JPH11335164A - Oxide ion conductor and its use - Google Patents

Oxide ion conductor and its use

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JPH11335164A
JPH11335164A JP10237620A JP23762098A JPH11335164A JP H11335164 A JPH11335164 A JP H11335164A JP 10237620 A JP10237620 A JP 10237620A JP 23762098 A JP23762098 A JP 23762098A JP H11335164 A JPH11335164 A JP H11335164A
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oxide
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ion conductor
oxygen
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達己 石原
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祐作 滝田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 安定化ジルコニアより高い酸化物イオン伝導
性を示し、耐熱性が高く、低温でもイオン伝導性が高
く、イオン伝導性の酸素分圧依存性が小さく、かつイオ
ン伝導性と電子伝導性の比率が自由に制御可能な、固体
酸化物型燃料電池の電解質もしくは空気極、酸素センサ
ー等に有用で、酸素分離膜にも使用可能な酸化物イオン
伝導体を提供する。 【解決手段】 一般式:Ln1-x x Ga1-y-z B1y B2z
3 で示される酸化物イオン伝導体 (式中、Ln=La、Ce、
Pr、Nd、Sm;A=Sr、Ca、Ba;B1=Mg、Al、In;B2=C
o、Fe、Ni、Cu;x=0.05〜0.3 ;y=0〜0.29;z=
0.01〜0.3 ;y+z= 0.025〜0.3)。
PROBLEM TO BE SOLVED: To exhibit higher oxide ion conductivity than stabilized zirconia, high heat resistance, high ion conductivity even at low temperatures, small dependence of ion conductivity on oxygen partial pressure, and ion conduction. Provided is an oxide ion conductor which is useful for an electrolyte or an air electrode of a solid oxide fuel cell, an oxygen sensor, and the like, and which can be used also for an oxygen separation membrane, in which a ratio of conductivity and electron conductivity can be freely controlled. SOLUTION: General formula: Ln 1-x A x Ga 1-yz B1 y B2 z O
An oxide ion conductor represented by 3 (where Ln = La, Ce,
Pr, Nd, Sm; A = Sr, Ca, Ba; B1 = Mg, Al, In; B2 = C
o, Fe, Ni, Cu; x = 0.05-0.3; y = 0-0.29; z =
0.01-0.3; y + z = 0.025-0.3).

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ペロブスカイト型
構造をとる希土類ガレート系の新規な酸化物イオン伝導
体に関する。本発明の酸化物イオン伝導体は、酸素分圧
にあまり影響されずに非常に高い酸化物イオン伝導性あ
るいは酸化物イオン混合伝導性を示し、燃料電池の電解
質または空気極、酸素センサー等のガスセンサー、電気
化学式酸素ポンプ等の酸素分離膜、およびガス分離膜等
として有用である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a rare earth gallate-based oxide ion conductor having a perovskite structure. The oxide ion conductor of the present invention exhibits very high oxide ion conductivity or mixed oxide ion conductivity without being greatly affected by the oxygen partial pressure, and is used for fuel cell electrolytes or air electrodes, gas for oxygen sensors and the like. It is useful as a sensor, an oxygen separation membrane for an electrochemical oxygen pump, a gas separation membrane, and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】電子性電気伝導が低く、主に酸化物イオ
ン (O2-) の移動により電気伝導性を示す酸化物イオン
伝導体は、一般にO2-空孔を生ずるように他金属をドー
プした金属酸化物からなり、固体酸化物型 (固体電解質
型) 燃料電池 (SOFC) の電解質、酸素センサー等のガス
センサー、電気化学式酸素ポンプ用酸素分離膜等への応
用が試みられてきた。
2. Description of the Related Art An oxide ion conductor having a low electronic electric conductivity and exhibiting an electric conductivity mainly by movement of an oxide ion (O 2− ) generally contains other metal to generate O 2− vacancies. It has been attempted to be applied to solid oxide type (solid electrolyte type) fuel cell (SOFC) electrolytes, gas sensors such as oxygen sensors, oxygen separation membranes for electrochemical oxygen pumps, etc., which consist of doped metal oxides.

【0003】酸化物イオン伝導体の代表例は、酸化ジル
コニウム(ZrO2)に少量のCaO, MgO,Y2O3, Gd2O3 などの
2価または3価金属酸化物を固溶させた、安定化ジルコ
ニアと呼ばれる立方晶系ホタル石型の固溶体である。安
定化ジルコニアは、耐熱性に優れている上、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化物イオン
伝導性が支配的であって、酸素分圧が低下してもイオン
輸率 (電気伝導性に占める酸化物イオン伝導性の割合)
が低下しにくい。
A typical example of an oxide ion conductor is a solid solution of zirconium oxide (ZrO 2 ) with a small amount of a divalent or trivalent metal oxide such as CaO, MgO, Y 2 O 3 and Gd 2 O 3 . Cubic fluorite-type solid solution called stabilized zirconia. Stabilized zirconia has excellent heat resistance, and oxide ion conductivity is dominant under all oxygen partial pressures from an oxygen atmosphere to a hydrogen atmosphere. (Ratio of oxide ion conductivity to electrical conductivity)
Is not easily reduced.

【0004】そのため、安定化ジルコニアは、ジルコニ
ア (酸素) センサーとして、製鋼をはじめとする種々の
工業プロセスの制御や、自動車エンジンの燃焼 (空燃
比) 制御に広く利用されている。また、開発中の1000℃
前後で作動する固体酸化物型燃料電池 (SOFC) にも電解
質として用いられている。しかし、安定化ジルコニアの
酸化物イオン伝導性は十分には高くなく、特に温度が低
くなると伝導性が不足する。例えば、Y2O3安定化ジルコ
ニアのイオン伝導度は、1000℃では10-1 S/cm である
が、500 ℃では10-4 S/cm に低下するので、使用温度が
最低でも800 ℃以上という高温に制限される。
[0004] Therefore, stabilized zirconia is widely used as a zirconia (oxygen) sensor for controlling various industrial processes such as steelmaking and for controlling combustion (air-fuel ratio) of an automobile engine. 1000 ℃ under development
It is also used as an electrolyte in solid oxide fuel cells (SOFCs) that operate before and after. However, the oxide ion conductivity of the stabilized zirconia is not sufficiently high, and the conductivity becomes insufficient particularly at low temperatures. For example, the ionic conductivity of Y 2 O 3 stabilized zirconia is 10 −1 S / cm at 1000 ° C., but drops to 10 −4 S / cm at 500 ° C., so that the operating temperature is at least 800 ° C. Is limited to high temperatures.

【0005】安定化ジルコニアを凌ぐ非常に高い酸化物
イオン伝導性を示すホタル石型酸化物として、Bi2O3
Y2O3を固溶させたBi2O3 系酸化物がある。この酸化物は
酸化物イオン伝導性は非常に高いものの、融解温度が85
0 ℃弱と低いことから耐熱性が不十分である。その上、
還元性雰囲気に弱く、酸素分圧が下がるとBi3+→Bi2+
変化によりn型の電子性電気伝導が現れ、さらに酸素分
圧が下がって純水素雰囲気に近くなると金属にまで還元
されてしまうので、固体酸化物型燃料電池には使用でき
ない。
As a fluorite-type oxide exhibiting extremely high oxide ion conductivity over stabilized zirconia, Bi 2 O 3
There is a Bi 2 O 3 -based oxide in which Y 2 O 3 is dissolved. This oxide has very high oxide ion conductivity, but has a melting temperature of 85.
Since the temperature is as low as 0 ° C or less, the heat resistance is insufficient. Moreover,
It is weak to reducing atmosphere, and when the oxygen partial pressure drops, Bi 3+ → Bi 2+ changes to show n-type electronic electrical conduction, and when the oxygen partial pressure drops and it approaches a pure hydrogen atmosphere, it is reduced to metal. Therefore, it cannot be used for a solid oxide fuel cell.

【0006】その他のホタル石型酸化物イオン伝導体の
うち、ThO2系酸化物は酸化物イオン伝導性が安定化ジル
コニアよりずっと低い上、低酸素分圧では電子性電気伝
導が支配的になるので、イオン輸率が著しく低下する。
CeO2系酸化物は安定化ジルコニアを凌ぐ酸化物イオン伝
導性を示すものの、酸素分圧が10-12 気圧以下に下がる
とCe4+→Ce3+の変化によりn型の電子性電気伝導が現
れ、やはりイオン輸率が大きく下がる。
[0006] Among other fluorite-type oxide ion conductors, ThO 2 -based oxides have much lower oxide ion conductivity than stabilized zirconia, and electronic conductivity becomes dominant at low oxygen partial pressure. Therefore, the ion transport number is significantly reduced.
Although CeO 2 -based oxides exhibit oxide ion conductivity superior to stabilized zirconia, when the oxygen partial pressure falls below 10 -12 atm, the change in Ce 4+ → Ce 3+ leads to n-type electronic conduction. Appears again, the ion transport number drops significantly.

【0007】ホタル石型以外の結晶構造をとる酸化物イ
オン伝導体として、PbWO4, LaAlO3,CaTiO3 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が低い
上、低酸素分圧下では半導性が現れて電子性電気伝導が
主になり、イオン輸率が低下する。
PbWO 4 , LaAlO 3 , and CaTiO 3 are known as oxide ion conductors having a crystal structure other than the fluorite type, all of which have low oxide ion conductivity and low oxygen content. Under pressure, semiconductivity appears and electronic conduction becomes dominant, lowering the ion transport number.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】上に説明したように、
安定化ジルコニアより酸化物イオン伝導性の高い酸化物
イオン伝導体は知られているものの、耐熱性が不十分で
あったり、低酸素分圧では電子性電気伝導が支配的にな
りイオン輸率が大きく低下するため、固体酸化物型燃料
電池の電解質や酸素センサーといった用途には適してい
なかった。
SUMMARY OF THE INVENTION As explained above,
Oxide ion conductors with higher oxide ion conductivity than stabilized zirconia are known, but their heat resistance is insufficient, and electronic conductivity becomes dominant at low oxygen partial pressures, and the ion transport number increases. Because of the drastic reduction, it was not suitable for applications such as electrolytes of solid oxide fuel cells and oxygen sensors.

【0009】本発明は、安定化ジルコニアより高い酸化
物イオン伝導性を示し、耐熱性が高く、高温はもちろ
ん、温度が低下しても酸化物イオン伝導性が高く、さら
に好ましくは酸素雰囲気から水素雰囲気までのあらゆる
酸素分圧で (即ち、酸素分圧が低くても) イオン輸率の
低下が小さく、酸化物イオン伝導が支配的であるか、又
は混合イオン伝導性を示す酸化物イオン伝導体を提供す
ることを課題とする。
The present invention is intended to exhibit higher oxide ion conductivity than stabilized zirconia, high heat resistance, high oxide ion conductivity at high temperatures as well as at low temperatures, and more preferably from an oxygen atmosphere to hydrogen. Oxide ionic conductors that exhibit low ion transport numbers at any oxygen partial pressure up to the atmosphere (that is, low oxygen partial pressure) and dominant in oxide ion conduction, or exhibit mixed ion conductivity The task is to provide

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決する目的で研究を進める中で、ペロブスカイト型
構造のABO3 (式中、Aは1種もしくは2種以上のラ
ンタノイド系希土類金属、BはGa) で示される希土類ガ
レート系酸化物において、Aサイトの希土類金属の一部
をアルカリ土類金属で、および/またはBサイトのGa原
子の一部をMg、In、Alといった非遷移金属で置換する
と、高い酸化物イオン伝導性を示す材料が得られること
を見出した。中でも、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3で示され
る材料が高い酸化物イオン伝導性を示した。
Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have studied ABO 3 having a perovskite structure (where A represents one or more lanthanoid-based rare earth elements) while conducting research for the purpose of solving the above problems. In the rare earth gallate-based oxide represented by Ga), part of the rare earth metal at the A site is an alkaline earth metal and / or part of the Ga atom at the B site is a non-metal such as Mg, In, or Al. It has been found that substitution with a transition metal results in a material having high oxide ion conductivity. Among them, the material represented by La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 showed high oxide ion conductivity.

