料の伝導率測定結果をグラフ化した図である。It is the figure which graphed the conductivity measurement result of the W5 type sample. W10系試料の伝導率測定結果をグラフ化した図である。It is the figure which graphed the conductivity measurement result of the W10 type | system | group sample. W25系試料の伝導率測定結果をグラフ化した図である。It is the figure which graphed the conductivity measurement result of the W25 type | system | group sample. W40系試料の伝導率測定結果をグラフ化した図である。It is the figure which graphed the conductivity measurement result of the W40 type | system | group sample. 輸率を測定するために用いた水素濃淡電池の概略図である。It is the schematic of the hydrogen concentration battery used in order to measure a transport number. W系試料の濃淡電池起電力の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the density cell electromotive force of a W type | system | group sample. F系試料の伝導率測定結果を数値で示す図である。It is a figure which shows the conductivity measurement result of F type | system | group sample by a numerical value. F系試料の伝導率測定結果をグラフ化した図である。It is the figure which graphed the conductivity measurement result of F system sample. F系試料の濃淡電池起電力の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the density cell electromotive force of F type | system | group sample. G系試料及びGW系試料の伝導率測定結果を数値で示す図である。It is a figure which shows the conductivity measurement result of G type | system | group sample and GW type | mold sample numerically. G系試料の伝導率測定結果をグラフ化した図である。It is the figure which graphed the conductivity measurement result of the G type sample. GW系試料の伝導率測定結果をグラフ化した図である。It is the figure which graphed the conductivity measurement result of the GW type sample. G系試料及びGW系試料の濃淡電池起電力の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the density cell electromotive force of G system sample and GW system sample.

まず、本発明の概要について説明する。   First, an outline of the present invention will be described.

燃料電池関連技術において「中温」に関する厳密な定義はないが、本明細書において「中温」とは、便宜的に約250 ℃ 〜 550 ℃の温度の意味で用いる。
中温で高いプロトン伝導性を有する材料を用いた燃料電池では、燃料改質装置の不要化(動作温度及び燃料種に依存)や電池部材に金属材料が使用可能なことなどによりシステムが単純化され、低コスト化及び高信頼性化が実現される。また中温定常動作化により発電効率の向上と高温排熱の有効利用が可能となり、全エネルギー効率の向上が達成される。
Although there is no strict definition regarding “medium temperature” in the fuel cell-related technology, the term “medium temperature” is used herein to mean a temperature of about 250 ° C. to 550 ° C. for convenience.
In fuel cells using materials with high proton conductivity at medium temperatures, the system has been simplified by eliminating the need for fuel reformers (depending on the operating temperature and fuel type) and the ability to use metallic materials for battery components. Thus, cost reduction and high reliability are realized. In addition, the steady operation at the medium temperature enables the power generation efficiency to be improved and the high-temperature exhaust heat to be effectively used, thereby improving the total energy efficiency.

中温域で熱化学的に且つ機械的に安定なリン酸塩ガラス材料は、当業者には周知の溶融法によって作製される。しかしながらこの作製法では、一般に中温域より高温を要する溶融過程で脱水反応が進行するため、高プロトン濃度を有するガラス材料を作製することは不可能である。
本発明者らは、安定的に中温域で高いプロトン伝導性を有する固体電解質材料を作製するために独自の技術を考案した。これは、溶融法によって作製されたガラス材料中のアルカリイオンをプロトンによって置換する方法である。これを「AP置換法」と名付ける。
Phosphate glass materials that are thermochemically and mechanically stable at intermediate temperatures are made by melting methods well known to those skilled in the art. However, in this production method, since a dehydration reaction generally proceeds in a melting process that requires a temperature higher than the middle temperature range, it is impossible to produce a glass material having a high proton concentration.
The inventors of the present invention devised a unique technique for stably producing a solid electrolyte material having high proton conductivity in the middle temperature range. This is a method of replacing alkali ions in a glass material produced by a melting method with protons. This is named “AP replacement method”.

ガラスの処理としては、例えば硝酸カリウム(KNO3)融解液中にナトリウム(Na)イオンを含む板ガラスを浸漬し、ガラス表面層内のNaイオンの一部をKイオンで置換して表面に圧縮応力層を形成させ、もって表面強度を向上させる技術―化学強化法あるいはイオン交換強化法―が考えられる。しかしながらアルカリイオンをプロトンで置換する手段として同様な方法を用いることはできない。中温域で安定なプロトン浴(プロトン源)が存在せず、また、ガラス材料中のアルカリイオンの大部分をプロトンで置換することができないからである。即ちAP置換法は、これとは全く独立の原理に基づく方法である。 As the glass treatment, for example, a plate glass containing sodium (Na) ions is immersed in a molten potassium nitrate (KNO 3 ) solution, and a portion of Na ions in the glass surface layer is replaced with K ions, and a compressive stress layer is formed on the surface. A technology that improves the surface strength through chemical formation-chemical strengthening method or ion exchange strengthening method-can be considered. However, a similar method cannot be used as a means for replacing alkali ions with protons. This is because there is no proton bath (proton source) that is stable in the middle temperature range, and most of the alkali ions in the glass material cannot be replaced with protons. That is, the AP replacement method is based on a completely independent principle.

以下に、AP置換法の原理を説明する。
まず中温動作燃料電池の運転温度、雰囲気条件に注目する。固体電解質の燃料極側表面は、燃料の種類によらず数パーセントから数十パーセントオーダーの分圧の水素を含む雰囲気に暴露され、他方、酸化剤側表面は、酸素、水蒸気、場合により窒素を含む雰囲気に暴露される。また発電時は、電解質層内では燃料極から酸化剤極へ向かってプロトンの定常流が発生している。即ち、新規電解質材料の開発にあたっては、このような条件下で高濃度のプロトンを安定に保持できる材料を創製することが必要条件となる。
The principle of the AP replacement method will be described below.
First, focus on the operating temperature and atmospheric conditions of the medium temperature fuel cell. The surface on the anode side of the solid electrolyte is exposed to an atmosphere containing hydrogen with a partial pressure on the order of several percent to several tens of percent regardless of the type of fuel, while the surface on the oxidizer side is exposed to oxygen, water vapor, and optionally nitrogen. It is exposed to the atmosphere that contains it. During power generation, a steady proton flow is generated from the fuel electrode toward the oxidant electrode in the electrolyte layer. That is, in developing a new electrolyte material, it is necessary to create a material that can stably hold a high concentration of protons under such conditions.

AP置換法の工程を説明する。先ず、数パーセントから数十パーセントの範囲内の濃度のアルカリ酸化物(以下、「AO1/2」と略記する場合がある)、及び複数の酸化数状態をとる多価陽性元素の酸化物(以下、「MOp/2」と略記する場合がある。Mは多価陽性元素を、Pはその酸化数をそれぞれ表す)を含むリン酸塩ガラス前駆体を作製し、これを例えば板状に加工する。ここでMは、該材料の作製雰囲気が大気あるいは酸素雰囲気では高酸化数状態に制御できる陽性元素を意味する。目的とする材料特性に応じて、酸化数が一定であるTiO2やZrO2、TaO5/2、NbO5/2、MoO3等、又は2価金属(R)の酸化物(RO)や3価金属(T)の酸化物(TO3/2)をさらに加えるようにしてもよい。
ついで、この材料の対向する2面に電極を付与する。正極材料には、気相中の水素を分解し溶解する金属材料(水素溶解透過性金属材料)であれば如何なるものでもよいが、例えばPd薄膜を用いることができる。負極材料には、アルカリ原子を溶解する材料であれば如何なるものでもよいが、例えば溶融Sn金属や板状のカーボン材料等を用いることができる。
The steps of the AP replacement method will be described. First, an alkali oxide having a concentration within a range of several percent to several tens percent (hereinafter, may be abbreviated as “AO 1/2 ”), and an oxide of a polyvalent positive element having a plurality of oxidation number states ( Hereinafter, it may be abbreviated as “MO p / 2 ”, where M represents a polyvalent positive element, and P represents its oxidation number). Process. Here, M means a positive element that can be controlled to a high oxidation number state when the atmosphere for producing the material is air or oxygen. Depending on the desired material properties, TiO 2 , ZrO 2 , TaO 5/2 , NbO 5/2, MoO 3, etc. with a constant oxidation number or oxide (RO) of divalent metal (R) or 3 An oxide of valence metal (T) (TO 3/2 ) may be further added.
Next, electrodes are applied to the two opposing surfaces of the material. The positive electrode material may be any metal material (hydrogen-dissolving permeable metal material) that decomposes and dissolves hydrogen in the gas phase. For example, a Pd thin film can be used. The negative electrode material may be any material as long as it dissolves alkali atoms. For example, a molten Sn metal or a plate-like carbon material can be used.

ついで前記材料中のアルカリイオンをプロトンで置換する工程に進む。これは、本発明によって初めて実現された固体状態における電気分解を利用したアルカリイオン等の一価陽イオンのプロトンによる置換である。この工程は上述した燃料電池の想定運転温度、即ち中温域の温度下及び低圧の水素を含む雰囲気下において、且つ、2電極間に適当な直流電圧を印加しつつ行われる。例えば、印加電圧は3 V以上であり、電界強度は5 V/cm以上であることが適当であるが、放電が生じない範囲であればより高電界であっても良い。   Next, the process proceeds to a step of replacing alkali ions in the material with protons. This is a substitution of a monovalent cation such as an alkali ion with a proton using electrolysis in a solid state realized for the first time by the present invention. This step is performed under the above-mentioned assumed operating temperature of the fuel cell, that is, in an intermediate temperature range and in an atmosphere containing low-pressure hydrogen, while applying an appropriate DC voltage between the two electrodes. For example, it is appropriate that the applied voltage is 3 V or more and the electric field strength is 5 V / cm or more, but a higher electric field may be used as long as discharge does not occur.

前記工程においては、以下の式(1)〜(4)で表される酸化還元反応が進行する。   In the said process, the oxidation-reduction reaction represented by the following formula | equation (1)-(4) advances.

(正極) H2 → 2H → 2H + 2e (1) (Positive electrode) H 2 → 2H → 2H + + 2e (1)

即ち気相中の水素の分解、酸化反応である。ここで生じたプロトンはガラス中に溶解し、電子は外部回路に供給され負極に輸送される。プロトンの溶解は以下の反応によってバルクガラス中に進行する。   That is, hydrogen decomposition and oxidation reaction in the gas phase. Protons generated here are dissolved in the glass, and electrons are supplied to the external circuit and transported to the negative electrode. Proton dissolution proceeds in the bulk glass by the following reaction.

