JPH1053463A - ランタニドセラミック材料 - Google Patents
ランタニドセラミック材料Info
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Abstract
的な電気または触媒的特性を有する複合混合酸化物を含
むランタニド金属を基体とする材料を提供すること。 【解決手段】 一般式: 【化1】 [式中、Lnは、Ce、Pr及びNdの組合せであり;M'は、少
なくとも一種のアルカリ土類金属であり;M'' は、Co、
Fe、Ni、Zn、Cu、Mn、Al、V 、Ir、Mo、W 、Pd、Pt、M
g、Ru、Rh、Cr及びZrからなる群から選択される少なく
とも一種の金属であり;そして0≦a≦1; 0.01 <b
≦1; 0≦c≦0.6 ; 0≦d≦1;及び-1<δ<+1
である]を有するランタニド酸化物セラミック材料。
Description
及び技術的性能を示す機能的な電気または触媒的特性を
有する複合混合酸化物を含むランタニド金属を基体とす
る材料に関する。
及び他の電子セラミックスのための従来のセラミック材
料は、一般式ABO3で表されるペロブスカイト等のランタ
ニド元素含有混合酸化物を基体とする。この式中、記号
Aは単一のランタニド元素及び幾つかの場合には少量の
アルカリ土類元素を示す。記号Bは、Aカチオンよりも
小さいイオン半径を有する金属イオンを示す。この化学
組成を変更することによって、電子伝導性、イオン伝導
性、熱伝導性、熱膨張、触媒特性、化学安定性及び高温
安定性等の様々な技術的に重要な特性を制御することが
できる。しかし、純粋なランタニド材料の高い価格が、
その市場性拡張への弊害となる。更に、一般的に使用さ
れる純粋な混合酸化物は超耐熱性であり、緻密なセラミ
ック成分中に焼結させることが非常に困難である。
学式中のLa金属の一部が、1%より多い量のCe、Pr及び
Nd金属で置き換えられた、高温下に導電性を有する複合
酸化物を基体する新規ランタニド材料を提供する。この
新規材料は、より高額な高度に精製されたランタン化合
物の代わりに、しばしば“ランタンコンセントレート”
と呼ばれる部分的に精製されたランタン原料を使用する
ことを可能にする。この部分的に精製されたランタン原
料から生ずる痕跡量の不純物の他に、複合混合酸化物中
に他のランタニドを存在させることによって、混合酸化
物の焼結活性が強められ、緻密化がより容易になる。更
に、一部または全部のランタンが他のランタニドに換え
られることよって起こる混合酸化物中でのランタン不足
(deficiency)は、混合酸化物材料に隣接する(adjacent)
他の成分とランタンとの間の有害な反応を低減させる。
これは、固体酸化物型燃料電池中の電池材料として純粋
なランタンセラミック材料を使用する際にはよく知られ
た問題である。
式:
り; M'は少なくとも一つのアルカリ土類金属であり;
M'' は、Co、Fe、Ni、Zn、Cu、Mn、Al、V 、Ir、Mo、W
、Pd、Pt、Mg、Ru、Rh、Cr、及びZrからなる群から選
択される少なくとも一つの金属であり; そして0≦a≦
1; 0.01<b≦1; 0≦c≦0.6; 0≦d≦1であり;
そしてδは不足量、すなわち電荷の不整合を補正するの
に必要な値である]を有するランタニド酸化物セラミッ
ク材料が提供される。好ましくは、Lnは、それぞれ約
0.01 〜50原子%のCe、Pr及びNdであり、aは少なくと
も 0.1であり、そしてc及びdはそれぞれ0よりも大き
い値、より好ましくは少なくとも 0.1である。
較して、これらの他のランタニド元素によってもたらさ
れる特性変化は、他の元素でドーピングすることによっ
て補うことができる。例えば、ペロブスカイトに基づく
ランタンの場合には、そのA-サイトはMg、Ca、Srまたは
Ba等のアルカリ土類元素でドーピングすることができ、
そしてそのB-サイトは、金属元素または遷移元素でドー
ピングすることができる。
来のカソード材料は、ペロブスカイト型ランタンストロ
ンチウムマンガネート (LSM)である。慣用的にはこの材
料は純粋な酸化物、炭酸塩または水酸化物の固体状態反
応によって合成される。他の周知の合成方法は、原料の
元素の純粋な塩の溶液の混合物を用いて開始する。本発
明による材料は、部分的に精製された混合ランタニド粉
末原料を炭酸ストロンチウム及び酸化マンガンと混合し
て、次いで焼成することによって合成してもよい。
精製した混合ランタニド粉末原料を、硝酸等の酸中に溶
解し、次いでストロンチウム及びマンガンの塩溶液を添
加する。この混合塩溶液を熱分解して所望のランタニド
ベース材料を製造することができる。ランタンクロマイ
トを、SOFC中の電流接続部(インタコネクタ; current
interconnection)の材料として使用することは慣用の技
術である。この材料は、ABO3型ペロブスカイト構造を有
し、そしてそのA-格子サイトのLaの一部はMg、Ca、Srま
たはBa等のアルカリ土類金属カチオンにしばしば置き換
えられ、これによって導電性が著しく高められる。ラン
タンストロンチウムクロマイトは、総合的に優れた特性
を有するため、SOFCインタコネクタにとって非常にポピ
ュラーな材料となってきている。
材料は、上記のようにまた以下の実施例にように製造で