【0011】図1に、この化合物の電気伝導性を従来の
酸化物イオン伝導体と比較したグラフを示す。このグラ
フからわかるように、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3は、従来
の代表的な安定化ジルコニアであるY2O3安定化ジルコニ
アや CaO安定化ジルコニアに比べて非常に高い伝導性
(電気伝導性、以下同じ) を示す。Bi2O3 系酸化物はこ
れよりさらに高い伝導性を示すが、上述したように耐熱
性が不十分である上、還元雰囲気に弱いため、酸化物イ
オン伝導体としての実用化は困難である。
FIG. 1 shows a graph comparing the electric conductivity of this compound with that of a conventional oxide ion conductor. As can be seen from this graph, La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 has much higher conductivity than Y 2 O 3 stabilized zirconia and CaO stabilized zirconia, which are typical conventional stabilized zirconia.
(Electric conductivity, the same applies hereinafter). Bi 2 O 3 -based oxides show higher conductivity than this, but as described above, they have insufficient heat resistance and are weak in reducing atmospheres, so practical application as oxide ion conductors is difficult. .

【0012】本発明者らはさらに酸化物イオン伝導性が
高い材料について探究した結果、上記の希土類ガレート
系酸化物のBサイトに少量の特定の遷移金属を含有させ
ると、酸化物イオン伝導性がさらに向上し、低温でも高
い酸化物イオン伝導性を示すことを見出し、本発明に到
達した。
The present inventors have further investigated materials having higher oxide ion conductivity. As a result, when a small amount of a specific transition metal is contained in the B site of the rare earth gallate-based oxide, the oxide ion conductivity becomes higher. The present inventors have further found that they exhibit higher oxide ion conductivity even at low temperatures, and have reached the present invention.

【0013】ここに、本発明は、下記一般式で示される
酸化物イオン伝導体である。 Ln1-x x Ga1-y-z B1y B2z 3 ・・・ 式中、Ln=La、Ce、Pr、Nd、Smの1種もしくは2種以
上;A=Sr、Ca、Baの1種もしくは2種以上;B1=Mg、
Al、Inの1種もしくは2種以上;B2=Co、Fe、Ni、Cuの
1種もしくは2種以上;x=0.05〜0.3 ;y=0〜0.2
9;z=0.01〜0.3 ;y+z= 0.025〜0.3 。
Here, the present invention is an oxide ion conductor represented by the following general formula. Ln 1-x A x Ga 1-yz B1 y B2 z O 3 ... wherein, in the formula, one or more of Ln = La, Ce, Pr, Nd, and Sm; A = 1 of Sr, Ca, and Ba Species or two or more species; B1 = Mg,
One or two or more of Al and In; B2 = one or two or more of Co, Fe, Ni, and Cu; x = 0.05 to 0.3; y = 0 to 0.2
9; z = 0.01-0.3; y + z = 0.025-0.3.

【0014】本発明において、「酸化物イオン伝導体」
とは、実質的な酸化物イオン伝導性を示す電気伝導性材
料を意味する。即ち、電気伝導性の大部分を酸化物イオ
ン伝導性が占める狭義の酸化物イオン伝導体だけでな
く、場合により電子−イオン混合伝導体(または酸化物
イオン混合伝導体)と呼ばれる、電子伝導性と酸化物イ
オン伝導性の両方が大きな割合を占める材料も、本発明
では酸化物イオン伝導性を示す材料として、酸化物イオ
ン伝導体に含める。
In the present invention, "oxide ion conductor"
Means an electrically conductive material that exhibits substantial oxide ion conductivity. That is, not only the oxide ion conductor in the narrow sense where the oxide ion conductivity occupies most of the electric conductivity, but also the electron conductivity sometimes called an electron-ion mixed conductor (or oxide ion mixed conductor). In the present invention, a material having a large ratio of both oxide ion conductivity and oxide ion conductivity is also included in the oxide ion conductor as a material exhibiting oxide ion conductivity.

【0015】電気伝導性の大部分を酸化物イオン伝導性
が占める狭義の酸化物イオン伝導体の場合、イオン輸率
(電気伝導性に占める酸化物イオン伝導性の割合) は好
ましくは0.7 以上であり、より好ましくは0.9 以上であ
る。一方、電子−イオン混合伝導体の場合には、イオン
輸率は好ましくは 0.1〜0.7 、より好ましくは 0.2〜0.
6 である。
In the case of an oxide ion conductor in a narrow sense, where the oxide ion conductivity occupies most of the electric conductivity, the ion transport number
(Ratio of oxide ion conductivity to electric conductivity) is preferably 0.7 or more, and more preferably 0.9 or more. On the other hand, in the case of an electron-ion mixed conductor, the ion transport number is preferably 0.1 to 0.7, more preferably 0.2 to 0.
6

【0016】本発明によればまた、上記の酸化物イオン
伝導体を電解質または空気極に使用した固体酸化物型燃
料電池、この酸化物イオン伝導体からなるガスセンサ
ー、電気化学的酸素ポンプ用酸素分離膜、ならびにガス
濃度差を利用するガス分離膜も提供される。
According to the present invention, there is also provided a solid oxide fuel cell using the above-mentioned oxide ion conductor for an electrolyte or an air electrode, a gas sensor comprising the oxide ion conductor, an oxygen for an electrochemical oxygen pump. Separation membranes as well as gas separation membranes utilizing gas concentration differences are also provided.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】上記式で示される本発明の酸化
物イオン伝導体は、ペロブスカイト型結晶構造を持ち、
ABO3 で示されるペロブスカイト型結晶のAサイトを
上記一般式のLn原子とA原子が占め、そのBサイトを残
りのGa原子、B1原子、およびB2原子が占めている。な
お、B1原子は無くてもよい。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The oxide ion conductor of the present invention represented by the above formula has a perovskite type crystal structure,
The A site of the perovskite crystal represented by ABO 3 is occupied by the Ln atom and the A atom of the above general formula, and the B site is occupied by the remaining Ga, B1 and B2 atoms. Note that the B1 atom may not be present.

【0018】本来は3価金属が占めるA、B両サイトの
一部を2価金属 (例えば、Aサイトを占める上記A原
子、Bサイトを占めるB1のMg) または遷移金属 (Bサイ
トを占めるB2原子) が占めることにより、酸素空孔を生
じ、この酸素空孔により酸化物イオン伝導性が現れる。
従って、酸素原子数はこの酸素空孔の分だけ減少するこ
とになる。
A part of both the A and B sites occupied by a trivalent metal is originally a divalent metal (for example, the above A atom occupying the A site, Mg of B1 occupying the B site) or a transition metal (B2 occupying the B site). Atoms) occupy oxygen vacancies, which cause oxide ion conductivity.
Therefore, the number of oxygen atoms decreases by the amount of the oxygen vacancies.

【0019】即ち、式では酸素原子数が3であるよう
に表示されているが、実際には酸素原子数は3以下であ
る。但し、酸素空孔の数は添加原子 (A、B1、B2) の種
類のみならず、温度、酸素分圧、B2原子の種類・量によ
っても変動するため、正確に表示することは困難であ
る。そのため、本明細書のペロブスカイト型材料を示す
化学式では、酸素原子比の数値を便宜上3として表示す
る。
That is, in the formula, the number of oxygen atoms is indicated as three, but the number of oxygen atoms is actually three or less. However, the number of oxygen vacancies varies not only with the type of the added atoms (A, B1, B2) but also with the temperature, oxygen partial pressure, and the type and amount of B2 atoms, so it is difficult to accurately display the number. . Therefore, in the chemical formula indicating the perovskite-type material in this specification, the value of the oxygen atom ratio is indicated as 3 for convenience.

【0020】上の式において、Lnはランタノイド系希
土類金属であり、Aはアルカリ土類金属であり、B1は非
遷移金属であり、B2は遷移金属である。即ち、本発明の
酸化物イオン伝導体は、ランタノイド・ガレート (LnGa
3)を基本構造とし、これにアルカリ土類金属 (A) 、
非遷移金属 (B1) 、および遷移金属 (B2) の3種類、ま
たはアルカリ土類金属 (A) および遷移金属 (B2) の2
種類の原子をドープした、5元系 (Ln+A+Ga+B1+B
2) または4元系 (Ln+A+Ga+B2) の複合酸化物であ
る。以下、この複合酸化物を5/4元系複合酸化物とい
うことがある。
In the above formula, Ln is a lanthanoid rare earth metal, A is an alkaline earth metal, B1 is a non-transition metal, and B2 is a transition metal. That is, the oxide ion conductor of the present invention is a lanthanoid gallate (LnGa
O 3 ) as a basic structure, which contains an alkaline earth metal (A),
Three types of non-transition metal (B1) and transition metal (B2), or two types of alkaline earth metal (A) and transition metal (B2)
Five-element system (Ln + A + Ga + B1 + B)
2) Or a quaternary (Ln + A + Ga + B2) composite oxide. Hereinafter, this composite oxide may be referred to as a 5/4 ternary composite oxide.

【0021】Ln+A+Ga+B1の4元系複合酸化物 (その
代表例は上記La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3) も、図1に示し
たように、安定化ジルコニアより高い酸化物イオン伝導
性を示す優れた酸化物イオン伝導体である。これを本発
明では対照4元系複合酸化物という。本発明によれば、
この対照4元系複合酸化物のB1原子の一部または全部を
遷移金属 (B2原子) で置換することにより、一般に対照
4元系複合酸化物よりさらに高い酸化物イオン伝導性を
示す酸化物イオン伝導体が得られる。
The quaternary composite oxide of Ln + A + Ga + B1 (the representative example is La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 ) also shows higher oxide ion conductivity than stabilized zirconia, as shown in FIG. It is an excellent oxide ion conductor. This is referred to as a control quaternary composite oxide in the present invention. According to the present invention,
By substituting a part or all of the B1 atom of the control quaternary composite oxide with a transition metal (B2 atom), an oxide ion generally having higher oxide ion conductivity than the control quaternary composite oxide is obtained. A conductor is obtained.

【0022】図2に、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3の対照4
元系複合酸化物のMgの一部を遷移金属 (図2の一般式で
は、Mと表示) で置換して5元系にした本発明の酸化物
イオン伝導体 (LnがLa、AがSr、B1がMg、B2がM原子)
の電気伝導性を示す。
FIG. 2 shows a control 4 of La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 .
The oxide ion conductor of the present invention in which a part of Mg of the ternary composite oxide is replaced with a transition metal (indicated by M in the general formula of FIG. 2) to form a ternary system (Ln is La, A is Sr , B1 is Mg, B2 is M atom)
Shows the electrical conductivity of

【0023】この図からわかるように、B2原子 (図2の
一般式ではM) がCoまたはFeであると、どの温度でも対
照4元系複合酸化物より非常に高い電気伝導性を示す。
特に対照4元系複合酸化物では低温側 (横軸の値が1.1
以上、約630 ℃以下) で伝導性の低下が大きいため、低
温側ではCoまたはFeの含有による伝導性の向上が大きく
なる。B2原 (M) 子がNiの場合には、横軸が約0.9 以上
(温度約840 ℃以下)において伝導性が対照4元系複合
酸化物の伝導性を超えるようになる。B2原子がCuの場合
には、横軸が約1.1 以上 (温度約630 ℃以下) において
伝導性が対照4元系複合酸化物の伝導性を超えるように
なり、注目すべきことに、これより温度が下がっても伝
導性が低下せず、ほぼ一定であるため、横軸が1.3 以上
(温度約500 ℃以下) では図中で最も高い伝導性を示す
ようになる。
As can be seen from the figure, when the B2 atom (M in the general formula of FIG. 2) is Co or Fe, it exhibits much higher electrical conductivity than the control quaternary composite oxide at any temperature.
In particular, in the control quaternary composite oxide, the low temperature side (the value on the horizontal axis is
(At about 630 ° C. or less), the conductivity is greatly reduced, and therefore, the improvement in conductivity due to the inclusion of Co or Fe is large on the low temperature side. When the B2 element (M) is Ni, the horizontal axis is about 0.9 or more
(At a temperature of about 840 ° C. or lower), the conductivity exceeds the conductivity of the control quaternary composite oxide. When the B2 atom is Cu, the conductivity exceeds that of the control quaternary composite oxide when the abscissa is about 1.1 or more (temperature is about 630 ° C or less). Since the conductivity does not decrease even when the temperature decreases and is almost constant, the horizontal axis is 1.3 or more.
(Temperature below about 500 ° C) shows the highest conductivity in the figure.

