JPH10114520A - 高酸化物イオン伝導体 - Google Patents

高酸化物イオン伝導体

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JPH10114520A
JPH10114520A JP8019534A JP1953496A JPH10114520A JP H10114520 A JPH10114520 A JP H10114520A JP 8019534 A JP8019534 A JP 8019534A JP 1953496 A JP1953496 A JP 1953496A JP H10114520 A JPH10114520 A JP H10114520A
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JP
Japan
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oxide
conductivity
oxygen
oxide ion
mol
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JP8019534A
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English (en)
Inventor
Tatsuki Ishihara
石原達己
Yusaku Takita
滝田祐作
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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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  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い酸化物イオン伝導性を広い酸素分圧下で
安定に示す酸化物を得る。 【解決の手段】 本発明はイオン伝導性酸化物に関し、
特に稀土類元素とガリウムを主成分とする複合酸化物に
関する。発明は、稀土類元素とガリウムに、1から4族
の元素から1種類もしくはそれ以上の少なくとも3種類
以上の元素からなる酸化物を複合して、焼成して得た複
合酸化物で、望ましくはLa−Sr−Ga−Mgより構
成され、電子もしくはホールによる伝導を示さず、高い
酸化物イオン伝導性を酸素中から水素中までの広い酸素
分圧下で有することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は稀土類元素とガリウ
ムを主成分とする酸化物イオン伝導性酸化物に関し、燃
料電池をはじめとする電池の電解質、酸素センサをはじ
めとする種々の化学センサ、電気化学式酸素ポンプ、酸
素富化膜、電気化学式反応器、酸素同位体分離膜などへ
の応用が可能な電子的な伝導性が小さい、酸化物イオン
伝導性酸化物に関する。
【0002】
【従来の技術】周知の通り電子的な伝導性が低く、酸化
物イオンが主な電荷担体である酸化物としてはZr, T
h, U, Ceなどの4価およびBiを主成分とする酸化
物に、1から8族元素のうち少なくとも1種を少量添加
した正方晶系の結晶構造を有する酸化物がある。
【0003】これらの酸化物の中で、U, Thでは酸化
物イオン伝導性は低く、低酸素分圧下では電子伝導性が
支配的になり、酸化物イオンによる輸率は低下する。C
e,Bi系酸化物では酸化物イオン伝導性は高いもの
の、低酸素分圧下では同様に電子伝導性が支配的とな
り、酸化物イオン伝導性は低い。そこで、U,Th,C
e,Bi系酸化物では酸化物イオン伝導体としての使用
条件が限定される。現在、酸素雰囲気から水素雰囲気ま
での全ての酸素分圧下で酸素イオン伝導性が支配的な酸
化物としてはZrを主成分として、これに1から3族の元
素から少なくとも1成分を少量、添加して正方晶を安定
化した安定化ジルコニアが用いられている。しかし、安
定化ジルコニアの酸化物伝導性は充分には、高くなく、
その酸化物イオン伝導体としての使用は高温に限定され
る。
【0004】正方晶に属さない酸化物で酸素イオン伝導
性を有する酸化物としてPbWO4, LaAlO3,C
aTiO3が知られているが、これらはいずれも酸化物
イオン伝導性は低く、低酸素分圧下では半導性が出現
し、酸化物イオンによる輸率は低下する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は安定
化ジルコニアより高い酸化物イオン伝導性を有し、酸素
中から水素中までの全ての酸素分圧下で電子もしくはホ
ールによる電導をほとんど示さず、酸化物イオンが主な
電荷担体である酸化物を得ることにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、稀土類元素と
ガリウムを主な構成元素とし、これに1から8族に属す
