JPH06231770A - 電極材料 - Google Patents

電極材料

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JPH06231770A
JPH06231770A JP5037416A JP3741693A JPH06231770A JP H06231770 A JPH06231770 A JP H06231770A JP 5037416 A JP5037416 A JP 5037416A JP 3741693 A JP3741693 A JP 3741693A JP H06231770 A JPH06231770 A JP H06231770A
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JP
Japan
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electrode
spinel
cobalt
oxide
electrode material
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JP5037416A
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English (en)
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Katsuyoshi Ina
克芳 伊奈
Takuji Yoshimura
卓二 吉村
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Kanebo Ltd
Original Assignee
Kanebo Ltd
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Publication date
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 下記一般式(1)に示されるスピネル型結晶
構造を含むコバルト・マンガン複酸化物よりなる電極材
料。 CoX Mn3-x 4 ・・・・(1) (ただし、式中Xは0.1≦X≦1.5) 【効果】 本発明の電極材料は、酸素の吸脱着が容易と
なり、酸素分子をイオン化しそのエネルギーを電気的エ
ネルギーに変換させたり、逆に電気的エネルギーを酸素
分子の生成及び、酸素のイオン化の為に消費させたり出
来る。従って、このようなエネルギー変換を必要とする
固体電解質型燃料電池及び酸素濃度検出素子等の電極材
料として有効である。しかも、コバルト、マンガンは貴
金属に比べ安価であることから経済的に有利であり、ま
た、ペロブスカイト構造となっていないため、還元ガス
による劣化が少ない等の利点がある。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電極材料に係り、特に
固体電解質型燃料電池用空気極、及び、固体電解質型酸
素センサー用電極等酸素電極用に好適な電極材料に関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来、酸素の電気化学的酸化、還元反応
を速やかに生じさせる電極材料として、白金、金、銀、
パラジウムなどの貴金属及びランタン、ストロンチウ
ム、カルシウム、鉄、コバルト、ニッケル、マンガン等
からなるペロブスカイト型複酸化物の単独または混合物
が知られている。これらの材料は、酸素の吸脱着及び酸
素分子の解離、イオン化が容易に進行し、且つ導電性を
有するため、固体電解質型燃料電池用の空気極及び酸素
センサー用の電極として使用されている。しかしなが
ら、従来の電極材料のうち貴金属を用いた電極材料は高
価であり、その大量使用には問題がある。一方、ペロブ
スカイト型複酸化物を用いた電極材料は、還元ガス雰囲
気中でその性能は著しく劣化し、特に酸素センサー用電
極に用いる場合に問題がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような事
情に鑑み為されたものであって、その目的とするところ
は、貴金属及びペロブスカイト型複酸化物に代わる安価
で安定性に優れた新規電極材料を提供するにある。本発
明の他の目的及び効果は以下の説明から明らかにされよ
う。
【0004】
【課題を解決するための手段】上述の目的は、下記一般
式(1)に示されるスピネル型結晶構造を含むコバルト
・マンガン複酸化物よりなる電極材料により達成され
る。 CoX Mn3-x 4 ・・・・(1) (ただし、式中Xは0.1≦X≦1.5)
【0005】本発明のスピネル型コバルト・マンガン複
酸化物電極は酸素の電気化学的酸化・還元反応に対する
触媒作用を有し、電子伝導性と酸素イオン伝導性の両者
の電気伝導機構を有する所謂混合導電性材料である。こ
の混合導電性を有する為、酸素の吸脱着反応は容易とな
り、電子の移動によりその反応に伴うエネルギーを電気
的なエネルギーとして取り出したり、あるいは、供給し
たり出来る。
【0006】本発明における上記一般式(1)におい
て、Xが0.1 未満あるいは1.5 を越ると、酸素イオン伝
導性及び電子伝導性の両者が小さくなり本発明の電極と
しては相応しくない。従って、一般式(1)におけるX
の範囲は、0.1≦X≦1.5であり、好ましくは0.