【0024】従って、B2原子がNiやCuの場合には、比較
的低温側で酸化物イオン伝導体として使用することが好
ましい。但し、図2において比較の対象とした対照4元
系複合酸化物 (La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3) は、図1に示
したように、横軸が1.0 を超える高温側でも安定化ジル
コニアより非常に高い伝導性を示すので、B2原子がNiや
Cuの場合の場合でも、安定化ジルコニアに比べれば、低
温側のみならず、高温側でも伝導性は十分に高いといえ
る。
Therefore, when the B2 atom is Ni or Cu, it is preferable to use it as an oxide ion conductor at a relatively low temperature. However, as shown in FIG. 1, the control quaternary composite oxide (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 ) which was compared in FIG. 2 was stabilized even at the high temperature side where the horizontal axis exceeded 1.0. Since it has much higher conductivity than zirconia, B2 atoms
Even in the case of Cu, the conductivity is sufficiently high not only at the low temperature side but also at the high temperature side as compared with stabilized zirconia.

【0025】これに対し、B2原子の遷移金属がMnである
と、横軸が1.1 以下の高温側では対照4元系複合酸化物
より伝導性が低く、横軸が1.1 以上の低温側でも対照4
元系複合酸化物と伝導性が同程度であって、Mgの一部を
遷移金属で置換することによる伝導性の向上がどの温度
でも実質的に得られない。従って、遷移金属のB2原子と
しては、対照4元系複合酸化物に比べた伝導性の向上が
少なくとも一部の温度で得られる、Co、Fe、Ni、Cuから
選んだ1種もしくは2種以上とする。
On the other hand, when the transition metal of the B2 atom is Mn, the conductivity is lower than that of the control quaternary composite oxide on the high-temperature side where the abscissa is 1.1 or less, and the control is low even on the low-temperature side where the abscissa is 1.1 or more. 4
The conductivity is similar to that of the base composite oxide, and the improvement of conductivity by substituting a part of Mg with a transition metal cannot be substantially obtained at any temperature. Therefore, as the B2 atom of the transition metal, one or more selected from Co, Fe, Ni, and Cu can be obtained at least at a part of the temperature in which the conductivity is improved compared to the control quaternary composite oxide. And

【0026】各サイトにおけるドープ原子、即ち、Aサ
イトにおけるA原子の原子比 (x)、またはBサイトに
おけるB1原子+B2原子の合計原子比 (y+z) が上記の
範囲外になると、本発明の5/4元系複合酸化物の電気
伝導性あるいはイオン輸率が低下する。
If the doping atom at each site, that is, the atomic ratio (x) of the A atom at the A site or the total atomic ratio (y + z) of the B1 atom + B2 atom at the B site is out of the above range, the value of 5 of the present invention is obtained. The electrical conductivity or ionic transport number of the quaternary composite oxide decreases.

【0027】図3は、A原子 (Sr) の割合を変化させた
場合の伝導性を示し、A原子の原子比 (x) が0.05〜0.
3(=Ln原子の原子比が 0.7〜0.95) の範囲を外れると、
伝導性が低下することがわかる。
FIG. 3 shows the conductivity when the ratio of A atoms (Sr) is changed. The atomic ratio (x) of A atoms is 0.05-0.
3 (= Ln atom ratio is 0.7 ~ 0.95)
It can be seen that the conductivity is reduced.

【0028】図4(a) は、B1原子+B2原子の合計原子比
(y+z、但しy:z=11.5:8.5)を変化させた場合の
伝導性を示す。この合計値が大きくなるにつれて伝導性
が増大する。しかし、図4(b) に示すようにy+zの値
が増加するとイオン輸率の低下が認められ、0.3(=Gaの
原子比が 0.7) を越えるとイオン輸率が0.7 を下回るよ
うになる。
FIG. 4A shows the total atomic ratio of B1 atom + B2 atom.
It shows the conductivity when (y + z, y: z = 11.5: 8.5) is changed. The conductivity increases as this sum increases. However, as shown in FIG. 4 (b), when the value of y + z increases, the ion transport number decreases. When the value exceeds 0.3 (= atomic ratio of Ga is 0.7), the ion transport number falls below 0.7.

【0029】Bサイトの2種類のドープ原子のうちB2原
子については、図5に示すように、B2原子(Co)の原子比
であるz値が増大するほど、電気伝導性は高くなる。こ
れは、B2原子が遷移金属であり、原子価の変動によりn
型またはp型の電子性電気伝導を発現し易いため、この
原子が多くなるほど電子性電気伝導が増大して、電気伝
導性が高くなるためである。それに伴って、酸化物イオ
ン伝導性の割合 (イオン輸率) が低下する。
As for the B2 atom among the two types of doped atoms at the B site, as shown in FIG. 5, the electrical conductivity increases as the z value, which is the atomic ratio of the B2 atom (Co), increases. This is because the B2 atom is a transition metal and n
This is because the type or p-type electronic conductivity is easily developed, and as the number of atoms increases, the electronic conductivity increases and the electrical conductivity increases. Accordingly, the ratio of oxide ion conductivity (ion transport number) decreases.

【0030】図5からわかるように、z値が0.15以下の
5元系複合酸化物であれば、イオン輸率が0.7 以上とな
り、特にz値が0.10以下であるとイオン輸率は0.9 以上
と高く、前述した狭義の酸化物イオン伝導体として機能
する。但し、この場合はBサイトに非遷移金属であるB1
原子がある程度含まれていないと、電子性電気伝導の寄
与の割合を0.3 以下に維持できない。このような材料
は、後述するように、固体酸化物型燃料電池の電解質、
ガスセンサー、電気化学的酸素ポンプ用酸素分離膜など
として有用である。
As can be seen from FIG. 5, in the case of a quinary composite oxide having a z value of 0.15 or less, the ion transport number becomes 0.7 or more, and particularly when the z value is 0.10 or less, the ion transport number becomes 0.9 or more. It functions as an oxide ion conductor in a narrow sense as described above. However, in this case, the non-transition metal B1
Without a certain amount of atoms, the contribution of electronic conduction cannot be kept below 0.3. Such a material is used as an electrolyte for a solid oxide fuel cell,
It is useful as a gas sensor, an oxygen separation membrane for an electrochemical oxygen pump, and the like.

【0031】一方、z値が0.15を超えると、イオン輸率
が0.7 以下に下がって、電子−イオン混合伝導体として
機能するようになる。前述したように、このような材料
も本発明では酸化物イオン伝導体の中に含める。注目す
べきことに、z値が0.2(即ち、y値=0) 、つまりMg
(B1原子) が完全にCo (B2原子) で置換された4元系の
複合酸化物でも、イオン輸率は約0.3 にとどまり、なお
電子−イオン混合伝導体(即ち、酸化物イオン混合伝導
体) として十分に機能し、前述したように伝導性は最も
高くなる。このような混合伝導体は、後述するように、
固体酸化物型燃料電池の空気極またはガス分離膜に有用
である。
On the other hand, when the z value exceeds 0.15, the ion transport number drops to 0.7 or less, and the compound functions as an electron-ion mixed conductor. As described above, such a material is included in the oxide ion conductor in the present invention. Note that the z value is 0.2 (ie, y value = 0), ie, Mg
Even in a quaternary composite oxide in which (B1 atom) is completely replaced by Co (B2 atom), the ion transport number is only about 0.3, and the mixed electron-ion conductor (i.e., oxide-ion mixed conductor) ), And has the highest conductivity as described above. Such a mixed conductor, as described below,
It is useful for an air electrode or a gas separation membrane of a solid oxide fuel cell.

【0032】上記式において好ましい組成は次の通り
である。Ln=La、Ndまたはこれらの混合物、特にLa、A
=Sr、B1=Mg、B2=Co、x=0.10〜0.25、特に0.17〜0.
22、y=0〜0.17、特に0.09〜0.13、y+z=0.10〜0.
25、特に0.15〜0.20。
The preferred composition in the above formula is as follows. Ln = La, Nd or mixtures thereof, especially La, A
= Sr, B1 = Mg, B2 = Co, x = 0.10-0.25, especially 0.17-0.
22, y = 0-0.17, especially 0.09-0.13, y + z = 0.10-0.
25, especially 0.15 to 0.20.

【0033】z値は、高い酸化物イオン伝導性 (イオン
輸率が0.7 以上、好ましくは0.9 以上) を持つ狭義の意
味での酸化物イオン伝導体として機能させる場合、z=
0.02〜0.15、特に0.07〜0.10であることが好ましい。一
方、電子−イオン混合伝導体として機能させたい場合に
は、z値は0.15<z≦0.3 であり、好ましくは0.15<z
≦0.25である。
The z value is such that when the oxide functions as an oxide ion conductor in a narrow sense having high oxide ion conductivity (ion transport number is 0.7 or more, preferably 0.9 or more), z =
It is preferably 0.02 to 0.15, particularly preferably 0.07 to 0.10. On the other hand, when it is desired to function as an electron-ion mixed conductor, the z value is 0.15 <z ≦ 0.3, preferably 0.15 <z
≦ 0.25.

【0034】本発明の1好適態様にあっては、Ln=La、
A=Sr、B1=Mg、B2=Fe、x= 0.1〜0.3 、y= 0.025
〜0.29、z=0.01〜0.15、y+z= 0.035〜0.3 であ
る。即ち、この酸化物イオン伝導体は、次の式で示さ
れる。
In a preferred embodiment of the present invention, Ln = La,
A = Sr, B1 = Mg, B2 = Fe, x = 0.1-0.3, y = 0.025
0.20.29, z = 0.01〜0.15, y + z = 0.035〜0.3. That is, this oxide ion conductor is represented by the following equation.

【0035】 La1-x Sr x Ga1-y-z Mg y Fe z3 ・・・ 式中、x= 0.1〜0.3 ;y= 0.025〜0.29;z=0.01〜
0.15;y+z= 0.035〜0.3 。
La 1-x Sr x Ga 1 -yz Mg y Fe z O 3 ... where x = 0.1 to 0.3; y = 0.025 to 0.29; z = 0.01 to
0.15; y + z = 0.035-0.3.

【0036】式で示される酸化物イオン伝導体は、酸
素分圧にほとんど依存せずに高い電気伝導性を示す。こ
の電気伝導性には、高酸素分圧下でわずかにP型半導性
が寄与するもの、1〜10-21 atm の広い酸素分圧 (即
ち、還元性雰囲気から酸化性雰囲気に及ぶ酸素分圧)
で、酸化物イオン伝導性が支配的であり、かつ電気伝導
性のイオン輸率が0.9 以上と高い。このように酸素分圧
に関係なく高いイオン輸率を示し、同時に電気伝導性も
高いことから、本発明の酸化物イオン伝導体の電気伝導
性の向上は、主に酸化物イオン伝導性の向上によるもの
と考えられる。
The oxide ion conductor represented by the formula shows high electrical conductivity almost independent of the oxygen partial pressure. This electrical conductivity has a slight P-type semiconductivity under a high oxygen partial pressure, and a wide oxygen partial pressure of 1 to 10 -21 atm (that is, an oxygen partial pressure ranging from a reducing atmosphere to an oxidizing atmosphere). )
The oxide ion conductivity is dominant, and the ion transport number of electric conductivity is as high as 0.9 or more. As described above, the oxide ion conductor of the present invention has a high ion transport number regardless of the oxygen partial pressure, and at the same time has a high electric conductivity. It is thought to be due to.