(ガラス中) 2H+ +2 ( A / OPO / Mp+ )
→ 2 ( H / OPO / Mp+ ) +2A (2)
(In glass) 2H + +2 (A + / OPO / M p + )
→ 2 (H + / - OPO - / M p +) + 2A + (2)

ここで、( A / OPO / Mp+ )は、ガラス中に溶解しているアルカリイオンの溶解状態を模式的に表わしている。即ち、負に荷電したリン酸骨格をMp+イオンとAイオンが電荷補償しながら溶解していることを示す部分構造である。式(2)は、ガラス中に溶解していたアルカリイオンが気相から導入されたプロトンによって置換され、遊離されたことを示している。遊離アルカリイオンはガラス中を電界によって加速され負極近傍に輸送される。 Here, (A + / - OPO - / M p +) is a solution at alkaline ions dissolved in the glass expressed schematically. That is, it is a partial structure indicating that the Mp + ion and the A + ion are dissolved while compensating for the negatively charged phosphate skeleton. Formula (2) shows that the alkali ions dissolved in the glass were replaced by protons introduced from the gas phase and released. Free alkali ions are accelerated in the glass by an electric field and transported to the vicinity of the negative electrode.

(負極) 2 A + 2e + Cn → CnA2 (3) (Negative electrode) 2 A + 2 e + C n → C n A 2 (3)

負極では、式(3)に示すように、アルカリイオンの還元反応が進行しその中性原子(A)が生成する。ここでCnは負極材料として使われた黒鉛系電極を表わしている。このとき負極材料としてAを溶解し且つ金属的伝導性を有する材料を用いれば、アルカリ原子はガラスから負極材料中に抽出除去されるに至る。負極材料には、これらの機能をもつものであればいかなるものでも用いられるが、例えば、SnやPb、Ag等の金属材料、及びリチウムイオン電池の正極材料として用いられるカーボンや遷移金属酸化物等を使用することができる。アルカリイオンをプロトンへより多く置換する観点から、負極材料は、ガラス材料から排出されるアルカリイオンの全量を溶解し得る容量を持つことが好ましい。 In the negative electrode, as shown in the formula (3), the reduction reaction of alkali ions proceeds and the neutral atom (A) is generated. Here, C n represents a graphite electrode used as a negative electrode material. At this time, if a material that dissolves A and has metallic conductivity is used as the negative electrode material, alkali atoms are extracted and removed from the glass into the negative electrode material. As the negative electrode material, any material having these functions can be used. For example, Sn, Pb, Ag, and other metal materials, and carbon and transition metal oxides used as positive electrode materials for lithium ion batteries, etc. Can be used. From the viewpoint of replacing more alkali ions with protons, the negative electrode material preferably has a capacity capable of dissolving the entire amount of alkali ions discharged from the glass material.

式(1)〜(3)による全反応は、以下の式(4)のようになる。   The total reaction according to the formulas (1) to (3) is as shown in the following formula (4).

(全反応)H2 + 2 ( A / OPO / Mp+ ) + Cn
→ 2 ( H / OPO / Mp+ ) + CnA2 (4)
(Total reaction) H 2 + 2 (A + / - OPO - / M p +) + C n
→ 2 (H + / - OPO - / M p +) + C n A 2 (4)

即ち正極での気相中の水素の分解酸化と負極でのアルカリイオンの還元抽出である。この過程において、ガラス中のアルカリイオンはプロトンによって置換される。置換の結果、一般にはガラス材料には歪みが生じるが、この工程は前記材料のガラス転移点あるいはそれより僅かに低い温度で行われているため、AP置換終了後直ちに必要な除歪工程、例えばアニーリングを付加することによって、必要な機械的強度を持つ材料を得ることができる。   That is, decomposition oxidation of hydrogen in the gas phase at the positive electrode and reduction extraction of alkali ions at the negative electrode. In this process, alkali ions in the glass are replaced by protons. As a result of the replacement, the glass material is generally distorted, but since this process is performed at a temperature slightly lower than the glass transition point of the material, a necessary distortion removal process immediately after the AP replacement is completed, for example, By adding annealing, a material having the required mechanical strength can be obtained.

式(1)、(2)で示される気相中の水素の酸化とガラス中への溶解は、複数の酸化数状態をとる多価金属の酸化物MOp/2成分の存在がその進行を有意にする。ガラス材料中のMp+イオンは、無電界下であっても水素と酸化還元反応を起こし生成したプロトンをガラス中に溶解する機能を持つ成分である。
即ち、式(5)に示すように、MOp/2はH / M(p−1)+なる酸化還元対を形成することによりプロトンの溶解を促進する成分である。
The oxidation of hydrogen in the gas phase represented by the formulas (1) and (2) and the dissolution in the glass are caused by the presence of the oxide MO p / 2 component of a polyvalent metal having a plurality of oxidation number states. Make it significant. The M p + ion in the glass material is a component having a function of dissolving the generated proton in the glass by causing a redox reaction with hydrogen even under no electric field.
That is, as shown in Formula (5), MO p / 2 is a component that promotes proton dissolution by forming a redox pair of H + / M (p−1) + .

H2 + 2 ( A / OPO / Mp+ )
→ 2 ( A / OPO / H / M(p−1)+ ) (5)
H 2 + 2 (A + / OPO / M p + )
→ 2 (A + / - OPO - / H + / M (p-1) +) (5)

上述したように、中温条件下で高濃度に水素酸化物を含有し得るガラス材料は、少なくとも目標とする水素酸化物の濃度以上の濃度のアルカリ酸化物及び複数の酸化数状態をとる多価陽性元素の酸化物とを含有するリン酸塩ガラス材料を前工程において作製し、次いで、直流電界下・水素含有雰囲気下で熱処理することによりアルカリイオンをプロトンで置換するAP置換を後工程とする方法によって有意に製造される。   As described above, a glass material that can contain a high concentration of hydrogen oxide under medium temperature conditions is an alkali oxide at a concentration that is at least equal to the concentration of the target hydrogen oxide and a polyvalent positive that takes multiple oxidation number states. A method in which a phosphate glass material containing an oxide of an element is produced in the previous step, and then AP substitution is performed by replacing the alkali ions with protons by heat treatment in a direct current electric field / hydrogen-containing atmosphere as a subsequent step. Is significantly manufactured by.

AP置換法においては、アルカリ成分としてはLiO1/2、NaO1/2、及びKO1/2これらのうちいずれか又はこれらの任意割合の混合物を用いることが好ましい。アルカリ成分の濃度としては、カチオンモル百分率で5 %以上40 %以下が好ましい。アルカリ成分の濃度が5 %未満では、伝導率が10−4オーダーにとどまり目標値に達せず、必要レベルの伝導率が得られない。アルカリ酸化物が含まれない又はその濃度が低い状況においては、イオンの移動が不十分であり効果的にプロトンで置換することができない。一方、40 %を超えると材料の機械的特性、化学的特性及び熱的特性が不十分で実用に供せる材料が得られない。
また、酸化物ガラス中において電界下で可動イオンとして働くことが知られているAgO1/2やCuO1/2、TlO1/2等を用いるようにしてもよい。
In the AP substitution method, it is preferable to use any of LiO 1/2 , NaO 1/2 , and KO 1/2, or a mixture of these in any proportion as the alkali component. The concentration of the alkali component is preferably 5% to 40% in terms of cation mole percentage. If the concentration of the alkali component is less than 5%, the conductivity stays on the order of 10 −4 and does not reach the target value, and the required level of conductivity cannot be obtained. In a situation where the alkali oxide is not contained or the concentration thereof is low, the ion migration is insufficient and the proton cannot be effectively substituted. On the other hand, if it exceeds 40%, the mechanical properties, chemical properties, and thermal properties of the material are insufficient, and a material that can be put to practical use cannot be obtained.
Further, AgO 1/2 , CuO 1/2 , TlO 1/2, etc., which are known to work as movable ions under an electric field in an oxide glass, may be used.

またAP置換前後のガラス材料の構成成分である複数の酸化数状態をとる多価陽性元素のイオンMp+としては、自身が還元されることによって気相中の水素を酸化溶解するものであれば如何なるものでもよいが、Fe3+、W6+、及びGe4+のいずれかあるいはこれらの混合物が好ましい。
これらのイオンは伝導性を担うプロトンの移動を促進する成分でもあるので、その濃度はガラス形成及び必要とされる安定性、熱化学的機能等を損なわない限りにおいて高いことが望ましい。従って、カチオンモル百分率で3 %以上45 %以下が好ましく、10 %以上45 %以下がより好ましい。多価陽性元素のイオンMp+が存在しない又はその濃度が低い状況においては、アルカリイオンのプロトンによる置換が、低濃度かつ表面層近傍(〜0.01 mm程度)で生じるに留まる。
In addition, the ion Mp + of the polyvalent positive element having a plurality of oxidation number states, which is a constituent of the glass material before and after the AP substitution, can oxidize and dissolve hydrogen in the gas phase by reducing itself. Any one of Fe 3+ , W 6+ and Ge 4+ or a mixture thereof is preferable.
Since these ions are also components that promote the movement of protons that are responsible for conductivity, it is desirable that the concentration be high as long as glass formation and the required stability, thermochemical function, etc. are not impaired. Accordingly, the cation mole percentage is preferably 3% or more and 45% or less, and more preferably 10% or more and 45% or less. In the situation where the multivalent positive element ion M p + does not exist or its concentration is low, substitution of alkali ions with protons only occurs at a low concentration and in the vicinity of the surface layer (about 0.01 mm).

また目的とするプロトン伝導性を実現するには、安定なリン酸塩ガラスが形成できる必要である。このため、PO5/2成分の濃度は、カチオンモル百分率で25 %から60 %であることが好ましい。 Moreover, in order to achieve the target proton conductivity, it is necessary to form a stable phosphate glass. For this reason, the concentration of the PO 5/2 component is preferably 25% to 60% in terms of cation mole percentage.

材料のプロトン伝導率を決定する第二の支配因子は、プロトンの移動度である。プロトンの移動過程の微視的メカニズムは定かではないが、TiO2、ZrO2、TaO5/2、NbO5/2及びMoO3はこれを増大させる機能を有することが明らかとなった。
その濃度はガラス形成及び必要とされる安定性、熱化学的機能等を損なわない限りにおいて高いことが望ましい。このため、TiO2、ZrO2、TaO5/2、NbO5/2及び/又はMoO3の総含量は、カチオンモル百分率で25 %以下が好ましい。
The second governing factor that determines the proton conductivity of the material is proton mobility. Although the microscopic mechanism of the proton transfer process is not clear, it has been clarified that TiO 2 , ZrO 2 , TaO 5/2 , NbO 5/2 and MoO 3 have a function of increasing this.
It is desirable that the concentration be high as long as the glass formation and the required stability, thermochemical function, etc. are not impaired. Therefore, the total content of TiO 2 , ZrO 2 , TaO 5/2 , NbO 5/2 and / or MoO 3 is preferably 25% or less in terms of cation mole percentage.