3≦X≦0.8である。本発明においてCoの一部をN
i,Cu,Znの1種若しくはそれ以上と、Coの原子
数が60%以上の範囲内で置換して用いてよい。
【0007】本発明におけるスピネル型結晶とは、低温
安定相である正方晶スピネル及び高温安定相である立方
晶スピネルの両者を意味する。どちらの晶系において
も、前記混合導電機構は存在する。従って、これらの晶
系を単独で用いても、両晶系を混在させて用いても良
い。
【0008】本発明の電極材料におけるスピネル型結晶
構造の含有率は、好ましくは50重量%以上、更に好ま
しくは70重量%以上である。含有率が少なすぎるとス
ピネル粒子相互の接触が保たれ難くなり、その為、電極
としての性能が劣る傾向がある。
【0009】本発明においてスピネル型結晶構造以外の
材料も上記スピネル型の有する特性を損なわない範囲内
で種々の目的に従って含有することが出来る。例えば、
電子伝導性を更に付与する為、白金、パラジウム、金、
銀等の貴金属、酸素イオン伝導性を更に付与する為の酸
化ジルコニウム、酸化セリウム、酸化チタン等の酸化
物、更に、ジルコニア等の固体電解質との接触性を向上
させる為ガラス系の無機バインダーなどが挙げられる。
【0010】本発明の電極材料の粒子径は、細かいほど
高活性で好ましいが、細かすぎる場合その合成及びその
取り扱いが難しく、又、使用温度によっては粒子成長を
生じ、性能が劣化する恐れがある。従って、好ましい粒
子系の範囲は、0.01μm〜10μmである。
【0011】本発明のスピネル型コバルト・マンガン複
酸化物は、通常実施されているセラックスの合成法等に
より合成される。例えば、所定量の酸化コバルト及び酸
化マンガンをボールミル等の粉砕混合装置を用いて均一
に混合し、次いで1000℃程度の高温中にて合成せし
める方法。或は、所定量のコバルト塩及びマンガン塩の
水溶液を蒸留もしくは中和共沈させた後、800℃程度
の温度で焼成し合成する方法。コバルトおよびマンガン
を含有するアルコキシドを用いたゾル・ゲル法。或は、
所定量のコバルト及びマンガンを含有する気体を用いて
酸化物を高温中で析出せしめる所謂CVD法等が挙げら
れる。
【0012】スピネル型コバルト・マンガン複酸化物電
極の設置も、通常実施されている電極の設置法を用い
る。例えば、刷毛塗り後焼き付け、或は、スパッタリン
グ、CVD、溶射等により基材に直接設置される。
【0013】
【発明の効果】本発明の電極材料は、酸素イオン伝導性
と電子伝導性の両者の伝導機構を有する混合伝導性材料
である。従って、酸素の吸脱着が容易となり、酸素分子
をイオン化しそのエネルギーを電気的エネルギーに変換
させたり、逆に電気的エネルギーを酸素分子の生成及
び、酸素のイオン化の為に消費させたり出来る。従っ
て、このようなエネルギー変換を必要とする固体電解質
型燃料電池及び酸素濃度検出素子等の電極材料として有
効である。しかも、コバルト、マンガンは貴金属に比べ
安価であることから経済的に有利であり、また、ペロブ
スカイト構造となっていないため、還元ガスによる劣化
が少ない等の利点がある。
【実施例】
実施例1
【0014】式CoX Mn3-X O4のXの値が0.5となるよ
うに酸化コバルト(Co2O3)及び酸化マンガン(MnO2) を
秤量し、ボールミルにて湿式で10時間混合し、その後
濾過、乾燥させて、大気雰囲気下950℃で10時間電
気炉中で焼成し、スピネル型コバルト・マンガン複酸化
物を得た。得られた複酸化物を再度メタノール中で50
時間粉砕した後、乾燥して、電極材料とした。尚、上記
物質が立方晶スピネル型構造(面指数(311)、(2
20)及び(400)の回折ピークから確認)単一相、
若しくは、立方晶スピネル型構造及び正方晶スピネル型
構造(面指数(311)、(113)及び(202)の
回折ピークから確認)の混在相であることを粉末X線か
ら確認した。
【0015】8モル%のイットリアをドープした直径4
0mm、厚さ1mmのジルコニアディスクの両面に上記
電極材料をメタノール中に分散させたスラリーを直径1
0mmとなるように刷毛塗りし、乾燥後950℃で2時
間焼き付けて電極とした。次いで図1に示すようにアル
ミナチューブ及び無機接着剤で上記ディスクをシール接
着し、それぞれの電極に白金リード線が設置された、酸
素濃淡電池方式の酸素センサー素子を作製した。アルミ
ナチューブ内に1%の酸素を含む窒素バランスの混合標
準ガスを100cc/minの流量で流し、600℃で
の起電力を測定した。尚、対側の電極は、大気と接して
いる。その結果、起電力は56.9mVで、ネルンスト
の理論値57.3mVとほぼ同等の値となり、本電極が
酸素電極として動作していることを確認した。 実施例2
【0016】Xの値が表1に示す様に0.05から2.
0と成るように硝酸コバルト及び硝酸マンガンを蒸留水
に溶かし、次いでアンモニア水を滴下し共沈させ、濾
過、乾燥後、大気雰囲気下900℃で5時間焼成し、ス
ピネル型コバルト・マンガン複酸化物No.1〜No.