る元素から1成分以上を添加した複合酸化物、望ましく
はアルカリ、アルカリ土類からなる金属酸化物、もしく
はIn23またはAl23から少なくとも1種以上の金
属酸化物を添加した複合酸化物からなる高酸化物イオン
伝導体を特徴とする。これらの内、稀土類元素としては
LaまたはNd、添加物としてはSrおよびMgを共に
含む4成分系酸化物が酸化物イオン伝導体として最も適
する。
【0007】
【発明の実施の形態】
【高酸化物イオン伝導体の調製】稀土類酸化物と酸化ガ
リウムにアルカリまたはアルカリ土類元素の酸化物また
はIn23もしくはAl23から1成分以上、望ましく
は2成分の酸化物を添加し、良く混合した後、1000
℃、6時間予備焼成した。混合方法および予備焼成温度
は任意である。得られた粉体は一軸成形、静水圧プレス
によりディスク状に圧縮成形し、その後、1500℃、
6時間焼結させた。焼結温度は1000℃以上であれば
任意であるが、1300℃以上がより望ましい。稀土類
酸化物としてはLa23,Nd23が望ましく、最も好
ましくはLa23である。添加する元素としてはアルカ
リ土類元素が望ましく、最も好ましくはSrOとMgO
であり、この両方の元素を添加した4成分系複合酸化物
が望ましい。望ましい混合比としてはLaが30モル%
以上、Gaが30モル%以上、Srが20モル%以下、
Mgが20モル%以下であり、最も望ましくはLaが
40〜45モル%、Gaが30〜45モル%、Srが5
〜10モル%Mg5〜15モル%である。調製する際の
各元素の出発化合物は酸化物に限らず、任意の原料を用
い得る。
【0008】
【酸化物イオン伝導性の測定】酸化物イオン電導性の測
定は試料を直方体に切断後、電極として、白金ペースト
を塗布し、白金線を接続し、950℃で10分焼き付け
た後、任意の酸素分圧に調整可能な流通系に設置し、ヒ
ーターで加熱して、直流もしくは交流法による4端子法
で抵抗値を測定した。酸素分圧の制御はO2−N2、CO
−CO2,H2−H2O混合ガスを用いて行った。試料の
電気伝導に占める酸化物イオンの割合は試料で仕切った
異なる雰囲気を有するガス濃淡電池における起電力をボ
ルトメーターを用いて測定し、同条件での理論起電力を
ネルンスト式から求め、実測起電力の理論起電力に対す
る比として求めた。
【0009】
【結果】図1に稀土類元素としてPr,La,Nd,ま
たはSmを含み、Caを添加物とする稀土類ーGa系複
合酸化物の電気伝導度の温度依存性を比較した。電気伝
導度はPr−Ga−Ca系複合酸化物が最も高く、La
系,Nd系,Sm系の順に高くなった。伝導度の酸素分
圧依存性、酸素濃淡電池による起電力からPr系ではp
型半導性が支配的であり、La系、Nd系では酸化物イ
オン伝導性が支配的であった。
【0010】Nd系に比べ、La系の方が電気伝導度が
わずかに高い。そこで、以下では稀土類ーGaを主成分
とする高酸化物イオン伝導体としてLa−Ga系複合酸
化物について実施例を示す。
【0011】
【添加物効果】図2はLa−Ga系複合酸化物へのアル
カリ土類の添加効果を示した。添加物としてはアルカリ
元素でも得られるが、アルカリ土類酸化物のほうが良好
な添加効果と熱安定性が得られるので望ましい。伝導度
は添加するアルカリ土類に依存して異なった。伝導度は
Sr,Ba,Caの順に高くなり、Srの添加が最も有
効であった。SrはLaとイオン半径がほぼ同じであ
り、添加したSrはLaサイトに置換固溶し、この際結
晶格子へ与える歪みが最も小さいので、最も良好な効果
を示したものと推定される。伝導度はSrの添加量とと
もに増加するが、Srの添加量が試料に対して7.5モ
ル%以上になると不純物相を生じ、伝導度は低下するの
で、Srの添加量としては7.5モル%以下が望まし
く、とくに5〜7.5モル%の範囲が望ましい。
【0012】図3にはSrを5モル%、Laを45モル
%、Gaを50モル%含む複合酸化物において、第4成
分の添加効果を示した。添加物としては1から8族元素
のいずれでも効果を示すが、Mgもしくは3族元素が望
ましい。図3にはMg,In,Alの添加効果を示し
た。いずれの添加物においても、伝導度は向上するが、
とくにMgが伝導度の向上には最も良好な効果を示す。
【0013】図4には950℃での伝導度のMg添加量
依存性を示した。伝導度はMgの添加量の増加とともに
著しく向上するが、Mgの添加量が試料全体に対して1
5モル%以上になるとMgの添加量の増加とともに低下
する。これはMgの固溶限が15モル%付近に存在する
為である。そこで、Mgの添加量としては15モル%以
下が望ましく、最も望ましくは5〜15モル%であるこ
とがわかる。
【0014】
【酸化物イオン輸率】図5にはLaを45モル%、Sr
を5モル%、Gaを40モル%、Mgを10モル%含む
複合酸化物における水素ー酸素、窒素ー酸素ガス濃淡電
池により求めた酸化物イオン輸率の温度依存性を示し
た。いずれのガス濃淡電池においてもほぼ理論起電力を
示し、特に水素ー酸素ガス濃淡電池では理論起電力が得