プロトン伝導性材料は、燃料電池など種々の電気化学装置を構成する素材として用いられる場合がある。従って、プロトン伝導性以外に用途に応じた機械的特性や化学的安定性、熱的特性などの物性に関する要求を満たすことが好ましい。これらの特性を改善、向上するためにRO成分及び/又はTO3/2成分の含有は特性改善に有効である。プロトン伝導性の低下を考慮すると、これらの総含量はカチオンモル百分率で20 %以下とすることが好ましい。 The proton conductive material may be used as a material constituting various electrochemical devices such as a fuel cell. Therefore, it is preferable to satisfy requirements related to physical properties such as mechanical properties, chemical stability, and thermal properties in accordance with applications in addition to proton conductivity. In order to improve and improve these properties, the inclusion of the RO component and / or the TO 3/2 component is effective in improving the properties. Considering the decrease in proton conductivity, the total content of these is preferably 20% or less in terms of cation mole percentage.

また、AP置換工程においてガラス成型体に付与する電極として、正極については水素溶解透過性金属材料が用いられる。具体的には、Ti、Cr、Co、Ni、Mo、Rh、Pd、Ag、Sn、Sb、Nb、Ta、W、Ir、Os、Pt、Au、Pb及びBiのいずれか、あるいはこれらの混合系から選ばれた材料が好ましい。
また負極についてはアルカリ原子を溶解する金属材料、炭素材料、及び遷移金属酸化物材料のいずれか、あるいはこれらの混合系から選ばれた材料が好ましい。負極材料としては、電子伝導性に優れるものがより好ましい。AP置換工程では、ガラス成型体中に含まれていたアルカリイオンが原子状態となって排出される。従って負極材料は、これを溶解できる容量を有することがより好ましい。
Moreover, a hydrogen-dissolving permeable metal material is used for the positive electrode as the electrode applied to the glass molded body in the AP replacement step. Specifically, Ti, Cr, Co, Ni, Mo, Rh, Pd, Ag, Sn, Sb, Nb, Ta, W, Ir, Os, Pt, Au, Pb and Bi, or a mixture thereof Materials selected from the system are preferred.
For the negative electrode, a metal material that dissolves alkali atoms, a carbon material, a transition metal oxide material, or a material selected from a mixed system thereof is preferable. As the negative electrode material, those having excellent electron conductivity are more preferable. In the AP replacement step, alkali ions contained in the glass molded body are discharged in an atomic state. Therefore, it is more preferable that the negative electrode material has a capacity capable of dissolving it.

また、AP置換工程では、固体状態での電気分解、電界酸化還元現象を用いることで効果的に実現することができる。例えば、正極―負極間に3 V以上の電圧且つ5 V/cm以上の電界をもつ直流電圧を印加しつつ、水素を含む雰囲気下且つ250 ℃以上の温度条件下で熱処理することが好ましい。材料の利用環境及び安定性の観点から250 ℃以上とすることが好ましい。具体的には、燃料電池電解質として利用する場合、その条件は250 ℃以上、望ましくは300 ℃以上が想定されるため、これに対応し得る範囲が好ましい。   Further, the AP replacement step can be effectively realized by using electrolysis in a solid state and electric field oxidation-reduction phenomenon. For example, it is preferable to perform heat treatment in an atmosphere containing hydrogen and at a temperature of 250 ° C. or higher while applying a DC voltage having a voltage of 3 V or higher and an electric field of 5 V / cm or higher between the positive electrode and the negative electrode. From the viewpoint of the use environment and stability of the material, it is preferably 250 ° C. or higher. Specifically, when used as a fuel cell electrolyte, the condition is assumed to be 250 ° C. or higher, and desirably 300 ° C. or higher.

中温域におけるプロトン伝導性の観点から、プロトン伝導性材料においては、AP置換によって導入されたHO1/2の濃度が2.5 %以上40 %以下であることが好ましい。プロトンをOH換算で5×1020個 / cm3以上1.5×1022個/cm3の濃度で含むことが好ましい。 From the viewpoint of proton conductivity in the middle temperature range, in the proton conductive material, the concentration of HO 1/2 introduced by AP substitution is preferably 2.5% or more and 40% or less. Protons are preferably contained at a concentration of 5 × 10 20 atoms / cm 3 or more and 1.5 × 10 22 atoms / cm 3 in terms of OH.

次に、プロトン伝導性材料を製造する工程について説明する。
なお、本発明はこれらの記載に限定して解釈されない。
Next, a process for producing a proton conductive material will be described.
In addition, this invention is limited to these description and is not interpreted.

プロトン伝導性材料は、それぞれ数パーセントから十パーセントオーダーの濃度をもつAO1/2及びMOp/2を(目標組成によっては、さらにTiO2、ZrO2、TaO5/2、NbO5/2及び/又はMoO3、RO及び/又はTO3/2を)含むリン酸塩ガラス成型体を作製する工程と、得られたリン酸塩ガラス成型体中のアルカリイオンの少なくとも一部(例えば半量以上)をプロトンで置換する工程とを含む方法によって作製される。
図1は、本実施形態に係るプロトン伝導性材料を製造するフローチャート(S10)を示す。
Proton-conducting materials have AO 1/2 and MO p / 2 with concentrations on the order of several percent to ten percent respectively (depending on the target composition, TiO 2 , ZrO 2 , TaO 5/2 , NbO 5/2 and (Or MoO 3 , RO and / or TO 3/2 ) and a step of producing a phosphate glass molded body, and at least a part (for example, half or more) of alkali ions in the obtained phosphate glass molded body And a step of substituting with protons.
FIG. 1 shows a flow chart (S10) for producing a proton conductive material according to this embodiment.

ステップ102(S102)において、リン酸塩ガラス成型体を作製する。
リン酸塩ガラス成型体を作製する工程は、周知の方法による。即ちAO1/2成分については炭酸塩を、MOp/2成分については酸化物を、TiO2、ZrO2、TaO5/2、NbO5/2及び/又はMoO3成分については酸化物を、RO成分については炭酸塩あるいは酸化物を、TO3/2成分については酸化物を、PO5/2成分については正リン酸を原料に用いてバッチを構成し、これを高アルミナ質ルツボあるいは白金ルツボに移して電気炉内で溶融する。溶融雰囲気は大気でよい。複数の酸化数状態をとりうる陽性元素(M)を高酸化数状態に保持するために、乾燥酸素を用いるようにしてもよい。均質な融液をカーボンモールドに移しアニーリングを施し除歪する。得られたバルクガラス材料を切断、研磨し、所望の形状に成型する。
In step 102 (S102), a phosphate glass molding is produced.
The step of producing the phosphate glass molded body is performed by a well-known method. That is, carbonates for the AO 1/2 component, oxides for the MO p / 2 component, oxides for the TiO 2 , ZrO 2 , TaO 5/2 , NbO 5/2 and / or MoO 3 components, A batch is made using carbonate or oxide for the RO component, oxide for the TO 3/2 component, and regular phosphoric acid for the PO 5/2 component, and this is made into a high alumina crucible or platinum. Transfer to a crucible and melt in an electric furnace. The melting atmosphere may be air. In order to maintain the positive element (M) that can take a plurality of oxidation state in a high oxidation state, dry oxygen may be used. The homogeneous melt is transferred to a carbon mold and annealed to remove strain. The obtained bulk glass material is cut and polished, and formed into a desired shape.

ステップ104(S104)において、板状に成型されたリン酸塩ガラスに電極を付与する。
板状に成型されたリン酸塩ガラスの対向する2面に電極を付与する。正極材料には、水素分子を分解し溶解し得る金属材料、例えばPd等が用いられる。Pd薄膜を例えばスパッタリング法により堆積させる。膜厚は、例えば100 nm以下とする。
In step 104 (S104), an electrode is applied to the phosphate glass molded into a plate shape.
Electrodes are applied to the two opposing surfaces of the phosphate glass formed into a plate shape. As the positive electrode material, a metal material capable of decomposing and dissolving hydrogen molecules, such as Pd, is used. A Pd thin film is deposited by sputtering, for example. The film thickness is, for example, 100 nm or less.

負極材料には、アルカリに対する溶媒機能を持つ材料を用いる。AP置換工程は、例えば水素を5 %程度含むフォーミングガス雰囲気下で行うため、耐酸化性の重要性が抑制される。例えば、Li電池の電極材料として用いられるグラファイト系炭素材料を塗布して用いることができる。また、鉛やスズなどの大密度液体金属を用いることもできる。負極材料の容量は、ガラス成型体から排出されるアルカリの全量を溶解できる大きさをもつものとする。両電極からはリード線を引き出す。   As the negative electrode material, a material having a solvent function with respect to alkali is used. Since the AP replacement step is performed in a forming gas atmosphere containing, for example, about 5% hydrogen, the importance of oxidation resistance is suppressed. For example, a graphite-based carbon material used as an electrode material for a Li battery can be applied and used. Also, a high-density liquid metal such as lead or tin can be used. The capacity | capacitance of negative electrode material shall have a magnitude | size which can melt | dissolve the whole quantity of the alkali discharged | emitted from a glass molding. Lead wires are drawn from both electrodes.

ステップ106(S106)において、AP置換を行う。
電極を付与された板状ガラス材料は、雰囲気制御電気炉にセットされる。炉内には、例えば5 %H2−95 %N2のフォーミングガスを流通させる。加熱温度は対象ガラス材料の転移点から「転移点−50 ℃」の範囲の温度とする。本実施形態においては、概ね350 ℃から550 ℃の間となる。炉温が目標温度に制御された後、直流電源を用いて正極−負極間に電圧を印加する。電圧は3 V以上、電界は5 V/cm以上が好ましく10 V/cm 〜 40 V/cmとすることがより好ましい。置換されたアルカリの量を半定量的に評価するために、ガラス材料と直列に電流計を接続しこの出力をモニターしておく。
In step 106 (S106), AP replacement is performed.
The plate-like glass material provided with the electrode is set in an atmosphere control electric furnace. For example, 5% H 2 -95% N 2 forming gas is circulated in the furnace. The heating temperature is a temperature in the range of “transition point −50 ° C.” from the transition point of the target glass material. In this embodiment, the temperature is generally between 350 ° C and 550 ° C. After the furnace temperature is controlled to the target temperature, a voltage is applied between the positive electrode and the negative electrode using a DC power source. The voltage is preferably 3 V or more, and the electric field is preferably 5 V / cm or more, more preferably 10 V / cm to 40 V / cm. In order to semi-quantitatively evaluate the amount of substituted alkali, an ammeter is connected in series with the glass material and the output is monitored.

このように、ガラス材料に、電界の印加下において前記アルカリ酸化物由来のアルカリイオンの少なくとも一部をプロトンに置換することで、プロトン伝導性材料が作製される。   Thus, a proton conductive material is produced by substituting at least a part of the alkali ions derived from the alkali oxide with protons in the glass material under application of an electric field.

作製されたプロトン伝導性材料(AP置換後のガラス材料)については、その特性を評価するために、プロトン導入量、プロトン伝導の伝導率とその温度依存性、及び輸率を測定する。   In order to evaluate the characteristics of the produced proton conductive material (glass material after AP substitution), the amount of proton introduced, the proton conduction conductivity and its temperature dependence, and the transport number are measured.