6を得た。尚、何れの組成についても立方晶スピネル型
構造単一相、若しくは、正方晶スピネル型構造との混在
相であることを実施例1と同様に粉末X線から確認し
た。
【0017】次いで、上記サンプルNo.1〜No.6
のスピネル型コバルト・マンガン複酸化物を用い実施例
1と同様に電極材料を作製し、ジルコニアディスクの両
面に塗し、これを焼き付けた。次いで、両電極に白金の
リード線を設置し、600℃の電気炉内で大気雰囲気で
の複素インピーダンスを測定した。複素インピーダンス
は、FRAとしてS5720C(エヌエフ回路設計ブロ
ック製)を、電力源としてHA−501G(北斗電工
製)を用いて、周波数範囲1mHz〜10kHz、印加
電圧0.5Vの条件で測定した。
【0018】表1にこれらの電極抵抗を示す。電極抵抗
は、複素インピーダンスの測定結果をコールコールプロ
ットし、電極部の抵抗値を示す3番目の円弧の直径を電
極抵抗として求めた。尚、比較の為、白金及びペロブス
カイト型酸化物La0.7Sr0.3CoO3を電極とした場合につい
ても同様に測定を行なった。
【0019】表1から明らかなように、本発明のスピネ
ル型コバルト・マンガン複酸化物電極は、白金及びペロ
ブスカイト型複酸化物電極と同様な電極抵抗を示した。
これは、本発明の電極材料が酸素の吸脱着反応及び解
離、イオン化の平衡状態を容易にさせることを意味す
る。又、表1から、0.1<X<1.5の範囲にて電極
抵抗が低く抑えられていることが明らかである。
【表1】 実施例3
【0020】表1に示されるスピネル型コバルト・マン
ガン複酸化物(X=0.8)及びペロブスカイト型複酸
化物(La0.7Sr0.3CoO3)を設置したジルコニアディスク
を一酸化炭素が15%含有する(窒素バランス)還元性
ガス雰囲気下、700℃で10時間処理した。 次い
で、還元性ガス処理を行なったジルコニアディスクを用
いて実施例1と同様に酸素濃淡電池方式の酸素センサー
素子を作製し、酸素濃度に対する起電力を測定し、実施
例2と同様に複素インピーダンスを測定した。
【0021】その結果、スピネル型コバルト・マンガン
複酸化物電極の起電力値は、56.0mVを示し、ペロ
ブスカイト型複酸化物電極の起電力は、40.1mVを
示した。一方、複素インピーダンス測定から得られた電
極部の抵抗値は、スピネル型コバルト・マンガン複酸化
物電極の場合還元ガス処理前の1.5倍であったのに対
し、ペロブスカイト型複酸化物電極では、100倍以上
に電極抵抗が増加した。還元ガス処理によってペロブス
カイト型複酸化物は大きく劣化しているのに対し、スピ
ネル型コバルト・マンガン複酸化物電極はほとんど劣化
していないことが判かる。 実施例4
【0022】表2に示すようにコバルトの一部をNi,
Cu,Znの1種若しくはそれ以上の元素で置換し、実
施例1と同様にジルコニアディスク上に焼き付けて、酸
素濃淡電池式酸素センサー素子を作製し、評価した。結
果を表2に示す。尚、コバルトと置換元素の総量を0.
8とし、測定条件は、被検ガス濃度1%、温度700℃
とした。
【表2】 実施例4
【0023】実施例1で使用したスピネル型コバルト・
マンガン複酸化物と3モルのイットリアをドープしたジ
ルコニア粉末(0.2μm)を第2表に示す種々の割合
で混合し、実施例1と同様にジルコニアディスク上に焼
き付けて、濃淡電池式酸素センサー素子の性能を評価し
た。結果を表3に示す。尚、評価条件は、被検ガス濃度
1%、温度700℃とした。
【表3】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る酸素濃淡電池方式の酸素センサ−
素子の説明図である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 下記一般式(1)に示されるスピネル型
    結晶構造を含むコバルト・マンガン複酸化物よりなる電
    極材料。 CoX Mn3-x 4 ・・・・(1) (ただし、式中Xは0.1≦X≦1.5)
JP5037416A 1993-02-01 1993-02-01 電極材料 Pending JPH06231770A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4876876A (en) * 1987-10-27 1989-10-31 Mazda Motor Corporation Dies for forging gear-shaped part made of sheet metal
CN113552194A (zh) * 2021-07-20 2021-10-26 上海松柏传感技术有限公司 电化学气体传感器电极的制备方法及电化学气体传感器

Cited By (3)

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