られた。これはいずれの稀土類ーガリウム系酸化物にお
いても同様であり、この一連の酸化物はほぼ純粋な酸化
物イオン伝導体であることを示している。一方、酸化物
イオン輸率は温度が低下しても低下せず、低温まで良好
な酸化物イオン伝導を示す。
【0015】図6にはLa−Sr−Ga−Mg系複合酸
化物における950℃での伝導度の酸素分圧依存性を示
した。Mgの添加量が多くなるとわずかに変化するもの
の、試料の伝導度は酸素分圧を酸素(酸素分圧;1気
圧)から水素(酸素分圧;10ー20気圧)まで変化さ
せてもほとんど変化せず、広い酸素分圧の範囲にわたっ
て、ほぼ純粋な酸化物イオン伝導体であり、電子伝導や
ホール伝導などの電子的な担体による伝導は生じないこ
とがわかる。
【0016】図7には既知の酸化物イオン伝導体とLa
−Sr−Ga−Mg系複合酸化物の酸化物イオン伝導性
の比較を示した。既知の酸化物イオン伝導体と比較して
も本系の酸化物イオン伝導性は極めて高い。
【0017】
【発明の効果】以上説明したように、本発明では電子や
ホールによる伝導をほとんど示さず、高い酸化物イオン
伝導性を酸素中から水素中という広い酸素分圧下で得る
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】Caを添加した稀土類ーガリウム系複合酸化物
における酸化物イオン伝導性に及ぼす稀土類元素の効果
を示す図。
【図2】La−Ga系複合酸化物における酸化物イオン
伝導性に及ぼすアルカリ土類の添加効果を示す図。
【図3】La−Sr−Ga系複合酸化物における酸化物
イオン伝導性に及ぼす第4成分元素の添加の影響を示す
実施例の図。
【図4】950℃、窒素中でのLa−Sr−Ga系複合
酸化物における酸化物イオン伝導性におよぼすMgの添
加効果を示す図。
【図5】La−Sr−Ga−Mg系複合酸化物において
水素ー酸素、窒素ー酸素濃淡電池で求めた酸化物イオン
輸率の温度依存性を示す図。
【図6】La−Sr−Ga−Mg系複合酸化物の酸化物
イオン伝導度の酸素分圧依存性を示す図。
【図7】La−Sr−Ga−Mg系複合酸化物の酸化物
イオン伝導度の酸素分圧依存性の既知の酸化物イオン伝
導体との比較を示す図。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】稀土類元素とガリウムを主成分とし、1か
    ら8族元素のうち少なくとも1種以上を含む、3成分以
    上の元素からなる複合酸化物で、高い酸化物イオン伝導
    性を有し、電子もしくはホールなどの電子的な伝導をほ
    とんど有しないことを特徴とする高酸素イオン伝導性酸
    化物。
JP8019534A 1996-02-06 1996-02-06 高酸化物イオン伝導体 Pending JPH10114520A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000154060A (ja) * 1998-11-13 2000-06-06 Ngk Spark Plug Co Ltd LaGaO3系焼結体並びにそれを用いた酸素透過膜
JP2001143525A (ja) * 1999-08-30 2001-05-25 Nissan Motor Co Ltd 固体電解質、その製造方法、並びに該固体電解質を用いた燃料電池
US7364713B2 (en) 2002-02-18 2008-04-29 Noritake Co., Limited Raw material powder for molding oxide ion conductor, and method for manufacturing the same
US7442344B2 (en) 2001-11-09 2008-10-28 Chubu Electric Power Co., Inc. Ceramic member with oxygen ion conductivity and use thereof
JP2012042222A (ja) * 2010-08-12 2012-03-01 Tokyo Gas Co Ltd 固体電解質形coセンサ

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US7442344B2 (en) 2001-11-09 2008-10-28 Chubu Electric Power Co., Inc. Ceramic member with oxygen ion conductivity and use thereof
US7364713B2 (en) 2002-02-18 2008-04-29 Noritake Co., Limited Raw material powder for molding oxide ion conductor, and method for manufacturing the same
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