[プロトン導入量(OH濃度COH評価)]
導入されたプロトンはOHの形で存在するため、OH量を評価する。OHの濃度については赤外吸収の測定により評価し、また、OH濃度及びアルカリ(Naの場合)の材料の厚み方向に沿ったプロファイルはそれぞれ顕微赤外吸収、及びEPMA強度の測定により評価する。
[Amount of proton introduced (OH concentration C OH evaluation)]
Since the introduced proton exists in the form of OH, the amount of OH is evaluated. The OH concentration is evaluated by measuring infrared absorption, and the profiles along the thickness direction of the OH concentration and alkali (in the case of Na) are evaluated by measuring microscopic infrared absorption and EPMA intensity, respectively.

[プロトン伝導の伝導率とその温度依存性(伝導率評価)]
この評価は、交流インピーダンス法によって行うことができる。AP置換に用いたPd薄膜電極は、そのまま伝導率測定用電極として利用することができる。負極に用いたカーボン系電極はこれを機械的に除去した後、Pd薄膜を堆積する。Pdは、水素を含む雰囲気下では非ブロッキング性電極としても働くので、直流を用いた評価も可能である。この材料を雰囲気調整電気炉中にセットする。測定雰囲気は5 %H2−95 %N2のフォーミングガスとする。測定温度は室温から550 ℃の範囲である。
[Conductivity of proton conduction and its temperature dependence (conductivity evaluation)]
This evaluation can be performed by the AC impedance method. The Pd thin film electrode used for AP substitution can be used as it is as an electrode for conductivity measurement. The carbon-based electrode used for the negative electrode is mechanically removed, and then a Pd thin film is deposited. Since Pd works as a non-blocking electrode in an atmosphere containing hydrogen, evaluation using direct current is also possible. This material is set in an atmosphere-controlled electric furnace. The measurement atmosphere is 5% H 2 -95% N 2 forming gas. The measurement temperature ranges from room temperature to 550 ° C.

[輸率(輸率評価)]
プロトン伝導性材料を、これを含む固体電解質として電気化学装置を構成する際、プロトンの輸率も伝導率と並んで重要な特性である。輸率は、プロトン伝導性材料を用いて水素濃淡電池を構成し、その起電力から求めることができる。
[Transportation Rate (Transportation Rate Evaluation)]
When an electrochemical device is configured using a proton conductive material as a solid electrolyte containing the proton conductive material, the proton transport number is an important characteristic along with the conductivity. The transport number can be obtained from the electromotive force of a hydrogen concentration cell that uses a proton conductive material.

AP置換条件(正極・負極材料や印加電界の大きさ、置換操作の温度・時間等)を確定する段階では、AP置換後の試料について正負の電極を除去し、評価を行う。具体的には、導入されたOHの濃度については赤外吸収の測定により評価し、また、OH濃度及びアルカリ(Naの場合)の材料の厚み方向に沿ったプロファイルはそれぞれ顕微赤外吸収、及びEPMA(Electron Probe Micro Analyzer) 強度の測定により評価する。   At the stage of determining the AP replacement conditions (positive electrode / negative electrode material, applied electric field size, replacement operation temperature / time, etc.), the positive and negative electrodes are removed from the sample after AP replacement. Specifically, the concentration of introduced OH is evaluated by measurement of infrared absorption, and the profiles along the thickness direction of the material of OH concentration and alkali (in the case of Na) are microscopic infrared absorption and EPMA (Electron Probe Micro Analyzer) Evaluate by measuring strength.

次に、実施例1〜3について説明する。
図2〜図4は、作製したプロトン伝導性材料の組成、AP置換後における材料中のOH濃度COH、活性化エネルギー(ΔE)、及びAP置換後における材料のプロトン伝導率が10−2 S/cmを超える最低温度(Tc)を示す。
Next, Examples 1 to 3 will be described.
2 to 4 show the composition of the produced proton conductive material, the OH concentration C OH in the material after AP substitution, the activation energy (ΔE), and the proton conductivity of the material after AP substitution of 10 −2 S. Indicates minimum temperature (Tc) above / cm.

(Wを含むリン酸塩ガラスを用いた実施例)
Wを含むリン酸塩ガラスを用いて作製した実施例としては、図2における試料W5−1〜5−5の5種及び図3における試料W10−1〜試料W40−3の13種、計18種(以下、「W系試料」と総称する場合がある)が該当する。比較例としてアルカリ酸化物の濃度が5 %未満である試料W25−7を併記する。
(Example using phosphate glass containing W)
As an Example produced using the phosphate glass containing W, five types of samples W5-1 to 5-5 in FIG. 2 and thirteen types of samples W10-1 to W40-3 in FIG. Species (hereinafter may be collectively referred to as “W-based samples”). As a comparative example, Sample W25-7 having an alkali oxide concentration of less than 5% is also shown.

[ガラス材料作製]
AP置換処理を施すガラス材料の作製における原料薬品として、Li2CO3、Na2CO3、NaPO3、H3PO4、WO3、BaO、La2O3、Al2O3、TiO2、ZrO2、Ta2O5及びNb2O5を用いた。目的組成になるようそれぞれの原料を秤取混合後、700 ℃で1時間保持した後、組成に応じて1200 ℃〜1400 ℃の目的温度に毎分10 ℃で昇温し、到達後3時間保持した。融解には白金ルツボを用いた。雰囲気は空気とした。融液を直径20 mmの円筒形カーボン型に注入し、アニール炉に移し除歪した。
[Glass material production]
As raw material chemicals in the production of glass materials subjected to AP substitution treatment, Li 2 CO 3 , Na 2 CO 3 , NaPO 3 , H 3 PO 4 , WO 3 , BaO, La 2 O 3 , Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 , Ta 2 O 5 and Nb 2 O 5 were used. Each raw material is weighed and mixed to achieve the target composition, held at 700 ° C for 1 hour, then heated to a target temperature of 1200 ° C to 1400 ° C at 10 ° C per minute, and held for 3 hours after reaching the target temperature. did. A platinum crucible was used for melting. The atmosphere was air. The melt was poured into a cylindrical carbon mold having a diameter of 20 mm, transferred to an annealing furnace, and strain was removed.

[AP置換]
AP置換処理について説明する。試料W5−1〜試料W40−3の18種の材料それぞれについて、アニール後のバルクガラスから燃料電池などの電気化学装置に用いることを想定した薄板形状の材料(以下、「装置用材」と記す)と、開発段階での各種評価に適した形状の材料(以下、「評価用材」と記す)とを作製した。
装置用材に関しては厚さ約0.4 mm、直径20 mmのガラス円板を切り出し、それらの2面を研磨して厚さを0.2 mm以下とした。評価用材に関しては、研磨後の厚さが約2 mmである板状材料とした。
[AP replacement]
The AP replacement process will be described. Each of the 18 types of materials of Sample W5-1 to Sample W40-3 is a thin plate material that is assumed to be used in an electrochemical device such as a fuel cell from the annealed bulk glass (hereinafter referred to as “device material”). And a material having a shape suitable for various evaluations in the development stage (hereinafter referred to as “evaluation material”).
Regarding the device material, a glass disk having a thickness of about 0.4 mm and a diameter of 20 mm was cut out, and two surfaces thereof were polished to a thickness of 0.2 mm or less. The evaluation material was a plate-like material having a thickness after polishing of about 2 mm.

これら板状ガラス材料(装置用材及び評価用材)の一面には、Pd薄膜をスッパッタリング法によって堆積させた(以下、「a面」と記す)。対向する他面には、黒鉛厚膜を塗布した(以下、「b面」と記す)。それぞれの電極から白金リード線を引き出し、作製された「Pd薄膜電極/ガラス材料板/黒鉛厚膜電極」積層体をガス流通型電気炉にセットした。これを水素濃度5.0 %のフォーミングガス流通下、且つ直流電圧印加状態で加熱した。加熱温度は、組成に応じて400 ℃ 〜 600 ℃とした。この加熱温度は、それぞれのガラス材料のガラス転移点TgからTg−50 ℃の範囲とするのが好ましい。加熱温度がガラス材料のガラス転移点Tg近傍にある場合、このガラス材料に含まれるイオンがより効果的に移動する。
ab両面間に対する印加電圧は、電界が40 V/cmとなるようにした。Pd電極側のa面を正に、黒鉛電極側のb面を負にするようバイアスした。AP置換処理時に材料中を流れる総電荷をモニターできるよう電流計を設置した。処理時間は以下のように決定した。即ち、上述した式(1)〜(4)に示すように、ガラス材料中を流れる電流は、このガラス材料中の全アルカリイオンがプロトンによって置換され黒鉛電極へ排出されることによって生じる。そこで、電流によって運ばれた総電荷数とガラス材料中に含まれる全アルカリ個数が等しくなる時間を観測し、さらにその3倍の時間を処理時間とした。
加熱処理後の材料をガス流通下で徐冷した。
A Pd thin film was deposited on one surface of these plate-like glass materials (apparatus material and evaluation material) by the sputtering method (hereinafter referred to as “a surface”). A graphite thick film was applied to the other facing surface (hereinafter referred to as “b surface”). A platinum lead wire was pulled out from each electrode, and the produced “Pd thin film electrode / glass material plate / graphite thick film electrode” laminate was set in a gas flow type electric furnace. This was heated under the flow of a forming gas with a hydrogen concentration of 5.0% and with a DC voltage applied. The heating temperature was set to 400 ° C. to 600 ° C. depending on the composition. This heating temperature is preferably in the range of the glass transition point Tg to Tg-50 ° C. of each glass material. When the heating temperature is in the vicinity of the glass transition point Tg of the glass material, ions contained in the glass material move more effectively.
The applied voltage between both sides of the ab was such that the electric field was 40 V / cm. Biasing was performed so that the a-plane on the Pd electrode side was positive and the b-plane on the graphite electrode side was negative. An ammeter was installed to monitor the total charge flowing in the material during AP replacement treatment. The processing time was determined as follows. That is, as shown in the above-described formulas (1) to (4), the current flowing in the glass material is generated when all alkali ions in the glass material are replaced by protons and discharged to the graphite electrode. Therefore, the time for the total number of charges carried by the current to be equal to the total number of alkalis contained in the glass material was observed, and the processing time was three times as long.
The material after the heat treatment was gradually cooled under gas flow.