【0037】図6に、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3で示され
る対照4元系複合酸化物のMgの一部をFeで置換した5元
系複合酸化物 (即ち、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2-zFez O3)
の電気伝導性 (950 ℃、酸素分圧=10-5 atm) を示す。
この図からわかるように、z=0の対照4元系複合酸化
物に比べて、Mgの一部をFeで置換すると一般に電気伝導
性が高くなり、電気伝導性はz=0.01〜0.05の範囲で特
に高く、z=0.03付近で最高値に達することがわかる。
FIG. 6 shows a quaternary composite oxide in which part of Mg of the control quaternary composite oxide represented by La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 was substituted with Fe (ie, La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2-z Fe z O 3 )
Shows the electrical conductivity (950 ° C, oxygen partial pressure = 10-5 atm).
As can be seen from this figure, when a part of Mg is replaced with Fe, the electric conductivity generally increases as compared with the control quaternary composite oxide of z = 0, and the electric conductivity is in the range of z = 0.01 to 0.05. , And reaches a maximum value near z = 0.03.

【0038】図7(a) は、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2-zFez
O3 (z=0.03、0.05、0.1 、0.15)で示される式で示
される5元系複合酸化物と、z=0の4元系複合酸化物
の電気伝導性の温度変化 (アレニウスプロット) を、図
7(b) は式でz=0.03の5元系複合酸化物と関連化合
物の電気伝導性の酸素分圧依存性をそれぞれ示す。この
図からわかるように、この5元系複合酸化物は広い温度
および酸素分圧の範囲で高い電気伝導性を示し、かつ電
気伝導度が酸素分圧依存性をほとんど示さないことから
0.9 以上の高いイオン輸率を示すことがわかる。
FIG. 7A shows that La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2-z Fe z
The temperature change (Arrhenius plot) of the electric conductivity of the quaternary composite oxide represented by the formula represented by O 3 (z = 0.03, 0.05, 0.1, 0.15) and the quaternary composite oxide of z = 0 is shown. FIG. 7 (b) shows the oxygen partial pressure dependence of the electrical conductivity of the quinary composite oxide having z = 0.03 and the related compound in the formula. As can be seen from this figure, the quinary composite oxide shows high electrical conductivity over a wide range of temperature and oxygen partial pressure, and the electrical conductivity shows almost no oxygen partial pressure dependence.
It can be seen that a high ion transport number of 0.9 or more is shown.

【0039】従って、この5元系複合酸化物は、固体酸
化物型燃料電池の電解質、ガスセンサー、電気化学的酸
素ポンプ用酸素分離膜などとして有用である。酸化物イ
オン伝導性が安定化ジルコニアより高く、かつ温度や酸
素分圧による変化が小さいため、安定化ジルコニアより
性能の優れた製品を与えることができよう。
Therefore, the quinary composite oxide is useful as an electrolyte for a solid oxide fuel cell, a gas sensor, an oxygen separation membrane for an electrochemical oxygen pump, and the like. Since the oxide ion conductivity is higher than that of stabilized zirconia and the change due to temperature and oxygen partial pressure is small, a product having better performance than stabilized zirconia may be provided.

【0040】上記式において好ましい組成は次の通り
である。x=0.15〜0.25、特に0.17〜0.22、y=0.09〜
0.24、特に0.10〜0.20、z=0.01〜0.05、特に約0.03、
y+z=0.10〜0.25、特に0.15〜0.22。
The preferred composition in the above formula is as follows. x = 0.15 to 0.25, especially 0.17 to 0.22, y = 0.09 to
0.24, especially 0.10-0.20, z = 0.01-0.05, especially about 0.03,
y + z = 0.10-0.25, especially 0.15-0.22.

【0041】本発明の酸化物イオン伝導体は、成分元素
の各酸化物の粉末を所定の配合割合でよく混合した混合
物を適宜手段で成形し、焼成して焼結させることにより
製造することができる。原料粉末としては、酸化物以外
に、焼成中に熱分解して酸化物になる前駆物質 (例、炭
酸塩、カルボン酸等) も使用できる。焼結のための焼成
温度は1200℃以上、好ましくは1300℃以上であり、焼成
時間は数時間ないし数十時間である。焼成時間を短縮す
るため、原料混合物を焼結温度より低温で予備焼成して
もよい。この予備焼成は、例えば、 500〜1300℃で1〜
10時間程度加熱することにより実施できる。予備焼成し
た混合物を、必要であれば粉砕した後、成形し、最終的
に焼結させる。成形は、一軸圧縮成形、静水圧プレス、
押出し成形、テープキャスト成形などの適宜の粉体成形
手段を採用できる。予備焼成も含めて焼成雰囲気は、空
気等の酸化性雰囲気か不活性ガス雰囲気が好ましい。
The oxide ion conductor of the present invention can be manufactured by molding a mixture obtained by mixing powders of the oxides of the component elements in a predetermined mixing ratio by appropriate means, firing and sintering. it can. As the raw material powder, in addition to the oxide, a precursor (eg, carbonate, carboxylic acid, etc.) that is thermally decomposed during firing to become an oxide can also be used. The firing temperature for sintering is 1200 ° C. or higher, preferably 1300 ° C. or higher, and the firing time is several hours to tens of hours. In order to shorten the firing time, the raw material mixture may be pre-fired at a temperature lower than the sintering temperature. This preliminary firing is performed, for example, at 500 to 1300 ° C. for 1 to 1.
It can be carried out by heating for about 10 hours. The prefired mixture is ground, if necessary, then shaped and finally sintered. Molding is uniaxial compression molding, hydrostatic pressing,
Appropriate powder molding means such as extrusion molding and tape cast molding can be employed. The sintering atmosphere including the pre-sintering is preferably an oxidizing atmosphere such as air or an inert gas atmosphere.

【0042】本発明の酸化物イオン伝導体のうち、y値
が0.025 以上で、かつz値が0.15以下の5元系のもの
は、電気伝導性において酸化物イオン伝導性が支配的
(即ち、イオン輸率が0.7 以上) であり、上記の狭義の
酸化物イオン伝導体となる。この材料は、従来は安定化
ジルコニアが使用されてきた各種の酸化物イオン伝導体
の用途 (例、SOFCの電解質、ガスセンサー) に利用でき
る。本発明のこの種の酸化物イオン伝導体は、酸化物イ
オン伝導性が安定化ジルコニアより高く、低温でも作動
可能であることから、安定化ジルコニアより性能の優れ
た製品を与えるものと期待される。
Among the oxide ion conductors of the present invention, those having a quinary system having a y value of 0.025 or more and a z value of 0.15 or less are dominated by the oxide ion conductivity in electrical conductivity.
(That is, the ion transport number is 0.7 or more), and the oxide ion conductor in the narrow sense described above is obtained. This material can be used for various oxide ion conductor applications where stabilized zirconia has been used conventionally (eg, SOFC electrolytes, gas sensors). This type of oxide ion conductor of the present invention has higher oxide ion conductivity than stabilized zirconia and can be operated at a low temperature, so that it is expected to provide a product having better performance than stabilized zirconia. .

【0043】YSZ のような酸化物イオン伝導体の応用分
野は広範囲に及んでいるが、重要な用途の1つが固体酸
化物型 (固体電解質型) 燃料電池 (SOFC) の電解質であ
る。現時点で最も開発が進んでいるSOFCは、Y2O3安定化
ジルコニア(YSZ) の薄膜を電解質とし、空気極 (カソー
ド) には電子性電気伝導を示すペロブスカイト型材料
(例、Sr含有LaMnO3) 、燃料極 (アノード) にはNi等の
金属またはNi-YSZなどのサーメットを用いた電池構成を
とる。YSZ の伝導性が低温では低いことと、1000℃付近
では排ガスの熱を利用したタービン発電機の運転を行う
コジェネレーションによる発電効率の増大が可能となる
ことから、YSZ を電解質とするSOFCは1000℃前後の高温
で作動させるように設計されている。
Although the field of application of oxide ion conductors such as YSZ is wide-ranging, one of the important applications is the electrolyte in solid oxide (solid electrolyte) fuel cells (SOFC). SOFC has progressed most developed at present, Y 2 O 3 thin films of stabilized zirconia (YSZ) as the electrolyte, a perovskite-type material to the air electrode (cathode) is indicating an electrophilic electrical conductivity
(Example: Sr-containing LaMnO 3 ), and a fuel electrode (anode) using a metal such as Ni or a cermet such as Ni-YSZ. Since the conductivity of YSZ is low at low temperatures and the power generation efficiency can be increased by operating a turbine generator using the heat of exhaust gas at around 1000 ° C, SOFC using YSZ as electrolyte Designed to operate at high temperatures around ℃.

【0044】SOFCは電解質の抵抗損による電圧降下が大
きく、薄膜ほど高出力が得られる。そのため、電解質の
YSZ は30〜50μm程度の薄膜で使用されている。しか
し、それでもなおYSZ の酸化物イオン伝導度が小さいた
め、実用上十分な性能を得るために約1000℃に加熱する
必要がある。膜厚30μm厚の薄膜YSZ で作動温度1000℃
における実用的な出力密度は、0.35 W/cm2程度と報告さ
れている。これより電池の出力を高くするか、作動温度
を低くするために、数μmないし10μm程度という薄さ
のYSZ 薄膜を使用した実験例が報告されているが、この
ような薄膜では電解質に求められるガス不透過性が不確
実となり、信頼性の面で望ましくない。
The SOFC has a large voltage drop due to the resistance loss of the electrolyte, and the thinner the film, the higher the output. Therefore, the electrolyte
YSZ is used as a thin film of about 30 to 50 μm. However, the oxide ion conductivity of YSZ is still small, so that it is necessary to heat it to about 1000 ° C. in order to obtain practically sufficient performance. Operating temperature 1000 ℃ with thin film YSZ with thickness of 30μm
Is reported to be about 0.35 W / cm 2 . In order to increase the output of the battery or lower the operating temperature, there have been reports of experimental examples using YSZ thin films as thin as several μm to 10 μm, but such thin films are required for electrolytes. The gas impermeability becomes uncertain, which is undesirable in terms of reliability.

【0045】本発明の5元系ペロブスカイト型酸化物か
らなる狭義の酸化物イオン伝導体は、YSZ より酸化物イ
オン伝導性が非常に高いものを得ることができるので、
例えば厚さ0.5 mm (=500 μm) という焼結法で製造可
能な厚膜の電解質を用いてSOFCを構成した場合でも、上
記のYSZ 薄膜より高い出力を得ることができる。この場
合の最大出力密度は、B2原子の種類や原子比によっても
異なるが、30μm厚のYSZ 薄膜を用いたSOFCと比べて、
作動温度1000℃でもこれを凌ぎ、作動温度800℃では数
倍 (例、3倍またはそれ以上) も大きくなる。或いは、
厚さ約200 μmの膜で用いれば、600 ℃ないし700 ℃と
いう低温において、30μm厚のYSZ 膜が1000℃で発揮す
るのと同等の出力密度を得ることができる。
The oxide ion conductor in the narrow sense of the present invention composed of a quinary perovskite oxide can have an oxide ion conductivity much higher than that of YSZ.
For example, even when an SOFC is formed using a thick-film electrolyte that can be manufactured by a sintering method with a thickness of 0.5 mm (= 500 μm), a higher output than the YSZ thin film can be obtained. The maximum power density in this case depends on the type and atomic ratio of B2 atoms, but compared to SOFC using YSZ thin film with a thickness of 30 μm,
At an operating temperature of 1000 ° C, it exceeds this, and at an operating temperature of 800 ° C, it is several times larger (eg, three times or more). Or,
When used with a film having a thickness of about 200 μm, an output density equivalent to that exhibited by a YSZ film having a thickness of 30 μm at 1000 ° C. can be obtained at a low temperature of 600 ° C. to 700 ° C.