きる。
%、更に他のランタニド1%を含む市販のランタンコン
セントレートを65% HNO3 中に溶解する。この溶液を、
以下の化学式 La0.54Ce0.05Pr0.07Nd0.18Sr0.15MnO3 に従う量のSr(NO3)2及びMn(NO3)3の1M溶液と組み合わ
せる。得られる混合塩溶液に、金属カチオンの合計含有
量に基づいて 1:1のモル比でグルコースを添加し、そし
て 600℃の回転炉中で熱分解し、これによって単一相の
複合ペロブスカイト粉末を得る。引き続いて900 ℃で焼
成し次いでボールミルで粉砕した粉末は、慣用のセラミ
ック加工、例えばテープキャスティング、スクリーン印
刷または乾式プレス成形に適している。焼成した粉末の
X線回折スペクトルは、単一相ペロブスカイト材料に特
徴的な線を示す。 実施例2 La2O3 40%、 CeO2 4%、Pr6O11 5.5%及びNd2O3 13.5
%、更に他のランタニド1%を含む市販のランタンコン
セントレートを、以下の化学式 La0.54Ce0.05Pr0.07Nd0.18Sr0.15CrO3 に従う量で Sr(CO3)2 及びCr2O3 と混合する。この粉末
混合物を900 ℃で焼成し次いで噴霧乾燥する。この噴霧
乾燥した粉末を、乾式プレス成形によって成形し、次い
で 1400 ℃と1700℃の間の温度で空気、アルゴンまたは
窒素中で焼結する。焼成した粉末のX線回折スペクトル
は、単一相ペロブスカイト材料に特徴的な線を示す。
Claims (19)
- 【請求項1】 一般式: 【化1】 [式中、 Lnは、Ce、Pr及びNdの組合せであり;M'は、少なくとも
一種のアルカリ土類金属であり;M'' は、Co、Fe、Ni、
Zn、Cu、Mn、Al、V 、Ir、Mo、W 、Pd、Pt、Mg、Ru、R
h、Cr及びZrからなる群から選択される少なくとも一種
の金属であり;そして0≦a≦1; 0.01 <b≦1;
0≦c≦0.6 ; 0≦d≦1;及び-1<δ<+1である]
を有するランタニド酸化物セラミック材料。 - 【請求項2】 材料中の金属M'' の量に基づき計算した
値として、Lnが、約0.01 〜50原子%のCe、約 0.01 〜5
0原子%のPr及び約 0.01 〜50原子%のNdである請求項
1のセラミック材料。 - 【請求項3】 aが少なくとも 0.1である請求項2のセ
ラミック材料。 - 【請求項4】 c及びdがそれぞれ少なくとも 0.1であ
る請求項3のセラミック材料。 - 【請求項5】 M'がSrであり、そしてM'' がCr、Mn、F
e、Co及びこれらの混合物から選択される請求項4のセ
ラミック材料。 - 【請求項6】 式: La0.54Ce0.05Pr0.07Nd0.18Sr0.15MnO3 で表される請求項5のセラミック材料。
- 【請求項7】 式: La0.54Ce0.05Pr0.07Nd0.18Sr0.15CrO3 で表される請求項5のセラミック材料。
- 【請求項8】 M'がSrであり、そしてM'' がCr、Mn、F
e、Co及びこれらの混合物から選択される請求項2のセ
ラミック材料。 - 【請求項9】 c及びdがそれぞれ少なくとも 0.1であ
る請求項2のセラミック材料。 - 【請求項10】 M'がSrであり、そしてM'' がCr、Mn、
Fe、Co及びこれらの混合物から選択される請求項1のセ
ラミック材料。 - 【請求項11】 c及びdが、それぞれ少なくとも 0.1
である請求項1のセラミック材料。 - 【請求項12】 ランタニド元素の源、アルカリ土類金
属の源、及びCo、Fe、Ni、Zn、Cu、Mn、Al、V 、Ir、M
o、W 、Pd、Pt、Mg、Ru、Rh、Cr及びZrからなる群から
選択される金属の源を組合せ、これらの源からセラミッ
ク材料を形成するランタニド酸化物セラミック材料を製
造する方法であって、ランタニド元素の源としてランタ
ンコンセントレートを使用することを特徴とする上記方
法。 - 【請求項13】 ランタニド元素の源が、上記群から選
択される金属を基準にして計算した値として、それぞれ
約 0.01 〜50原子%のCe、Pr及びMnを含む請求項12の方
法。 - 【請求項14】 セラミック材料を有する燃料電池にお
いて、その材料が、請求項1のランタニド酸化物セラミ
ック材料からなることを特徴とする上記燃料電池。 - 【請求項15】 セラミック材料を有する燃料電池にお
いて、その材料が、請求項2のランタニド酸化物セラミ
ック材料からなることを特徴とする上記燃料電池。 - 【請求項16】 セラミック材料を有する燃料電池にお
いて、その材料が、請求項4のランタニド酸化物セラミ
ック材料からなることを特徴とする上記燃料電池。 - 【請求項17】 セラミック材料を有する燃料電池にお
いて、その材料が、請求項5のランタニド酸化物セラミ
ック材料からなることを特徴とする上記燃料電池。 - 【請求項18】 セラミック材料を有する燃料電池にお
いて、その材料が、請求項6のランタニド酸化物セラミ
ック材料からなることを特徴とする上記燃料電池。 - 【請求項19】 セラミック材料を有する燃料電池にお
いて、その材料が、請求項7のランタニド酸化物セラミ
ック材料からなることを特徴とする上記燃料電池。
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