[OH濃度COH評価]
AP置換後の装置用材について、全OHの濃度を評価した。
b面上の黒鉛電極に関しては、これを有機溶媒湿潤状態で機械的に除去した。またa面上に堆積させたPd薄膜については、これをバフ研磨により除去した。電極除去後の薄板材料に関し、FT-IR装置(Shimadzu 8200PC)により4000 cm−1 〜 1500 cm−1領域の吸収スペクトルを測定した。0.2 mm厚さの板状材料では吸光度が大きすぎる場合は、吸収スペクトルが測定できる程度に薄板化した。3200 cm−1 〜3300 cm−1なる波数域で測ったAP置換前後の吸光度差Aから、材料中のOH濃度COH( 個/cm3 )を次式(6)に基づいて評価した。
[OH concentration C OH evaluation]
The device material after AP replacement was evaluated for the total OH concentration.
Regarding the graphite electrode on the b-side, this was mechanically removed in a wet state of the organic solvent. Further, the Pd thin film deposited on the surface a was removed by buffing. Regarding the thin plate material after the electrode was removed, the absorption spectrum in the 4000 cm −1 to 1500 cm −1 region was measured with an FT-IR apparatus (Shimadzu 8200PC). When the absorbance of the plate-like material having a thickness of 0.2 mm was too large, the plate was thinned so that the absorption spectrum could be measured. Based on the absorbance difference A before and after AP substitution measured in the wave number range of 3200 cm −1 to 3300 cm −1 , the OH concentration C OH (pieces / cm 3 ) in the material was evaluated based on the following equation (6).

COH = 2・A・NA / 1000 d ε (6) C OH = 2 · A · N A / 1000 d ε (6)

NAはアボガドロ数、dは材料ガラス板の厚さ(cm)、εはH2Oとしてのモル吸光係数であり次式(7)により求められる(非特許文献4)。 N A is Avogadro's number, d is the thickness (cm) of the material glass plate, and ε is the molar extinction coefficient as H 2 O, which is obtained by the following equation (7) (Non-patent Document 4).

ε = 110・L・mol−1 cm−1 (7) ε = 110 · L · mol −1 cm −1 (7)

図2、図3に示すように、試料W5−1〜試料W40−3の18種の材料中の水素濃度(OH濃度COH)は、AP置換前のガラス材料中のアルカリの濃度にほぼ比例していることが分かる。またその絶対濃度は、アルカリ濃度が最も小さい試料W25−5の場合であっても5×1020 個/cm3以上となる1.5×1021 個/cm3を示しており、アルカリ濃度が高い試料W5−1〜試料W5−5、試料W10−1及び試料W10−3にあっては、1022 個/cm3のオーダーに達していることが分かる。OH濃度に対するアルカリの種類の影響として、LiはNaと比較して高濃度化する傾向がある。
比較例である試料W25−7の水素濃度は、1020個/cm3のオーダーとなった。
As shown in FIGS. 2 and 3, the hydrogen concentration (OH concentration C OH ) in 18 kinds of materials of Sample W5-1 to Sample W40-3 is almost proportional to the concentration of alkali in the glass material before AP replacement. You can see that The absolute concentration is 1.5 × 10 21 pieces / cm 3 , which is 5 × 10 20 pieces / cm 3 or more even in the case of the sample W25-5 having the lowest alkali concentration, and the sample has a high alkali concentration. It can be seen that W5-1 to Sample W5-5, Sample W10-1 and Sample W10-3 have reached the order of 10 22 pieces / cm 3 . As an effect of the type of alkali on the OH concentration, Li tends to increase in concentration compared to Na.
The hydrogen concentration of Sample W25-7, which is a comparative example, was on the order of 10 20 pieces / cm 3 .

[置換確認評価]
次に、Naが水素によって置換されていることを確認するために行った実験について説明する。
図5は、試料W10−1についてAP置換前後のNaの濃度を、正極側(a面)から負極側(b面)に亘ってEPMAを用いて点分析を行った結果を示す。また、試料W10−1について、AP置換後のOH濃度の測定結果を併せて示す。濃度の値は、水素濃度との比較が容易なように、ガラスの密度及び組成から計算した値に変換して示してある。
[Replacement confirmation evaluation]
Next, an experiment conducted to confirm that Na is replaced by hydrogen will be described.
FIG. 5 shows the results of a point analysis of the sample W10-1 for the Na concentration before and after AP substitution using EPMA from the positive electrode side (a surface) to the negative electrode side (b surface). Moreover, the measurement result of OH density | concentration after AP substitution is also shown about sample W10-1. The concentration value is converted into a value calculated from the density and composition of the glass so that it can be easily compared with the hydrogen concentration.

図5に示すように、置換前の値はガラスの厚さ方向全体に亘って大きな変動はなく、約1.2×10 22 個/cm3である。置換後の濃度は、約1.5×1020 個/cm3であって、置換処理によ
って約2桁程度減少している。置換後の濃度プロファイルも厚さ方向全体に亘って平坦で
ある。
As shown in FIG. 5, the value before replacement does not vary greatly throughout the thickness direction of the glass, and is about 1.2 × 10 22 pieces / cm 3 . The density after replacement is about 1.5 × 10 20 cells / cm 3 , and is reduced by about two orders of magnitude by the replacement process. The concentration profile after replacement is also flat throughout the thickness direction.

水素の侵入溶解は拡散律速反応である。表面から深さ方向に向かっての各位置におけるOH濃度の平坦性については、約2 mm厚の評価用材について短冊形の薄片を切り出し、a表面からb表面に向かって各部位におけるOH濃度のプロファイルを顕微IRを用いて評価した。AP置換後のOH濃度は、約1×1022 個/cm3であり、Naの減少量にほぼ対応している。
即ち、AP置換法により、ガラス材料中のアルカリイオンがプロトンで均一に置換されることが確認された。
Hydrogen intrusion dissolution is a diffusion-controlled reaction. Regarding the flatness of the OH concentration at each position from the surface in the depth direction, a strip of slice was cut out from the evaluation material of about 2 mm thickness, and the profile of the OH concentration at each site from the surface a to the surface b Was evaluated using microscopic IR. The OH concentration after AP substitution is about 1 × 10 22 pieces / cm 3 , which almost corresponds to the decrease in Na.
That is, it was confirmed that the alkali ions in the glass material were uniformly substituted with protons by the AP substitution method.

[伝導率評価]
AP置換処理を施した装置用材について、交流インピーダンス法によって伝導率の測定を行った。
a面の電極には、AP置換処理の際に堆積したPd薄膜を除去せずそのまま用いた。b面に関しては、アルカリを溶解した黒鉛電極を有機溶媒湿潤状態で機械的に除去した後、Pd薄膜を堆積し電極とした。Pdは水素を含む雰囲気下では非ブロッキング電極としても働くので、直流を用いた評価も可能である。Pd薄膜つきの板状材料を伝導率測定装置にセットし、AC法によって伝導率を測定した。測定にはインピーダンスアナライザー(Solartron SI 1260)を用いた。測定周波数は8 MHz 〜 10 MHzの間とした。インピーダンス測定の結果を複素平面上にプロットし、半円の低周波数側の実軸との交点を試料の抵抗値R(Ω)とした。測定は、測定可能となる最低温から400 ℃まで順次昇温させながら行った。目的温度に到達後10分間その温度に保持した後、伝導率を測定した。雰囲気は、フォーミングガス又は窒素とした。
[Conductivity evaluation]
The conductivity of the device material subjected to the AP replacement treatment was measured by the AC impedance method.
The a-plane electrode was used as it was without removing the Pd thin film deposited during the AP replacement treatment. Regarding the b-plane, the graphite electrode in which the alkali was dissolved was mechanically removed in a wet state of the organic solvent, and then a Pd thin film was deposited to form an electrode. Since Pd also functions as a non-blocking electrode in an atmosphere containing hydrogen, evaluation using direct current is possible. A plate-like material with a Pd thin film was set in a conductivity measuring device, and the conductivity was measured by the AC method. An impedance analyzer (Solartron SI 1260) was used for the measurement. The measurement frequency was between 8 MHz and 10 MHz. The impedance measurement results were plotted on a complex plane, and the intersection of the semicircle with the real axis on the low frequency side was defined as the resistance value R (Ω) of the sample. The measurement was performed while sequentially raising the temperature from the lowest possible temperature to 400 ° C. After maintaining the target temperature for 10 minutes, the conductivity was measured. The atmosphere was forming gas or nitrogen.

図6、図7は、W系試料の伝導率測定結果を数値で示すものであり、図8〜図11は、W系試料の伝導率測定結果をグラフ化したものである。
試料W5−1〜試料W40−3の18種は、すべて400 ℃という高温域までに亘って熱活性化型の温度依存性を示した。図2、図3に示すように、活性化エネルギーは、プロトン濃度が高い試料W5−1、試料W5−2、試料W5−3、試料W10−1及び試料W10−3では38 kJ/mole以下となり、固体プロトン伝導性材料として極めて低い値となっている。他の試料と比較してプロトン濃度が相対的に低い試料W25−5にあっても66 kJ/moleであり、分子状の水を含まない固体材料としては低い値を示している。
6 and 7 show the results of measuring the conductivity of the W-based sample in numerical values, and FIGS. 8 to 11 are graphs showing the results of measuring the conductivity of the W-based sample.
All 18 types of Sample W5-1 to Sample W40-3 showed thermal activation type temperature dependence over a high temperature range of 400 ° C. As shown in FIGS. 2 and 3, the activation energy is 38 kJ / mole or less for Sample W5-1, Sample W5-2, Sample W5-3, Sample W10-1, and Sample W10-3 with high proton concentrations. As a solid proton conductive material, the value is extremely low. Even in the sample W25-5 having a relatively low proton concentration compared with other samples, it is 66 kJ / mole, which is a low value as a solid material containing no molecular water.

燃料電池応用を念頭に置いた場合、固体電解質膜のプロトン伝導率は、10−2 S/cm以上であることが望ましい。図2、図3に示すように、AP置換後の各W系試料のプロトン伝導率が10−2 S/cm以上となる最低温度Tcは、230 ℃から320 ℃程度の範囲に含まれており、この温度以上且つ400 ℃以下の温度で動作させると、高く且つ持続的な発電効率が得られることを示している。このような温度依存性は、プロトン伝導性材料が高い熱安定性をもつことの証左である
比較例である試料W25−7にあっては、プロトン伝導率が10−2 S/cmに達さなかった。
When considering fuel cell applications, it is desirable that the proton conductivity of the solid electrolyte membrane is 10 −2 S / cm or more. As shown in FIGS. 2 and 3, the minimum temperature Tc at which the proton conductivity of each W-based sample after AP substitution is 10 −2 S / cm or more is included in the range of 230 ° C. to 320 ° C. It is shown that high and sustained power generation efficiency can be obtained when operating at a temperature not lower than this temperature and not higher than 400 ° C. Such temperature dependence is evidence that the proton conductive material has high thermal stability. In the sample W25-7 as a comparative example, the proton conductivity reaches 10 −2 S / cm. There wasn't.