【0046】本発明の酸化物イオン伝導体をSOFCの電解
質に用いる場合、使用する具体的な材料は、作動温度に
応じて選択すればよい。例えば、コジェネレーションと
して排ガスによるタービン発電を同時に行う場合には、
1000℃前後の高い作動温度が必要であるので、このよう
な高温で高い酸化物イオン伝導性を示す、B2原子がCoま
たFe、特にCoである5元系複合酸化物を電解質に使用す
ることが好ましい。一方、作動温度が800 ℃程度であれ
ば上記以外にB2原子がNiであるものも使用でき、さらに
作動温度が600 ℃以下であればB2原子がCuであるものも
使用できる。
When the oxide ion conductor of the present invention is used for an electrolyte of a SOFC, the specific material to be used may be selected according to the operating temperature. For example, when performing turbine generation using exhaust gas at the same time as cogeneration,
Since a high operating temperature of around 1000 ° C is required, use of a quinary composite oxide in which the B2 atom is Co or Fe, especially Co, which exhibits high oxide ion conductivity at such a high temperature, is used for the electrolyte. Is preferred. On the other hand, if the operating temperature is about 800 ° C., those having B2 atoms of Ni can also be used, and if the operating temperature is 600 ° C. or lower, those having B2 atoms of Cu can be used.

【0047】作動温度が例えば 600〜700 ℃と低くて
も、水蒸気または他の排ガスによる発電を同時に行う
か、或いは熱源としてのエネルギー有効利用を同時に達
成することで、SOFCの発電効率はそれほど低下しない。
このように作動温度が低くなると、SOFCの構造材料にス
テンレス鋼等の鉄鋼材料を使用でき、作動温度が1000℃
前後の場合のNi−Cr合金やセラミックといった材料に比
べて材料費が著しく低減するという利点もある。従来の
YSZ では、このような低温で作動させるSOFCを構築する
ことはできなかったが、本発明によればこのような低温
作動型から高温作動型まで、使用環境に合わせて多様な
SOFCを構築することが可能となる。
Even if the operating temperature is as low as 600 to 700 ° C., the power generation efficiency of the SOFC does not decrease so much by simultaneously generating power using steam or other exhaust gas or simultaneously achieving effective use of energy as a heat source. .
When the operating temperature is lowered in this way, a steel material such as stainless steel can be used for the structural material of the SOFC, and the operating temperature is 1000 ° C.
There is also an advantage that material costs are significantly reduced as compared with materials such as Ni-Cr alloys and ceramics before and after. Traditional
With YSZ, it was not possible to construct a SOFC that operates at such low temperatures, but according to the present invention, from such a low-temperature operation type to a high-temperature operation type, a variety of
SOFC can be built.

【0048】特に上記式で示される5元系複合酸化物
からなる酸化物イオン伝導体は、高い酸化物イオン伝導
性を示す温度範囲が広いため、 600〜700 ℃という比較
的低い作動温度から1000℃前後の高い作動温度のいずれ
の温度においてもSOFCの電解質として十分に機能する。
従って、電解質としてこの酸化物イオン伝導体を選択し
た場合には、この材料だけで低温作動型から高温作動型
までの多様なSOFCを構築することができる。
In particular, the oxide ion conductor composed of the quinary composite oxide represented by the above formula has a wide temperature range exhibiting high oxide ion conductivity, and thus has a relatively low operating temperature of 600 to 700 ° C. to 1000 ° C. It works well as an SOFC electrolyte at any of the high operating temperatures around ℃.
Therefore, when this oxide ion conductor is selected as the electrolyte, various SOFCs from a low-temperature operation type to a high-temperature operation type can be constructed using only this material.

【0049】前述したように、本発明の5元系複合酸化
物は、YSZ に比べて酸化物イオン伝導性が非常に高いた
め、電解質を厚くして、例えば0.5 mm程度の焼結体から
製造することが可能となるため、機械的強度、寿命が大
幅に向上し、しかもYSZ を電解質とする場合より最大出
力密度の高いSOFCを製造することができる。
As described above, since the quinary composite oxide of the present invention has a very high oxide ion conductivity as compared with YSZ, the electrolyte is made thicker and manufactured from a sintered body of about 0.5 mm, for example. Therefore, the mechanical strength and life can be greatly improved, and a SOFC having a higher maximum output density than when YSZ is used as the electrolyte can be manufactured.

【0050】本発明の5元系の酸化物イオン伝導体を電
解質とするSOFCの電極は特に制限されず、従来のSOFCに
利用されている電極材料を使用できる。例えば、空気極
をSm0.5-0.7Sr0.3-0.5CoO3から、燃料極をNi金属から構
成できる。この電池構成をとると、特に低温での出力が
増大し、800 ℃でも1.5 W/cm2 を超える高い最大出力密
度が得られ、さらには600 ℃でも比較的高い出力密度が
得られるので、600 ℃またはそれ以下という従来は不可
能であった低温作動が可能な固体酸化物型燃料電池が作
製可能となるものと期待される。燃料極は、電極過電圧
を低減させるため、Ni−CeO2等のサーメットでもよい。
特に好ましい空気極と燃料極については後述する。
The electrode of the SOFC using the quinary oxide ion conductor of the present invention as an electrolyte is not particularly limited, and an electrode material used in a conventional SOFC can be used. For example, the air electrode can be composed of Sm 0.5-0.7 Sr 0.3-0.5 CoO 3 and the fuel electrode can be composed of Ni metal. Taking this cell configuration, especially increases the output at low temperature, obtain a high maximum power density of greater than 800 ° C. even 1.5 W / cm 2, so further obtained a relatively high power density even 600 ° C., 600 It is expected that a solid oxide fuel cell capable of operating at a low temperature of not more than ℃ or less, which was not possible conventionally, can be manufactured. The fuel electrode may be a cermet such as Ni—CeO 2 to reduce electrode overvoltage.
Particularly preferred air electrodes and fuel electrodes will be described later.

【0051】YSZ の現時点で最も大きな用途は酸素セン
サーであり、自動車の空燃比制御に大量に使用されてい
るほか、製鋼等の工業プロセスの制御にも利用されてい
る。この酸素センサーは固体電解質酸素センサーと呼ば
れ、酸素濃淡電池の原理により酸度濃度を測定するもの
である。即ち、酸化物イオン伝導体からなる材料の両端
に酸素ガス分圧の差があると、材料内部に酸化物イオン
が拡散して酸素濃淡電池を構成するため、両端に電極を
つけて起電力を測定することにより酸素分圧を測定する
ことが可能となる。固体電解質酸素センサーは、酸素ガ
ス以外にSOx ,NOx といった酸素含有ガスのセンサーと
しても利用できる。
The largest application of YSZ at present is an oxygen sensor, which is used in a large amount for controlling the air-fuel ratio of an automobile and also for controlling industrial processes such as steel making. This oxygen sensor is called a solid electrolyte oxygen sensor, and measures the acidity concentration based on the principle of an oxygen concentration cell. That is, if there is a difference in oxygen gas partial pressure between both ends of the material made of the oxide ion conductor, oxide ions diffuse inside the material to form an oxygen concentration cell, so that electrodes are attached to both ends to generate electromotive force. By measuring, the oxygen partial pressure can be measured. The solid electrolyte oxygen sensor can also be used as a sensor for oxygen-containing gases such as SO x and NO x in addition to oxygen gas.

【0052】YSZ からなる酸素センサーは、比較的安価
ではあるが、低温では酸化物イオン伝導性が低下するた
め、600 ℃以上の高温でしかセンサーを使用できず、用
途が制限されていた。これに対し、酸化物イオン伝導性
が支配的な本発明の5元系の酸化物イオン伝導体 (y≧
0.025 、z≦0.15、上記式で示されるものも含む)
は、YSZ より高い酸化物イオン伝導性を示すので、ガス
センサー、特に酸素センサーとして有用であり、低温で
も酸化物イオン伝導性が高いことから600 ℃以下でも十
分に使用可能なガスセンサーとなる。
Although the oxygen sensor made of YSZ is relatively inexpensive, the oxide ion conductivity decreases at low temperatures, so that the sensor can be used only at a high temperature of 600 ° C. or more, and its use has been limited. In contrast, the quinary oxide ion conductor of the present invention in which oxide ion conductivity is dominant (y ≧
0.025, z ≦ 0.15, including those represented by the above formula)
Has a higher oxide ion conductivity than YSZ, so it is useful as a gas sensor, especially an oxygen sensor, and because of its high oxide ion conductivity even at low temperatures, it can be used satisfactorily even at 600 ° C. or lower.

【0053】酸化物イオン伝導性が支配的である本発明
の5元系の酸化物イオン伝導体 (y≧0.025 、z≦0.1
5、上記式で示されるものも含む) は、電気化学的酸
素ポンプ用酸素分離膜としても使用できる。酸化物イオ
ン伝導体からなる分離膜の両側に電位差を与えると、内
部を酸化物イオンが移動して電流が流れ、酸素が片側の
面から反対側の面に1方向に流れるようになる。これが
酸素ポンプである。例えば、空気を流すと、反対側の面
から酸素が富化された空気が得られるので、酸素分離膜
として利用されている。
The quinary oxide ion conductor of the present invention in which oxide ion conductivity is dominant (y ≧ 0.025, z ≦ 0.1
5, including those represented by the above formulas) can also be used as an oxygen separation membrane for an electrochemical oxygen pump. When a potential difference is applied to both sides of the separation membrane made of the oxide ion conductor, oxide ions move inside and a current flows, and oxygen flows in one direction from one surface to the other surface. This is an oxygen pump. For example, when air is flowed, oxygen-enriched air is obtained from the opposite surface, and is used as an oxygen separation membrane.

【0054】このような酸素分離膜は、例えば軍事用航
空機やヘリコプターなどで、周囲の希薄空気から酸素富
化空気を作るのに利用されている。医療用酸素ボンベの
代替品としても応用可能性があると考えられる。
Such an oxygen separation membrane is used, for example, in military aircraft and helicopters to produce oxygen-enriched air from surrounding lean air. It is considered that it may be applied as a substitute for medical oxygen cylinders.

【0055】また、電子−イオン混合伝導性 (即ち、イ
オン輸率が0.7 以下) を示す本発明の5/4元系ペロブ
スカイト型酸化物イオン伝導体 (z>0.15) は、酸素に
電子付与するイオン化触媒として機能し、集電体として
機能するのに必要な電子伝導性と、酸化物イオンを電解
質に送りこむための酸化物イオン伝導体として機能する
のに十分な酸化物イオン伝導性の両方を示すので、前述
したSOFCの空気極の材料に適しており、空気極の少なく
とも一部をこの材料から構成することが好ましい。
The 5/4 quaternary perovskite-type oxide ion conductor (z> 0.15) of the present invention exhibiting mixed electron-ion conductivity (that is, an ion transport number of 0.7 or less) imparts electrons to oxygen. Both the electron conductivity required to function as an ionization catalyst and a current collector, and the oxide ion conductivity sufficient to function as an oxide ion conductor for transferring oxide ions to the electrolyte. Since it is shown, it is suitable for the material of the above-described SOFC air electrode, and it is preferable that at least a part of the air electrode is formed of this material.

【0056】特に、SOFCの電解質を、前述した酸化物イ
オン伝導性が支配的な狭義の酸化物イオン伝導体である
本発明の5元系材料 (式でy≧0.025 、z≦0.15、特
にz≦0.10であるもの、上記式で示されるものも含
む) から構成する場合、その空気極に電子−イオン混合
伝導性を示す本発明の5/4元系材料 (式でz>0.15
のもの、y=0の場合を含む) を使用すると、SOFCの電
解質と空気極が同種の材料から構成されることになり、
SOFCの性能が向上する。
In particular, the electrolyte of the SOFC is made of the quinary material of the present invention (y ≧ 0.025, z ≦ 0.15, especially z ≦ 0.10, including those represented by the above formula), a 5/4 material of the present invention (z> 0.15 in the formula) exhibiting mixed electron-ion conductivity at its air electrode.
, Including the case of y = 0), the SOFC electrolyte and cathode are composed of the same material,
SOFC performance is improved.

