JPH06231771A - 電極材料 - Google Patents

電極材料

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JPH06231771A
JPH06231771A JP5037417A JP3741793A JPH06231771A JP H06231771 A JPH06231771 A JP H06231771A JP 5037417 A JP5037417 A JP 5037417A JP 3741793 A JP3741793 A JP 3741793A JP H06231771 A JPH06231771 A JP H06231771A
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JP
Japan
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electrode
spinel
oxide
crystal structure
solid electrolyte
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JP5037417A
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English (en)
Inventor
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
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

(57)【要約】 【構成】 下記一般式(1)にて示されるスピネル型結
晶構造を含む複酸化物からなる電極材料。 MX Mn3-X 4 ・・・・・(1) (ただし、MはNi,Cu,Znから選択される少なく
とも1種の元素であり、且つ、0.1≦X≦1.5であ
る。) 【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
り、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、ニッケル、銅、亜鉛、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)にて示されるスピネル型結晶構造を含む複酸化
物からなる電極材料により達成される。 MX Mn3-X 4 ・・・・・(1) (ただし、MはNi,Cu,Znから選択される少なく
とも1種の元素であり、且つ、0.1≦X≦1.5であ
る。)
【0005】本発明のスピネル型金属・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】本発明の電極を構成する第一元素はマンガ
ンであり、第二元素はNi,Cu,Znから選択される少なくと
も1種の元素である。上記元素以外の元素から構成され
る電極では、混合導電性が出現しない為、若しくはその
導電率が小さすぎる為、本発の電極としては相応しくな
い。
【0007】本発明の上記一般式(1)Mx Mn3-X O4
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、本発明の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。
【0008】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。
【0009】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
としての性能が劣り好ましくない。
【0010】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。
【0011】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
子径は、0.01μm〜10μmである。
【0012】本発明のスピネル型複酸化物は、通常実施
されているセラミックスの合成法により合成される。例
えば、所定量の酸化物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、所定量の金属塩の水溶液を
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。所望の金属を含有するアルコキシ
ドを用いたゾル・ゲル法。或は、所望の金属を含有する
気体を用いて酸化物を高温で析出せしめる所謂CVD法
等が挙げられる。
【0013】スピネル型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。
【発明の効果】
【0014】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、ニッケル、銅、亜鉛、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
【0015】(1)式Mx Mn3-X O4においてXが0.6
となるように酸化ニッケル(NiO)、酸化銅(CuO) 、酸化
亜鉛(ZnO) 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1000℃で10間焼成し、Ni0.6Mn
2.4O4, Cu0.6Mn2.4O4,Zn0.6Mn2.4O4,Ni0.2Cu0.2Zn0.2Mn
2.4O4の4種のスピネル型複酸化物サンプルNo.1,
No.2,No.3及びNo.4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)、(220)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(31
1)、(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。
【0016】6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150cc/minの流量で流し、700℃
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。結果を表1に示す。本発明の電極が酸素電極と
して動作していることを確認した。
【表1】 実施例2
【0017】電極組成が表2に示す様に成るように各種
硝酸塩を蒸留水に溶かし、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、スピネル型複酸化物No.5〜No.35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。
【0018】次いで、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布し、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、60
0℃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S57
20C(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0.2Vの条件で測定
した。
【0019】表2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、白金サンプルN
o.36及びペロブスカイト型酸化物La0.6Sr0.4MnO3
ンプルNo.37を電極とした場合についても同様に測
定を行なった。
【0020】表2から、本発明のスピネル型複酸化物電
極は、白金及びペロブスカイト型複酸化物電極と同様な
電極抵抗を示すこがわかる。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、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わかる。
【表2】 実施例3
【0021】表1に示されるスピネル型複酸化物(M=
Ni)サンプルNo.1及びペロブスカイト型複酸化物
(La0.6Sr0.4MnO3)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。
【0022】その結果、スピネル型複酸化物電極の起電
力値は、63.3mVを示し、ペロブスカイト型複酸化
物電極の起電力は、38.1mVを示した。
【0023】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、スピネル型複酸化物電極の場合還
元ガス処理前の1.6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、本発明のスピネル型
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
【0024】実施例1で使用したスピネル型複酸化物
(M=Cu)サンプルNo.2と3モルのイットリアをド
プしたジルコニア粉末(0.3μm)を第3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。尚、評価条件は、被検ガス濃度1%、温度
650℃とした。結果を表3に示す。
【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)にて示されるスピネル
    型結晶構造を含む複酸化物からなる電極材料。 MX Mn3-X 4 ・・・・・(1) (ただし、MはNi,Cu,Znから選択される少なく
    とも1種の元素であり、且つ、0.1≦X≦1.5であ
    る。)
JP5037417A 1993-02-01 1993-02-01 電極材料 Pending JPH06231771A (ja)

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