図6〜図11に示すように、W系試料の18種全てが活性化型のプロトン伝導性を示している。試料W5−1〜試料W5−5の5種は、200 ℃以上の温度において約4 × 10−3 S/cm以上のプロトン伝導率を示し、450 ℃以上の温度では約1 × 10−2 S/cm以上のプロトン伝導率を示し、また500 ℃以上の温度では約0.1 S/cm以上のプロトン伝導率を示した。この高伝導率特性は、500 ℃以上の温度においても保持されている。このように、TiO2、NbO5/2、ZrO2及びTaO5/2が、AP置換後の含水素ガラス材料の高温安定性をより高める効果をもつことは明らかである。
試料W10−1、試料W10−2、試料W10−3、試料W25−1、試料25−6、及び試料40−1は、250 ℃以上400 ℃以下の範囲においてプロトン伝導率が5 × 10−3 S/cm以上となった。
また、試料W10−1、試料W10−2、試料W10−3、試料W25−2、試料W25−3、試料W25−6、及び試料W40−1は、300 ℃以上400 ℃以下の範囲においてプロトン伝導率が10−2 S/cm以上となり、さらに試料W10−1及び試料W10−3は、250 ℃以上400 ℃以下の範囲においてプロトン伝導率が10−2 S/cm以上となった。
試料W25−1と試料W35−1とを比較すると、NbO5/2を含む試料W25−1ではより伝導率が向上した。
比較例である試料W25−7は、試料W10−1〜試料W40−3と比較して伝導率が2桁程度小さい値となった。
As shown in FIGS. 6 to 11, all 18 types of W-based samples show activated proton conductivity. Samples W5-1 to W5-5 show proton conductivity of about 4 × 10 −3 S / cm or higher at a temperature of 200 ° C. or higher, and about 1 × 10 −2 S at a temperature of 450 ° C. or higher. The proton conductivity was not less than / cm, and the proton conductivity was not less than about 0.1 S / cm at a temperature of not less than 500 ° C. This high conductivity characteristic is maintained even at temperatures of 500 ° C. or higher. Thus, it is clear that TiO 2 , NbO 5/2 , ZrO 2 and TaO 5/2 have the effect of further enhancing the high temperature stability of the hydrogen-containing glass material after AP substitution.
Sample W10-1, Sample W10-2, Sample W10-3, Sample W25-1, Sample 25-6, and Sample 40-1 have proton conductivity of 5 × 10 −3 in the range of 250 ° C. to 400 ° C. S / cm or more.
In addition, Sample W10-1, Sample W10-2, Sample W10-3, Sample W25-2, Sample W25-3, Sample W25-6, and Sample W40-1 are proton conducting in the range of 300 ° C. to 400 ° C. The rate was 10 −2 S / cm or higher, and Sample W10-1 and Sample W10-3 had proton conductivity of 10 −2 S / cm or higher in the range of 250 ° C. or higher and 400 ° C. or lower.
When the sample W25-1 and the sample W35-1 were compared, the conductivity was further improved in the sample W25-1 containing NbO 5/2 .
Sample W25-7, which is a comparative example, has a conductivity that is about two orders of magnitude smaller than Sample W10-1 to Sample W40-3.

[輸率評価]
次に、輸率の測定結果について説明する。
[Transportation evaluation]
Next, the measurement result of the transportation number will be described.

まず、輸率を測定するために用いた水素濃淡電池の構成を説明する。
図12は、輸率を測定するために用いた水素濃淡電池10の概略図である。水素濃淡電池10は、試料12を高圧室14と低圧室16との間に挟むようにして設置するように構成されている。高圧室14及び低圧室16それぞれには水素が導入され、導入される水素の圧力は高圧室14の方が低圧室16よりも高くされる。この際、試料12としては、作製されたプロトン伝導性材料(AP置換後のガラス材料板)の両面にPd薄膜を堆積したものを用いる。
高圧室14は、セラミックス管20の内部に形成され、このセラミックス管20には、ガスを導入する導入管22と、ガスを排気する排気口24とが設けられている。セラミックス管20と試料12とはAgリングシール26を介して試料と接触するようになっている。Agリングシール26が加圧されることにより、高圧室14の気密性が確保される。Agリングシール26からリード線28が引き出される。
低圧室16は高圧室14と同様の構成となっている。
First, the configuration of the hydrogen concentration battery used for measuring the transport number will be described.
FIG. 12 is a schematic diagram of the hydrogen concentration battery 10 used for measuring the transport number. The hydrogen concentration battery 10 is configured to be installed so that the sample 12 is sandwiched between the high pressure chamber 14 and the low pressure chamber 16. Hydrogen is introduced into each of the high pressure chamber 14 and the low pressure chamber 16, and the pressure of the introduced hydrogen is higher in the high pressure chamber 14 than in the low pressure chamber 16. At this time, as the sample 12, a Pd thin film deposited on both surfaces of the produced proton conductive material (glass material plate after AP substitution) is used.
The high-pressure chamber 14 is formed inside the ceramic tube 20, and the ceramic tube 20 is provided with an introduction tube 22 for introducing a gas and an exhaust port 24 for exhausting the gas. The ceramic tube 20 and the sample 12 are in contact with the sample through an Ag ring seal 26. When the Ag ring seal 26 is pressurized, the airtightness of the high-pressure chamber 14 is ensured. The lead wire 28 is pulled out from the Ag ring seal 26.
The low pressure chamber 16 has the same configuration as the high pressure chamber 14.

上述した水素濃淡電池を用いて測定された結果を用い、輸率を次式(8)によって評価した。   Using the results measured using the hydrogen concentration cell described above, the transport number was evaluated by the following equation (8).

V = ti ( RT / 2 F ) ln ( PH2,R / PH2,M ) (8) V = ti (RT / 2F) ln ( PH2 , R / PH2 , M) (8)

ここで、Vは起電力、Rは気体定数、Tは電池の温度、Fはファラデー定数、PH2,Rは高水素分圧室の水素分圧、PH2,Mは低水素分圧室の水素分圧、tiはプロトンの輸率である。式(8)から、実測された起電力Vをlog ( PH2,R / PH2,M )に対してプロットすると、その勾配からtiを評価することができる。 Where V is the electromotive force, R is the gas constant, T is the battery temperature, F is the Faraday constant, PH2 and R are the hydrogen partial pressure in the high hydrogen partial pressure chamber, and PH2 and M are the hydrogen content in the low hydrogen partial pressure chamber. Pressure, ti is the proton transport number. From the equation (8), when the actually measured electromotive force V is plotted against log (P H2 , R / P H2 , M), ti can be evaluated from the gradient.

図13に、試料W5−1、試料W10−3、試料W25−3、及び試料W40−2を用いて水素濃淡電池を構成した際の起電力を示す。測定温度は、それぞれの試料について450 ℃、375 ℃、400 ℃及び350 ℃とした。これらプロットの勾配から、プロトン輸率は0.98 〜 0.99であることが分かる。即ち電流のキャリアは実質的にすべてがプロトンであることが確認された。このことは、前駆体ガラス中のアルカリイオンの実質的にすべてがプロトンで置換されていることの結果でもある。   FIG. 13 shows the electromotive force when a hydrogen concentration cell is configured using Sample W5-1, Sample W10-3, Sample W25-3, and Sample W40-2. The measurement temperature was 450 ° C, 375 ° C, 400 ° C and 350 ° C for each sample. From the slopes of these plots, it can be seen that the proton transport number is 0.98 to 0.99. That is, it was confirmed that substantially all current carriers are protons. This is also a result of the fact that substantially all of the alkali ions in the precursor glass are replaced with protons.

(Feを含むリン酸塩ガラスを用いた実施例)
図4に示すように、Feを含むリン酸塩ガラスを用いて作製した実施例としては、試料F10−1〜試料F20−2の4種(以下、「F系試料」と総称する場合がある)が該当する。
(Example using phosphate glass containing Fe)
As shown in FIG. 4, as an example produced using phosphate glass containing Fe, there are cases where four types of samples F10-1 to F20-2 (hereinafter referred to as “F-based samples”) are collectively referred to. ) Is applicable.

[ガラス材料作製]
AP置換処理を施すガラス材料の作製における原料薬品としては、Li2CO3、Na2CO3、Fe2O3、及びH3PO4を用いた。目的組成になるようそれぞれの原料を秤取混合後、700 ℃で1 h保持した後、組成に応じて1200 ℃〜1400 ℃までの目的温度に毎分10 ℃で昇温し、到達後3 h保持した。融解には高アルミナ質ルツボを用いた。雰囲気は空気とした。融液を直径20 mmの円筒形カーボン型に注入し、アニール炉に移し除歪した。
[Glass material production]
Li 2 CO 3 , Na 2 CO 3 , Fe 2 O 3 , and H 3 PO 4 were used as raw material chemicals in the production of a glass material subjected to AP substitution treatment. Each raw material was weighed and mixed to achieve the target composition, held at 700 ° C for 1 h, then heated to 1200 ° C to 1400 ° C at a target temperature of 10 ° C per minute depending on the composition, and after reaching 3 h Retained. A high alumina crucible was used for melting. The atmosphere was air. The melt was poured into a cylindrical carbon mold having a diameter of 20 mm, transferred to an annealing furnace, and strain was removed.

[AP置換]
AP置換処理及び評価は、実施例1において上述した手順で行った。なお、実施例2においては、Pd電極と対向する他面は金属錫ショット片と接触させた。
[AP replacement]
AP replacement treatment and evaluation were performed according to the procedure described above in Example 1. In Example 2, the other surface facing the Pd electrode was brought into contact with a metal tin shot piece.

板状ガラス材料の一面にはPd薄膜をスッパッタリング法によって堆積させた(a面)。Pd電極から白金リード線を引き出し、ガス導入型縦型電気炉内に石英ガラス製ルツボをセットして、これに金属錫ショット片を加えた。金属錫層からW線リードを引き出し、その後、作製された「Pd薄膜電極/ガラス材料板」積層体をb面が金属錫層に接触するように配置した。金属錫層が、b面において電極として機能する。これを水素濃度5.0 %のフォーミングガス流通下、且つ直流電圧印加状態で加熱する。加熱過程では、金属錫は液体電極となっておりb面とは良好な接触状態を構成している。以下、AP置換処理に関する操作は上述した実施例1の場合と同様である。   A Pd thin film was deposited on one surface of the sheet glass material by the sputtering method (surface a). A platinum lead wire was pulled out from the Pd electrode, a quartz glass crucible was set in a gas introduction type vertical electric furnace, and a metal tin shot piece was added thereto. The W wire lead was drawn out from the metal tin layer, and then the produced “Pd thin film electrode / glass material plate” laminate was disposed so that the b-plane was in contact with the metal tin layer. The metal tin layer functions as an electrode on the b-plane. This is heated under the flow of a forming gas having a hydrogen concentration of 5.0% and with a DC voltage applied. In the heating process, the metallic tin is a liquid electrode and constitutes a good contact state with the b-plane. Hereinafter, operations related to the AP replacement process are the same as those in the first embodiment.