【0057】この点を詳しく説明すると、従来のSOFCで
は電解質と空気極が異種の材料から構成されている [例
えば、電解質がYSZ で、空気極はLa(Sr)CoO3] 。この場
合には、原子レベルで微視的に見ると、電解質と空気極
との界面に両層の材料が混じり合ったごく薄い界面層が
生成し、その界面抵抗による電圧損のために、出力が低
下する。電解質と空気極を同種の材料から構成すると、
界面層の生成が抑制され、界面抵抗が小さくなる。
To explain this point in detail, in the conventional SOFC, the electrolyte and the air electrode are made of different materials [for example, the electrolyte is YSZ and the air electrode is La (Sr) CoO 3 ]. In this case, when viewed microscopically at the atomic level, a very thin interfacial layer in which the materials of both layers are mixed at the interface between the electrolyte and the air electrode is generated. Decrease. If the electrolyte and air electrode are made of the same material,
The formation of the interface layer is suppressed, and the interface resistance is reduced.

【0058】界面抵抗の問題に加えて、電解質と空気極
が異種の材料である場合には、両者の熱膨張率が異なる
ため、昇温時や降温時に加わる熱応力が大きくなる。こ
の問題も、電解質と空気極を同種の材料から構成するこ
とにより著しく低減する。
In addition to the problem of interface resistance, when the electrolyte and the air electrode are made of different materials, the thermal expansion coefficients of the two materials are different from each other, so that the thermal stress applied when the temperature is raised or lowered is increased. This problem is also significantly reduced by forming the electrolyte and the cathode from the same material.

【0059】上記の界面抵抗や熱応力は、電解質と空気
極との間に、これらの2材料の中間の組成を持つ1また
は2以上の中間層を設けて、電解質から空気極に組成が
徐々に変化するようにすると、さらに抑制することがで
きる。
The above interface resistance and thermal stress can be controlled by providing one or two or more intermediate layers having an intermediate composition between these two materials between the electrolyte and the air electrode, and gradually increasing the composition from the electrolyte to the air electrode. Can be further suppressed.

【0060】燃料極は、上述したように従来より使用さ
れてきた各種材料から構成できるが、特に好ましい燃料
極の材料は、(1) Niと、(2) 一般式:Ce1-mm2 (式
中、CはSm、Gd、YおよびCaの1種もしくは2種以上を
意味し、m=0.05〜0.4)で示される化合物とからなるも
のである。両者の割合は、 (1):(2) の体積比が95:5
〜20:80の範囲内であることが好ましい。より好ましく
はm値が 0.1〜0.3であり、 (1):(2) の体積比が90:1
0〜40:60である。
The fuel electrode can be composed of various materials conventionally used as described above. Particularly preferable materials for the fuel electrode are (1) Ni and (2) the general formula: Ce 1-m C m O 2 (wherein C represents one or more of Sm, Gd, Y and Ca, m = 0.05 to 0.4). The volume ratio of (1) :( 2) is 95: 5.
It is preferably within the range of ~ 20: 80. More preferably, the m value is 0.1 to 0.3, and the volume ratio of (1) :( 2) is 90: 1.
0 to 40:60.

【0061】SOFCの構造は特に制限されず、円筒型でも
平板型でもよく、また平板型の場合はスタック型と一体
焼結型(モノリス型)のいずれでもよい。いずれの場合
も、電解質層を空気極と燃料極とで挟んだ3層の積層体
(電解質層は片面が空気極層に、他面が燃料極層に接す
る)が基本セル構造になる。電解質層はガス不透過性で
あり、空気極と燃料極の各層は、ガスが通過できるよう
に多孔質である。円筒型の場合には、円筒の内部と外部
に分けて燃料ガス(例、水素)と空気(または酸素)が
別々に供給され、多数の円筒型セルがその外面の一部に
設けたインターコネクタを介して接続される。平板型の
場合には、燃料ガスと空気を別々に供給できる流路を設
けた概ね平板型のインターコネクタを利用してガスが供
給される。このインターコネクタを上記の3層の積層構
造からなる平板型セルと交互に積み重ねて多層化され
る。
The structure of the SOFC is not particularly limited, and may be a cylindrical type or a flat type. In the case of the flat type, either a stack type or an integral sintered type (monolith type) may be used. In each case, a basic cell structure is a three-layer laminate in which the electrolyte layer is sandwiched between the air electrode and the fuel electrode (the electrolyte layer has one surface in contact with the air electrode layer and the other surface in contact with the fuel electrode layer). The electrolyte layer is gas-impermeable, and each layer of the air electrode and the fuel electrode is porous so that gas can pass through. In the case of a cylindrical type, an interconnector in which fuel gas (eg, hydrogen) and air (or oxygen) are separately supplied to the inside and outside of the cylinder and a large number of cylindrical cells are provided on a part of the outer surface thereof Connected via In the case of a flat plate type, gas is supplied using a generally flat type interconnector provided with a flow path through which fuel gas and air can be separately supplied. The interconnectors are alternately stacked with the above-described flat-plate cells having a three-layered structure to form a multilayer structure.

【0062】SOFCの電極反応で律速となる反応の一つ
は、次式で示される空気極での酸素のイオン化である。 1/2O2 + 2e- →O2- この反応は、空気極と電解質と空気との界面で起こるた
め、この界面の面積が大きいほど反応量が多くなる。そ
のため、例えば、上記の3層構造物を平板ではなく、波
型にすることがこれまでも行われてきた。
One of the rate-limiting reactions in the electrode reaction of SOFC is ionization of oxygen at the air electrode represented by the following equation. 1 / 2O 2 + 2e → O 2− Since this reaction occurs at the interface between the air electrode, the electrolyte, and air, the larger the area of this interface, the greater the amount of reaction. For this reason, for example, the above-mentioned three-layer structure has not been formed into a flat plate, but into a corrugated shape.

【0063】本発明の好適態様においては、図8に示す
ように、電解質層の両面に凹凸を形成し、この表面凹凸
部に空気極または燃料極の材料を粒子状で付着させたセ
ル構造を利用する。この場合、電解質層の本体部分はガ
ス不透過性とする必要があるが、両面の表面に形成した
凹凸部は多孔質であってもよい。この凹凸部の材料は、
電解質と同じ材料 (即ち、狭義の酸化物イオン伝導体)
でもよいが、好ましくは電子−イオン混合伝導性を示す
材料とする。例えば、空気極側の凹凸部を本発明に係る
電子−イオン混合伝導性を示す材料 (z>0.15) から構
成することができる。その場合、この凹凸部に付着させ
た個々の粒子は、従来の空気極材料のような、電子性電
気伝導が支配的な材料から構成することが好ましい。
In a preferred embodiment of the present invention, as shown in FIG. 8, a cell structure in which irregularities are formed on both surfaces of an electrolyte layer, and a material for an air electrode or a fuel electrode is attached to the surface irregularities in the form of particles. Use. In this case, the main body of the electrolyte layer needs to be gas-impermeable, but the irregularities formed on the surfaces of both surfaces may be porous. The material of this uneven part is
The same material as the electrolyte (ie, oxide ion conductor in a narrow sense)
However, the material is preferably a material exhibiting mixed electron-ion conductivity. For example, the concavo-convex portion on the air electrode side can be made of the material (z> 0.15) according to the present invention, which exhibits mixed electron-ion conductivity. In this case, it is preferable that the individual particles adhered to the uneven portion are made of a material in which electronic electric conduction is dominant, such as a conventional air electrode material.

【0064】このような構造は、電解質層の表面にまず
イオン−電子混合伝導体粒子を焼付け、次にさらにその
表面により微細な電子伝導体粒子を付着させ、焼付ける
ことによって形成することができる。或いは、単にイオ
ン−電子混合伝導体粒子と電子伝導体粒子の混合物を電
解質層の表面に付着させ、焼付けることによっても、一
定の割合で同様の構造を実現することができる。
Such a structure can be formed by first baking the mixed ion-electron conductor particles on the surface of the electrolyte layer, then attaching finer electron conductor particles to the surface thereof, and baking. . Alternatively, the same structure can be realized at a fixed ratio by simply adhering a mixture of the ion-electron mixed conductor particles and the electron conductor particles to the surface of the electrolyte layer and baking the mixture.

【0065】従来の空気極の材料は、La(Sr)CoO3、La(S
r)MnO3といった電子性電気伝導が支配的な (イオン輸率
の低い) 電子伝導体であるため、空気中の酸素を酸化物
イオンにイオン化しても、空気極材料の中を通過して電
解質へ酸化物イオンを送り込むとができない。そのた
め、この空気極材料を使用する場合には、図8の空気極
側の表面凹凸部は電解質材料から構成し、空気極材料は
この表面凹凸部に粒子状で付着させることになる。その
場合の酸素のイオン化は、図9(a) に示すように、電解
質層と空気極粒子と空気の3相の界面、即ち、電解質層
と空気極粒子の接合面の外縁(円周)に沿った一次元的
な領域でしか起こらない。その結果、空気極の分極が大
きくなり、SOFCの出力の低下が起こる。また、酸化物イ
オンを取込むために電解質層が空気と接している必要が
あるため、空気極が電解質層を完全に覆うことができ
ず、付着量にも制限がある。従って、空気極の電子性電
気伝導に依存する外部端子への電気的接続も不完全にな
り易い。或いは、十分な電気的接続を得るために、3相
界面を粗に覆って空気極粒子同士をつなぐ導電材料の空
隙に富む架橋構造が必要となるが、その場合にはその空
隙構造がガスの通過に対して抵抗となる。
Conventional air electrode materials are La (Sr) CoO 3 , La (S
r) Since it is an electronic conductor that has a dominant electronic conductivity (low ion transport number) such as MnO 3 , even if oxygen in the air is ionized into oxide ions, it passes through the air electrode material Oxygen ions cannot be sent to the electrolyte. Therefore, when this air electrode material is used, the surface unevenness on the air electrode side in FIG. 8 is made of an electrolyte material, and the air electrode material is attached to the surface unevenness in the form of particles. In this case, as shown in FIG. 9A, the ionization of oxygen occurs at the interface between the three phases of the electrolyte layer, the air electrode particles, and the air, that is, at the outer edge (circumference) of the junction surface between the electrolyte layer and the air electrode particles. It only occurs in a one-dimensional area along. As a result, the polarization of the air electrode increases and the output of the SOFC decreases. In addition, since the electrolyte layer needs to be in contact with air in order to take in oxide ions, the air electrode cannot completely cover the electrolyte layer, and the amount of adhesion is also limited. Therefore, the electrical connection to the external terminal, which depends on the electronic conductivity of the cathode, tends to be incomplete. Alternatively, in order to obtain a sufficient electrical connection, a bridging structure that is rich in voids of a conductive material that roughly covers the three-phase interface and connects the air electrode particles is required. Resistance to passage.

【0066】これに対し、本発明の空気極の材料はイオ
ン−電子混合伝導性を示すため、この材料それ自体が空
気中の酸素を酸化物イオンにイオン化することができ
る。そのため、上述したように、図8の空気極側の表面
凹凸部を、この混合伝導性の空気極材料から構成し、こ
の凹凸部に付着させる個々の粒子を従来の電子伝導体の
空気極材料から構成することができる。その場合の酸素
のイオン化は、図9(b)に示すように、混合伝導性材料
の表面凹凸部と空気の2相の界面、即ち、この材料の外
表面全体という二次元の領域で起こるため、イオン化効
率が飛躍的に増大し、空気極の分極が防止できるため、
SOFCの出力が向上する。イオン化により生成した酸化物
イオンは、この混合伝導性空気極材料の酸化物イオン伝
導性により空気極材料を伝わって電解質に流れる。ま
た、この表面凹凸部を形成する混合伝導性空気極材料は
電子性電気伝導も可能であり、外部端子に電気を流すこ
とができるが、それを助けるために電子伝導体の粒子を
空気極側の凹凸部の表面に付着させる。
On the other hand, since the material of the air electrode of the present invention exhibits mixed ion-electron conductivity, the material itself can ionize oxygen in the air into oxide ions. Therefore, as described above, the surface irregularities on the air electrode side in FIG. 8 are made of the mixed conductive air electrode material, and individual particles adhered to the irregularities are formed by using the conventional electron conductor air electrode material. Can be composed of In this case, as shown in FIG. 9 (b), the ionization of oxygen occurs at a two-dimensional interface between the surface irregularities of the mixed conductive material and the two phases of air, that is, the entire outer surface of the material. , Because the ionization efficiency is dramatically increased and the polarization of the air electrode can be prevented,
SOFC output is improved. Oxide ions generated by ionization flow through the air electrode material due to the oxide ion conductivity of the mixed conductive air electrode material and flow to the electrolyte. In addition, the mixed conductive air electrode material forming the surface irregularities can also conduct electricity electronically, and can conduct electricity to the external terminals. Adhere to the surface of the uneven portion.