[OH濃度COH評価]
AP置換後の装置用材について、全OHの濃度を評価した。
a面上に堆積させたPd薄膜及びb面上の金属錫残渣については、これをバフ研磨により除去した。電極除去後の薄板材料に関し、FT-IR装置(Shimadzu 8200PC)により4000 cm−1 〜 1500 cm−1領域の吸収スペクトルを測定した。測定の詳細は上述した実施例1の場合と同様である。
[OH concentration C OH evaluation]
The device material after AP replacement was evaluated for the total OH concentration.
The Pd thin film deposited on the a surface and the metal tin residue on the b surface were removed by buffing. Regarding the thin plate material after the electrode was removed, the absorption spectrum in the 4000 cm −1 to 1500 cm −1 region was measured with an FT-IR apparatus (Shimadzu 8200PC). The details of the measurement are the same as in the case of Example 1 described above.

図4に示すように、試料F10−1〜試料F20−2の4種の材料中の水素濃度は、AP置換前のガラス材料中のアルカリの濃度にほぼ比例していることが分かる。またその絶対濃度は、アルカリ濃度が最も小さい試料F30−1材料の場合であっても5×1020 個/cm3以上となる2.7×1021 個/cm3を示している。実施例2においては、OH濃度に対するアルカリの種類の影響は明らかにはみられない。 As shown in FIG. 4, it can be seen that the hydrogen concentration in the four materials of Sample F10-1 to Sample F20-2 is substantially proportional to the alkali concentration in the glass material before AP replacement. Further, the absolute concentration is 2.7 × 10 21 pieces / cm 3 which is 5 × 10 20 pieces / cm 3 or more even in the case of the sample F30-1 material having the lowest alkali concentration. In Example 2, the influence of the type of alkali on the OH concentration is not clearly seen.

[伝導率評価]
図14は、F系試料の伝導率測定結果を数値で示すものであり、図15は、F系試料の伝導率測定結果をグラフ化したものである。
試料F10−1〜試料F20−2の4種の材料は、すべて450 ℃という高温域までに亘って熱活性化型の温度依存性を示した。図4に示すように、活性化エネルギーは、プロトン濃度が高い試料F10−1では76.9 kJ/moleとなり、これは実施例1のW系試料と比較して高い。他の資料と比較してプロトン濃度が相対的には低い試料F30−1にあっては、108.6 kJ/moleであった。
[Conductivity evaluation]
FIG. 14 shows the conductivity measurement result of the F-based sample in numerical values, and FIG. 15 is a graph of the conductivity measurement result of the F-based sample.
The four materials of Sample F10-1 to Sample F20-2 all showed thermal activation type temperature dependence up to a high temperature range of 450 ° C. As shown in FIG. 4, the activation energy is 76.9 kJ / mole in the sample F10-1 having a high proton concentration, which is higher than that in the W-based sample of Example 1. In sample F30-1, which has a relatively low proton concentration compared to other materials, it was 108.6 kJ / mole.

図4に示すように、各F系試料のTcは354 ℃〜390 ℃の範囲に含まれており、この温度以上且つ450 ℃以下の温度で動作させると高く且つ持続的な発電効率が得られることを示している。   As shown in FIG. 4, the Tc of each F-system sample is included in the range of 354 ° C. to 390 ° C. When operated at a temperature higher than this temperature and lower than 450 ° C., high and sustained power generation efficiency can be obtained. It is shown that.

図14、図15に示すように、試料F10−1、試料F20−1、及び試料F20−2は、350 ℃以上450 ℃以下の範囲においてプロトン伝導率が5 × 10−3 S/cm以上となった。
また、各F系試料は、400 ℃以上450 ℃以下の範囲においてプロトン伝導率が10−2 S/cm以上となった。
As shown in FIGS. 14 and 15, Sample F10-1, Sample F20-1, and Sample F20-2 have proton conductivity of 5 × 10 −3 S / cm or more in the range of 350 ° C. to 450 ° C. became.
Each F-based sample had a proton conductivity of 10 −2 S / cm or more in the range of 400 ° C. to 450 ° C.

[輸率評価]
輸率は、上述した実施例1の場合と同様な方法によって評価した。
図16に、試料F10−1、試料F20−2及び試料F30−1を用いて濃淡電池を構成した際の起電力を示す。測定温度は、それぞれの試料について350 ℃、400 ℃、及び450 ℃とした。これらプロットの勾配から、プロトン輸率は0.98以上であることが分かる。即ち電流のキャリアは実質的にすべてがプロトンであることが確認された。本実施例のAP置換処理においては溶融金属錫を負極材料に用いたが、この場合でもアルカリは実質的に全量が排出されていることが分かる。
[Transportation evaluation]
The transportation number was evaluated by the same method as in Example 1 described above.
In FIG. 16, the electromotive force at the time of comprising a concentration cell using sample F10-1, sample F20-2, and sample F30-1 is shown. The measurement temperature was 350 ° C., 400 ° C., and 450 ° C. for each sample. From the slopes of these plots, it can be seen that the proton transport number is 0.98 or more. That is, it was confirmed that substantially all current carriers are protons. In the AP replacement treatment of this example, molten metal tin was used as the negative electrode material, but it can be seen that even in this case, substantially all of the alkali was discharged.

(Geを含むリン酸塩ガラスを用いた実施例)
図4に示すように、Geを含むリン酸塩ガラスを用いて作製した実施例としては、試料Ge10−1〜試料Ge20−2の4種(以下、「G系試料」と総称する場合がある)、及び試料GW30−1〜試料GW40−2の4種(以下、「GW系試料」と総称する場合がある)、合計8種が該当する。
(Example using phosphate glass containing Ge)
As shown in FIG. 4, as an example produced using a phosphate glass containing Ge, there are cases in which four types of samples Ge10-1 to Ge20-2 (hereinafter referred to as “G-based samples”) are collectively referred to. ), And four types of sample GW30-1 to sample GW40-2 (hereinafter may be collectively referred to as “GW-based sample”), a total of eight types.

[ガラス材料作製]
AP置換処理を施すガラス材料の作製における原料薬品としては、Li2CO3、Na2CO3、Nb2O5、GeO2、WO3、及びH3PO4を用いた。目的組成になるようそれぞれの原料を秤取混合後、700 ℃で1 h保持した後、組成に応じて1200 ℃ 〜 1450 ℃までの目的温度に毎分10 ℃で昇温し、到達後3 h保持した。融解には白金ルツボを用いた。雰囲気は空気とした。融液を直径20 mmの円筒形カーボン型に注入し、アニール炉に移し除歪した。
[Glass material production]
Li 2 CO 3 , Na 2 CO 3 , Nb 2 O 5 , GeO 2 , WO 3 , and H 3 PO 4 were used as raw material chemicals in the production of a glass material subjected to AP substitution treatment. Each raw material was weighed and mixed to achieve the target composition, held at 700 ° C for 1 h, then heated to a target temperature of 1200 ° C to 1450 ° C at 10 ° C per minute, depending on the composition, and reached for 3 h Retained. A platinum crucible was used for melting. The atmosphere was air. The melt was poured into a cylindrical carbon mold having a diameter of 20 mm, transferred to an annealing furnace, and strain was removed.

[AP置換]
AP置換処理及び評価は、実施例1において上述した手順で行った。
[AP replacement]
AP replacement treatment and evaluation were performed according to the procedure described above in Example 1.

[OH濃度COH評価]
AP置換後の装置用材について、全OHの濃度を評価した。
図4に示すように、試料G10−1〜試料GW40−2の8種の材料中の水素濃度は、AP置換前のガラス材料中のアルカリの濃度にほぼ比例していることが分かる。G系試料とGW系試料を比較すると、後者のOH濃度がやや高い傾向が認められる。またその絶対濃度は、アルカリ濃度が最も小さい試料G30−1及び試料GW50−1材料の場合であって5×1020 個/cm3より一桁大きい約5.5×1021 個/cm3を示している。実施例3においては、OH濃度に対するアルカリの種類の影響は明らかにはみられない。
[OH concentration C OH evaluation]
The device material after AP replacement was evaluated for the total OH concentration.
As shown in FIG. 4, it can be seen that the hydrogen concentration in the eight materials of Sample G10-1 to Sample GW40-2 is substantially proportional to the alkali concentration in the glass material before AP replacement. When the G-type sample and the GW-type sample are compared, the latter OH concentration tends to be slightly high. The absolute concentration is about 5.5 × 10 21 pieces / cm 3 which is one digit larger than 5 × 10 20 pieces / cm 3 in the case of the sample G30-1 and sample GW50-1 materials having the lowest alkali concentration. Yes. In Example 3, the influence of the type of alkali on the OH concentration is not clearly seen.

[伝導率評価]
図17は、G系試料及びGW系試料の伝導率測定結果を数値で示す。
図18は、G系試料の伝導率測定結果をグラフ化したものであり、図19はGW系試料の伝導率測定結果をグラフ化したものである。
G系試料は350 ℃まで、GW系試料は400 ℃まで、すべて熱活性化型の温度依存性を示した。図4に示すように、活性化エネルギーは、G系試料では84 kJ/mole 〜 104 kL/moleという相対的に高い値が観測された。またGW系試料のそれらは実施例1のW系試料に次いで低い値、38.5 kJ/mole 〜 58.6 kJ/moleが観測された。
[Conductivity evaluation]
FIG. 17 shows numerical results of the conductivity measurement results of the G-based sample and the GW-based sample.
FIG. 18 is a graph showing the conductivity measurement result of the G-based sample, and FIG. 19 is a graph showing the conductivity measurement result of the GW-based sample.
The G-type sample was up to 350 ° C., and the GW-type sample was up to 400 ° C., all showing thermal activation type temperature dependence. As shown in FIG. 4, the activation energy was observed to be a relatively high value of 84 kJ / mole to 104 kL / mole in the G-based sample. In addition, those of the GW samples were observed to be lower than those of the W sample of Example 1, 38.5 kJ / mole to 58.6 kJ / mole.

図4に示すように、G系材料のTcは270 ℃ 〜 290 ℃の範囲に含まれており、またGW系試料のそれらは260 ℃ 〜 300 ℃の間に分布している。前者にあっては、活性化エネルギーが大きい関係上、350 ℃での伝導率が0.1 S/cmという非常に高い値が実現されている。従って、G系材料を用いた燃料電池を300 ℃ 〜 350 ℃で動作させると、非常に高い発電効率が実現される。GW系試料にあっては、相対的により広い温度範囲、250 ℃ 〜 400 ℃の間が適当な動作温度域である。   As shown in FIG. 4, Tc of the G-based material is included in the range of 270 ° C. to 290 ° C., and those of the GW-based sample are distributed between 260 ° C. and 300 ° C. In the former, because of the large activation energy, a very high conductivity of 0.1 S / cm at 350 ° C. has been realized. Therefore, when a fuel cell using a G-based material is operated at 300 ° C. to 350 ° C., very high power generation efficiency is realized. For GW-based samples, a relatively wider temperature range, between 250 ° C and 400 ° C, is a suitable operating temperature range.

図17〜図19に示すように、試料G10−1は、250 ℃以上350 ℃以下の範囲において、GW30−1、GW40−1、及びGW40−2は、250 ℃以上450 ℃以下の範囲において、それぞれプロトン伝導率が5 × 10−3 S/cm以上となった。
また、各G系試料は、300 ℃以上350 ℃以下の範囲において、各GW系試料は、300 ℃以上400 ℃以下の範囲においてプロトン伝導率が10−2 S/cm以上となった。
As shown in FIGS. 17-19, sample G10-1 is in the range of 250 ° C. or higher and 350 ° C. or lower, and GW30-1, GW40-1 and GW40-2 are in the range of 250 ° C. or higher and 450 ° C. or lower. Each proton conductivity was 5 × 10 −3 S / cm or more.
Each G-based sample had a proton conductivity of 10 −2 S / cm or more in the range of 300 ° C. to 350 ° C. and each GW-based sample in the range of 300 ° C. to 400 ° C.

[輸率評価]
輸率は、上述した実施例1の場合と同様な方法によって評価した。
図20に、試料G20−1及び試料GW40−2を用いて濃淡電池を構成した際の起電力を示す。測定温度は、それぞれの試料について350 ℃、350 ℃及び400 ℃である。これらプロットの勾配から、プロトン輸率は0.97以上であることが分かる。即ち電流のキャリアは実質的にすべてがプロトンであることが確認された。
[Transportation evaluation]
The transportation number was evaluated by the same method as in Example 1 described above.
FIG. 20 shows an electromotive force when a concentration cell is configured using the sample G20-1 and the sample GW40-2. The measurement temperatures are 350 ° C., 350 ° C. and 400 ° C. for each sample. From the slopes of these plots, it can be seen that the proton transport number is 0.97 or more. That is, it was confirmed that substantially all current carriers are protons.

近未来における燃料電池の実用化の鍵は、中温域で動作するプロトン伝導性固体電解質材料開発の成否である、と云ってよい。この材料の開発における最大の課題は、高いプロトン伝導率を実現するために必須の条件である高濃度のプロトンを中温域で安定に保持し得る材料はどのような種類、形態、構造のものであり、それを如何なる方法で作製することができるか、という問題である。本発明に係るプロトン伝導性材料とその製造方法は、この問題に初めて有意な解答を与えたものである。   It can be said that the key to the practical application of fuel cells in the near future is the success or failure of the development of proton conductive solid electrolyte materials that operate in the middle temperature range. The biggest challenge in the development of this material is what kind, form, and structure of the material that can stably maintain a high concentration of protons in the middle temperature range, which is an essential condition for realizing high proton conductivity. There is a problem of how it can be produced. The proton conductive material and the manufacturing method thereof according to the present invention provide a significant answer to this problem for the first time.

本発明に係るプロトン伝導性材料は、中温域の温度で高いプロトン伝導性を安定に示すこのプロトン伝導性材料は、その用途によって必要とされる後処理及び加工を受け、中温燃料電池を含む様々な電気化学装置の固体電解質部材として用いられる。   The proton conductive material according to the present invention stably exhibits high proton conductivity at a temperature in the middle temperature range. This proton conductive material is subjected to post-processing and processing required by its application, and includes various types of medium temperature fuel cells. It is used as a solid electrolyte member of a simple electrochemical device.

10 水素濃淡電池
12 試料
14 高圧室
16 低圧室
20 セラミックス管
22 導入管
24 排気口
26 リングシール
10 Hydrogen concentration cell 12 Sample 14 High-pressure chamber 16 Low-pressure chamber 20 Ceramic tube 22 Introduction tube 24 Exhaust port 26 Ring seal

Claims (13)

アルカリ酸化物と、複数の酸化数状態をとる多価陽性元素の酸化物と、リン酸化物と、を含むガラス材料において、前記アルカリ酸化物由来のアルカリイオンの少なくとも一部をプロトンに置換して得られ、250 ℃以上500 ℃以下の温度のうち少なくとも一部の範囲で、プロトン伝導率が0.005 S/cm以上である、無孔性のプロトン伝導性材料(但し、AlPOを主成分とし、孔径が2nm以上の細孔を持つAlPO系イオン交換性メソポア多孔体であるプロトン伝導体を除く)。 In a glass material containing an alkali oxide, an oxide of a polyvalent positive element having a plurality of oxidation number states, and a phosphorus oxide, at least a part of alkali ions derived from the alkali oxide is substituted with protons. A non-porous proton conductive material having a proton conductivity of 0.005 S / cm or more in a temperature range of 250 ° C. or higher and 500 ° C. or lower (provided that AlPO 4 is the main component, Except for a proton conductor which is an AlPO 4 ion-exchange mesopore porous body having pores with a pore diameter of 2 nm or more). 250 ℃以上500 ℃以下の温度のうち少なくとも一部の範囲で、プロトン伝導率が0.01 S/cm以上である請求項記載のプロトン伝導性材料。 In at least some range of temperatures 250 ° C. or higher 500 ° C. or less, proton conductive material according to claim 1, wherein the proton conductivity of 0.01 S / cm or more. 前記ガラス材料は、前記アルカリ酸化物をカチオンモル百分率で5 %以上40 %以下含む請求項1乃至いずれか記載のプロトン伝導性材料。 The glass material is a proton conducting material according to any one of claims 1 to 2 comprising the alkali oxides a 5% to 40% by Kachionmoru percentage. 前記ガラス材料は、前記多価陽性元素の酸化物をカチオンモル百分率で3 %以上45 %以下含む請求項1乃至いずれか記載のプロトン伝導性材料。 The proton conductive material according to any one of claims 1 to 3 , wherein the glass material contains an oxide of the polyvalent positive element in a cation molar percentage of 3% to 45%. プロトンの濃度がOH換算で5×1020個 / cm3以上1.5×1022個/cm3以下である請求項1乃至いずれか記載のプロトン伝導性材料。 5 × 10 20 pieces concentration protons in OH terms / cm 3 or more 1.5 × 10 22 / cm 3 or less proton conductor material according to any claims 1 to 4. 前記アルカリ酸化物は、リチウム酸化物(LiO1/2)、ナトリウム酸化物(NaO1/2)、及びカリウム酸化物(KO1/2)よりなる群から選ばれる少なくとも一種である請求項1乃至いずれか記載のプロトン伝導性材料。 The alkali metal oxide is at least one selected from the group consisting of lithium oxide (LiO 1/2 ), sodium oxide (NaO 1/2 ), and potassium oxide (KO 1/2 ). 5. The proton conductive material according to any one of 5 . 前記多価陽性元素は、鉄(Fe)、タングステン(W)、及びゲルマニウム(Ge)よりなる群から選ばれる少なくとも一種である請求項1乃至いずれか記載のプロトン伝導性材料。 The polyvalent positive elements, iron (Fe), tungsten (W), and proton conductive material according to any one of claims 1 to 6 is at least one selected from the group consisting of germanium (Ge). 前記ガラス材料は、チタン酸化物(TiO2)、ジルコニウム酸化物(ZrO2)、タンタル酸化物(TaO5/2)、ニオブ酸化物(NbO5/2)及びモリブデン酸化物(MoO3)のいずれかから選ばれる少なくとも一種をさらに含む請求項1乃至いずれか記載のプロトン伝導性材料。 The glass material is any of titanium oxide (TiO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), tantalum oxide (TaO 5/2 ), niobium oxide (NbO 5/2 ), and molybdenum oxide (MoO 3 ). proton conductor material according to any one of claims 1 to 7 further comprising at least one selected from or. 前記ガラス材料は、2価金属の酸化物(RO)及び3価金属の酸化物(TO3/2)のいずれ
かから選ばれる少なくとも一種をさらに含む請求項1乃至いずれか記載のプロトン伝導性材料。
The proton conductivity according to any one of claims 1 to 8 , wherein the glass material further contains at least one selected from either a divalent metal oxide (RO) or a trivalent metal oxide (TO 3/2 ). material.
アルカリ酸化物と、複数の酸化数状態をとる多価陽性元素の酸化物と、リン酸化物と、を含むガラス材料において、前記アルカリ酸化物由来のアルカリイオンの少なくとも一部をプロトンに置換して得られ、250 ℃以上500 ℃以下の温度のうち少なくとも一部の範囲で、プロトン伝導率が0.005 S/cm以上であるプロトン伝導性材料(但し、AlPOを主成分とし、孔径が2nm以上の細孔を持つAlPO系イオン交換性メソポア多孔体であるプロトン伝導体を除く)を含む、無孔性の固体電解質膜。 In a glass material containing an alkali oxide, an oxide of a polyvalent positive element having a plurality of oxidation number states, and a phosphorus oxide, at least a part of alkali ions derived from the alkali oxide is substituted with protons. Proton conductive material having a proton conductivity of 0.005 S / cm or more in a temperature range of 250 ° C. or more and 500 ° C. or less (provided that AlPO 4 is the main component and the pore diameter is 2 nm or more). A non-porous solid electrolyte membrane including a proton conductor which is an AlPO 4 ion-exchange mesopore porous body having pores). アルカリ酸化物と、複数の酸化数状態をとる多価陽性元素の酸化物と、リン酸化物と、を含むガラス材料に、電界の印加下、含水素雰囲気下、及び250 ℃以上の温度下において前記アルカリ酸化物由来のアルカリイオンの少なくとも一部をプロトンに置換することを特徴とするプロトン伝導性材料の製造方法。   A glass material containing an alkali oxide, an oxide of a polyvalent positive element having a plurality of oxidation number states, and a phosphorus oxide, under application of an electric field, in a hydrogen-containing atmosphere, and at a temperature of 250 ° C. or higher. A method for producing a proton conductive material, wherein at least a part of alkali ions derived from the alkali oxide is substituted with protons. 電界が5 V / cm以上であり電圧が3 V以上である直流電位差を与えて、前記アルカリ酸化物由来のアルカリイオンの少なくとも一部をプロトンに置換する請求項11記載のプロトン伝導性材料の製造方法。 The production of a proton-conductive material according to claim 11 , wherein a direct-current potential difference is applied with an electric field of 5 V / cm or more and a voltage of 3 V or more to substitute at least a part of the alkali ions derived from the alkali oxide with protons. Method. 前記ガラス材料に電界を印加する一対の電極うち、
正極は、水素を溶解する金属材料であり、
負極は、アルカリ原子を溶解する金属材料、炭素材料、及び遷移金属酸化物材料よりなる群から選ばれる少なくとも一種である請求項11又は12記載のプロトン伝導性材料の製造方法。
Of the pair of electrodes for applying an electric field to the glass material,
The positive electrode is a metal material that dissolves hydrogen,
The method for producing a proton conductive material according to claim 11 or 12 , wherein the negative electrode is at least one selected from the group consisting of a metal material that dissolves alkali atoms, a carbon material, and a transition metal oxide material.
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