【0067】燃料極は、上記のように、Niとセリア系材
料 (Ce1-mm2)から構成することが好ましい。この場
合も、酸化物イオン混合伝導体であるセリア系材料が燃
料極側の表面凹凸部を構成し、その表面の個々の粒子を
電子伝導体であるNiから構成する。この構成により、上
述した空気極の場合と同様に、二次元的な領域でH2への
酸化物イオンの受渡しが行われ、やはりH2O 生成反応の
効率が著しく向上する。
[0067] The fuel electrode, as described above, it is preferably made of Ni and ceria-based material (Ce 1-m C m O 2). Also in this case, the ceria-based material as the mixed oxide ion conductor forms the surface irregularities on the fuel electrode side, and the individual particles on the surface are formed from Ni as the electron conductor. With this configuration, as in the case of the above-described air electrode, the transfer of oxide ions to H 2 is performed in a two-dimensional region, and the efficiency of the H 2 O generation reaction is also significantly improved.

【0068】電子−イオン混合伝導性を示す本発明の酸
化物イオン伝導体 (z>0.15) は、ガス濃度差を利用す
るガス分離膜としても利用できる。ガス分離膜の場合に
は、膜の両側に外部から電位差を与える必要はなく、分
離膜の両側のガス中の酸素濃度差が分離の駆動力とな
る。この酸素濃度差により、酸化物イオンが高濃度側か
た低濃度側に流れ、この流れを電気的に補償するために
電子が逆方向に流れる。従って、酸化物イオン伝導性と
一緒にある程度の電子性電気伝導もないと (即ち、電子
−イオン混合伝導体でないと) 電子が流れないために機
能しなくなる。
The oxide ion conductor (z> 0.15) of the present invention exhibiting mixed electron-ion conductivity can also be used as a gas separation membrane utilizing a gas concentration difference. In the case of a gas separation membrane, there is no need to apply an external potential difference to both sides of the membrane, and the difference in oxygen concentration in the gas on both sides of the separation membrane becomes the driving force for separation. Due to this difference in oxygen concentration, oxide ions flow toward the high concentration side or the low concentration side, and electrons flow in the opposite direction to electrically compensate for this flow. Therefore, if there is not a certain degree of electronic conductivity together with the oxide ion conductivity (that is, if it is not a mixed electron-ion conductor), electrons will not flow and will not function.

【0069】このガス分離膜は、酸素ばかりでなく、例
えば、水やNOX の分解にも使用できる。水の場合、分
離膜の表面で酸化物イオンと水素に分解すると、膜の両
側で酸化物イオン濃度に差ができ、これが駆動力となっ
て酸化物イオンの流れができ、水素は流れずに残るの
で、水から水素を製造することができる。NOX の場合
も、分解してNOX が無害化され、窒素と酸素に分離さ
れる。
[0069] The gas separation membrane, oxygen as well, for example, can also be used for the decomposition of water and NO X. In the case of water, when oxide ions and hydrogen are decomposed on the surface of the separation membrane, a difference in oxide ion concentration occurs on both sides of the membrane, and this becomes a driving force to allow the flow of oxide ions, and hydrogen does not flow. Since it remains, hydrogen can be produced from water. In the case of NO X, decompose NO X is harmless, is separated into nitrogen and oxygen.

【0070】その他、本発明の酸化物イオン伝導体は、
電気化学的反応器や酸素同位体分離膜などにも利用可能
である。
In addition, the oxide ion conductor of the present invention
It can also be used for electrochemical reactors and oxygen isotope separation membranes.

【0071】[0071]

【実施例】(実施例1)La2O3 、SrCO3 、Ga2O3 、MgO 、
ならびにCoO, Fe2O3, Ni2O3, CuO, MnO2から選んだ遷移
金属酸化物の各粉末を、La0.8 Sr0.2 Ga0.8 Mg0.1
0.1 O3 (Mは遷移金属) を生ずる割合で配合し、よく混
合した後、1000℃で6時間予備焼成した。この予備焼成
した混合物を粉砕し、静水圧プレスにより厚み0.5 mm、
直径15 mm のディスク状に圧縮成形し、成形体を1500℃
で6時間焼成して焼結させた。得られた焼結体の結晶構
造をX線回折により調べたところ、いずれもペロブスカ
イト型結晶構造を有していた。
EXAMPLES (Example 1) La 2 O 3 , SrCO 3 , Ga 2 O 3 , MgO,
Each powder of a transition metal oxide selected from CoO, Fe 2 O 3 , Ni 2 O 3 , CuO, and MnO 2 was subjected to La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.1 M
0.1 O 3 (M is a transition metal) was mixed at a ratio that produced it, mixed well, and then pre-fired at 1000 ° C. for 6 hours. This pre-fired mixture is crushed, and the thickness is 0.5 mm by an isostatic press.
Compression molded into a disk with a diameter of 15 mm
For 6 hours. When the crystal structure of the obtained sintered body was examined by X-ray diffraction, all of the sintered bodies had a perovskite crystal structure.

【0072】得られた焼結体の電気伝導性は、ディスク
形の焼結体から切断した直方体試料に、電極となる白金
ペーストを塗布した後、白金線を接続して950 〜1200℃
で10〜60分間焼き付け、任意の酸素分圧と温度に調整可
能な装置内で、直流四端子法または交流二端子法で抵抗
値を測定することにより求めた。酸素分圧の調整は、O2
−N2、CO−CO2 、H2−H2O 混合ガスを用いて行った。
The electric conductivity of the obtained sintered body was determined by applying a platinum paste as an electrode to a rectangular parallelepiped sample cut from a disk-shaped sintered body, and connecting a platinum wire to the sintered body at 950 to 1200 ° C.
And baking for 10 to 60 minutes, and the resistance was measured by a DC four-terminal method or an AC two-terminal method in an apparatus capable of adjusting to an arbitrary oxygen partial pressure and temperature. Adjustment of the oxygen partial pressure, O 2
The test was performed using a mixed gas of —N 2 , CO—CO 2 , and H 2 —H 2 O.

【0073】測定結果を図2および図10に示す。図2
は、酸素分圧が一定 (10-5 atm) で、温度を変化させた
場合の電気伝導度 (伝導度のアレニウスプロット) を示
す。図10は、温度が一定 (950 ℃) で、酸素分圧を変化
させた場合の電気伝導度 (伝導度の酸素分圧依存性) を
示す。図2については既に説明したが、遷移金属がCo、
Fe、NiまたはCuであると、Mgの一部を遷移金属で置換す
ることにより、少なくとも低温側では伝導性が大きく向
上することがわかる。
The measurement results are shown in FIG. 2 and FIG. FIG.
Shows the electrical conductivity (Arrhenius plot of conductivity) when the oxygen partial pressure is constant (10 -5 atm) and the temperature is changed. FIG. 10 shows the electrical conductivity (conductivity dependence on oxygen partial pressure) when the temperature is constant (950 ° C.) and the oxygen partial pressure is changed. As already described with reference to FIG. 2, the transition metal is Co,
It can be seen that when Fe, Ni or Cu is used, a part of Mg is replaced with a transition metal, thereby significantly improving conductivity at least at a low temperature side.

【0074】図10からは、遷移金属がNi、CuまたはMnで
あると、伝導性が酸素分圧により変動するが、遷移金属
がCoまたはFeであると、酸素分圧が変動してもほぼ一定
の高い伝導性を保持していることがわかる。
From FIG. 10, it can be seen from FIG. 10 that when the transition metal is Ni, Cu or Mn, the conductivity fluctuates due to the oxygen partial pressure, but when the transition metal is Co or Fe, the conductivity changes substantially even when the oxygen partial pressure fluctuates. It can be seen that a certain high conductivity is maintained.

【0075】遷移金属がCoである化合物について、イオ
ン輸率を測定した結果を図5に電気伝導率と一緒に示
す。このイオン輸率は、仕切りにより試料の両端の雰囲
気の酸素分圧を互いに異なる既知の値にして酸素濃淡電
池を作製し、この電池の起電力を測定すると共に、同条
件の理論起電力をネルンスト式から求め、起電力の測定
値の理論起電力に対する比として求めた。遷移金属がCo
以外であっても、図5とほぼ同様の傾向が認められ、Mg
に対する遷移金属の割合が増大すると、電気伝導性は増
大し、イオン輸率は低下した。しかし、電気伝導性の増
大は対数的増大であるので、イオン輸率の低下よりずっ
と大きい。従って、イオン輸率が低下しても、酸化物イ
オン伝導性の絶対値は増大しているのである。
FIG. 5 shows the results of measuring the ion transport number of the compound in which the transition metal is Co, together with the electric conductivity. The ion transport number was determined by making the oxygen partial pressures of the atmospheres at both ends of the sample different from each other by a partition, and measuring the electromotive force of this battery. It was obtained from the equation and was obtained as a ratio of the measured value of the electromotive force to the theoretical electromotive force. Transition metal is Co
5, a tendency almost similar to that of FIG.
As the ratio of the transition metal to the metal increased, the electrical conductivity increased and the ionic transport number decreased. However, since the increase in electrical conductivity is a logarithmic increase, it is much greater than the decrease in ion transport number. Therefore, even when the ion transport number is reduced, the absolute value of the oxide ion conductivity is increased.

【0076】(実施例2)実施例1と同様にして、La
0.8 Sr0.2 Ga0.8 Mg0.115 Co0.085 O3の焼結体からなる
酸化物イオン伝導体を作製し、酸素分圧10-5 atmで温度
を変化させて電気伝導性を測定した。測定結果 (伝導度
のアレニウスプロット) を図11に示す。
(Embodiment 2) In the same manner as in Embodiment 1, La
An oxide ion conductor made of a sintered body of 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.115 Co 0.085 O 3 was prepared, and the electrical conductivity was measured by changing the temperature at an oxygen partial pressure of 10 −5 atm. FIG. 11 shows the measurement results (Arrhenius plot of conductivity).

【0077】(実施例3)実施例1と同様にして、La
1-x Srx Ga0.8 Mg0.115 Co0.085 O3 (式中x=0.05、0.1
、0.15、0.2 、0.25または0.3)の焼結体からなる酸化
物イオン伝導体を作製し、温度または酸素分圧を変化さ
せて電気伝導度を測定した。950 ℃におけるxの値と電
気伝導性との関係を図3に示す。伝導度のアレニウスプ
ロット (酸素分圧10-5 atm) と酸素分圧依存性 (温度95
0 ℃) をそれぞれ図12(a) および(b)に示す。酸素分圧
依存性はx値によって挙動が変化することが注目され
る。
(Embodiment 3) In the same manner as in Embodiment 1, La
1-x Sr x Ga 0.8 Mg 0.115 Co 0.085 O 3 (where x = 0.05, 0.1
, 0.15, 0.2, 0.25 or 0.3) were prepared, and the electrical conductivity was measured by changing the temperature or the oxygen partial pressure. FIG. 3 shows the relationship between the value of x at 950 ° C. and the electrical conductivity. Arrhenius plot of conductivity (oxygen partial pressure 10 -5 atm) and oxygen partial pressure dependence (temperature 95
0 ° C.) are shown in FIGS. 12 (a) and (b), respectively. It is noted that the behavior of the oxygen partial pressure dependency changes depending on the x value.

【0078】(実施例4)実施例1と同様にして、La0.8
Sr0.2 Ga(1-y-z) Mgy Coz O3 (式中、y+z=0.05、0.
1 、0.15、0.2 、0.25または0.3 、y:z=11.5:8.5)
の焼結体からなる酸化物イオン伝導体を作製し、温度を
変えて電気伝導度とイオン輸率を測定した。各 (y+
z) 値における伝導度のアレニウスプロット (酸素分圧
10-5atm)を図4(c) に示す。950 ℃における (y+z)
値と電気伝導性との関係を図4(a)に、またイオン輸率
との関係を図4(b) に示す。
(Embodiment 4) In the same manner as in Embodiment 1, La 0.8
Sr 0.2 Ga (1-yz) Mg y Co z O 3 (where y + z = 0.05, 0.
(1, 0.15, 0.2, 0.25 or 0.3, y: z = 11.5: 8.5)
An oxide ion conductor made of a sintered body was prepared, and the electrical conductivity and the ion transport number were measured while changing the temperature. Each (y +
Arrhenius plot of conductivity at z) value (oxygen partial pressure
10-5 atm) is shown in Fig. 4 (c). (Y + z) at 950 ° C
FIG. 4A shows the relationship between the value and the electric conductivity, and FIG. 4B shows the relationship between the ion transport number.

【0079】(実施例5)実施例1と同様にして、Ln0.9
0.1 Ga0.8 B10.1 Co0.1 3 なる組成で、Ln、A、B1
の各金属原子を変更した焼結体からなる酸化物イオン伝
導体を作製し、その電気伝導性を測定した。酸素分圧10
-5 atm、950 ℃での電気伝導度 (σ/Scm-1) は次の通
りであった。
(Example 5) In the same manner as in Example 1, Ln 0.9
A composition of A 0.1 Ga 0.8 B1 0.1 Co 0.1 O 3 , Ln, A, B1
An oxide ion conductor made of a sintered body in which each metal atom was changed was prepared, and its electrical conductivity was measured. Oxygen partial pressure 10
The electric conductivity (σ / Scm −1 ) at −5 atm and 950 ° C. was as follows.

【0080】Ln0.9 Sr0.1 Ga0.8 Mg0.1 Co0.1 3 Ln=La:0.53 =Pr:0.49 =Nd:0.36 =Ce:0.08 =Sm:0.05 La0.9 0.1 Ga0.8 Mg0.1 Co0.1 3 A=Sr:0.53 =Ca:0.24 =Ba:0.22 La0.9 Sr0.1 Ga0.8 B10.1 Co0.1 3 B1=Al:0.12 =Mg:0.53 =In:0.23 (実施例6)実施例1と同様にして、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg
0.2-zFez O3 (z=0〜0.2)の焼結体からなる酸化物イ
オン伝導体を作製した。得られた焼結体の結晶構造をX
線回折により調べたところ、いずれもペロブスカイト型
結晶構造を有していた。
Ln 0.9 Sr 0.1 Ga 0.8 Mg 0.1 Co 0.1 O 3 Ln = La: 0.53 = Pr: 0.49 = Nd: 0.36 = Ce: 0.08 = Sm: 0.05 La 0.9 A 0.1 Ga 0.8 Mg 0.1 Co 0.1 O 3 A = Sr: 0.53 = Ca: 0.24 = Ba: 0.22 La 0.9 Sr 0.1 Ga 0.8 B1 0.1 Co 0.1 O 3 B1 = Al: 0.12 = Mg: 0.53 = In: 0.23 (Example 6) As in Example 1, La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg
An oxide ion conductor made of a sintered body of 0.2-z Fe z O 3 (z = 0 to 0.2 ) was produced. The crystal structure of the obtained sintered body is represented by X
All were examined by line diffraction and found to have a perovskite crystal structure.

【0081】この酸化物イオン伝導体の温度950 ℃、酸
素分圧10-5 atmにおける電気伝導性の測定結果は、図6
に示した通りである。この図から、前述したようにz=
0.01〜0.15の範囲内の場合に高い電気伝導性が得られる
ことがわかる。また、上記組成においてz=0.03の場合
の電気伝導性の温度変化および酸素分圧依存性は、それ
ぞれ図7(a) および(b) に示した通りである。この酸化
物イオン伝導体は、広い温度範囲および酸素分圧の範囲
で高い電気伝導性とイオン輸率を示すことがわかる。
The results of measuring the electrical conductivity of this oxide ion conductor at a temperature of 950 ° C. and an oxygen partial pressure of 10 −5 atm are shown in FIG.
As shown in FIG. From this figure, as described above, z =
It can be seen that high electric conductivity can be obtained in the range of 0.01 to 0.15. In addition, the temperature change and the oxygen partial pressure dependency of the electric conductivity when z = 0.03 in the above composition are as shown in FIGS. 7 (a) and 7 (b), respectively. It can be seen that this oxide ion conductor shows high electrical conductivity and ion transport number over a wide temperature range and a range of oxygen partial pressure.

【0082】[0082]

【発明の効果】本発明によれば、従来の代表的な酸化物
イオン伝導体である安定化ジルコニアより酸化物イオン
伝導性が高いのはもちろん、それより酸化物イオン伝導
性が高いAサイトとBサイトに非遷移金属だけをドープ
した4元系複合酸化物に比べても、酸化物イオン伝導性
がさらに高く、また酸化物イオン伝導性と電子伝導性の
割合、即ち、イオン輸率を容易かつ自由に制御すること
ができる酸化物イオン伝導体が実現できる。従って、電
気伝導性が高く、かつイオン輸率が0.9 以上と高い、狭
義の酸化物イオン伝導体として有用な材料だけでなく、
電子−イオン混合伝導体として有用な材料も得られる。
According to the present invention, the A-site which has not only higher oxide ion conductivity than stabilized zirconia which is a conventional representative oxide ion conductor but also has higher oxide ion conductivity is used. Compared to a quaternary composite oxide doped with only a non-transition metal at the B site, the oxide ion conductivity is higher and the ratio of the oxide ion conductivity to the electron conductivity, that is, the ion transport number is easier. In addition, an oxide ion conductor that can be freely controlled can be realized. Therefore, not only materials having a high electrical conductivity and a high ion transport number of 0.9 or more, which are useful as oxide ion conductors in a narrow sense,
Materials useful as mixed electron-ion conductors are also obtained.

【0083】イオン輸率が高い本発明の酸化物イオン伝
導体は、安定化ジルコニアより低温でも使用でき、かつ
酸素雰囲気から水素雰囲気に至る全ての酸素分圧下で高
い酸化物イオン伝導性を示すので、固体酸化物型燃料電
池の電解質、酸素センサー等のガスセンサー、および電
気化学式酸素ポンプ用酸素分離膜として有用であり、従
来より高性能の製品を実現できる可能性がある。特に、
上記式で示される酸化物イオン伝導体は、広い温度範
囲および純酸素雰囲気から実質的な水素雰囲気に及ぶ非
常に広い酸素分圧で高い酸化物イオン伝導性を保持する
点で非常に有利である。
The oxide ion conductor of the present invention having a high ion transport number can be used even at a lower temperature than stabilized zirconia, and exhibits high oxide ion conductivity under all oxygen partial pressures from an oxygen atmosphere to a hydrogen atmosphere. It is useful as an electrolyte for a solid oxide fuel cell, a gas sensor such as an oxygen sensor, and an oxygen separation membrane for an electrochemical oxygen pump, and may be able to realize a product with higher performance than before. Especially,
The oxide ion conductor represented by the above formula is very advantageous in that it maintains high oxide ion conductivity over a wide temperature range and a very wide oxygen partial pressure ranging from a pure oxygen atmosphere to a substantial hydrogen atmosphere. .

【0084】また、電子−イオン混合伝導性を示す本発
明の酸化物イオン伝導体は、固体酸化物型燃料電池の空
気極や、ガス濃度差を利用するガス分離膜として利用で
きる。特に、この電子−イオン混合伝導性を示す本発明
の酸化物イオン伝導体を空気極とし、上記のイオン輸率
の高い本発明に係る狭義の酸化物イオン伝導体を電解質
としてSOFCを構築すると、界面抵抗が減少するため、SO
FCの高出力化を図ることができる。
The oxide ion conductor of the present invention exhibiting mixed electron-ion conductivity can be used as an air electrode of a solid oxide fuel cell or a gas separation membrane utilizing a gas concentration difference. In particular, when an oxide ion conductor of the present invention exhibiting this electron-ion mixed conductivity is used as an air electrode, and a SOFC is constructed using the narrowly defined oxide ion conductor according to the present invention having a high ion transport number as an electrolyte, Since the interfacial resistance decreases, SO
FC output can be increased.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】従来の代表的な酸化物イオン伝導体と、La0.8S
r0.2Ga0.8Mg0.2O3なる組成を持つ4元系複合酸化物から
なるペロブスカイト型酸化物イオン伝導体の電気伝導性
を示すグラフである。
FIG. 1 shows a conventional representative oxide ion conductor and La 0.8 S
4 is a graph showing the electrical conductivity of a perovskite-type oxide ion conductor composed of a quaternary composite oxide having a composition of r 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 .

【図2】図1の4元系ペロブスカイト型酸化物イオン伝
導体のMgの一部を遷移金属で置換した、5元系複合酸化
物からなる電気伝導性を、4元系のものと比較して示す
グラフである。
FIG. 2 shows a comparison between the quaternary perovskite oxide ionic conductor of FIG. 1 and a quaternary composite oxide obtained by substituting a part of Mg with a transition metal. FIG.

【図3】本発明に係る5元系複合酸化物からなる酸化物
イオン伝導体のAサイトのドープ原子であるA原子 (S
r) の割合 (x値) と電気伝導性との関係を示すグラフ
である。
FIG. 3 is a diagram showing an A atom (S) which is a doping atom of an A site in an oxide ion conductor comprising a quinary composite oxide according to the present invention.
3 is a graph showing the relationship between the ratio (x value) of r) and electric conductivity.

【図4】図4(a) は、本発明に係る5元系複合酸化物か
らなる酸化物イオン伝導体のBサイトのドープ原子の割
合、即ち、B1原子+B2原子の合計原子比 (y+z, 但し
y:z=11.5:8.5)と、電気伝導性との関係を示すグラ
フであり、図4(b) は、同上 (y+z) 値とイオン輸率
との関係を示すグラフであり、図4(c) は、同上、様々
な (y+z) 値を有する5元系複合酸化物からなる酸化
物イオン伝導体の電気伝導性と温度の関係を示すグラフ
である。
FIG. 4 (a) is a graph showing the ratio of the B-site doped atoms of the oxide ion conductor composed of a quinary composite oxide according to the present invention, that is, the total atomic ratio of (B1 + B2) atoms (y + z, However, y: z = 11.5: 8.5) is a graph showing the relationship between the electrical conductivity, and FIG. 4B is a graph showing the relationship between the above (y + z) value and the ion transport number. (c) is a graph showing the relationship between the electrical conductivity and the temperature of the oxide ion conductor composed of the quinary composite oxide having various (y + z) values, as in the above.

【図5】本発明に係る5/4元系複合酸化物からなる酸
化物イオン伝導体のBサイトのドープ原子のうち遷移金
属であるB2原子の割合 (z値) と電気伝導性およびイオ
ン輸率との関係を示すグラフである。
FIG. 5 shows the ratio (z-value) of B2 atoms, which are transition metals, among the B-site doped atoms of the oxide ion conductor comprising a 5/4 quaternary composite oxide according to the present invention, and the electrical conductivity and ion transport. It is a graph which shows the relationship with a rate.

【図6】La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2-zFez O3で示される複合
酸化物の電気伝導性 (950 ℃、酸素分圧=10-5 atm) を
z値に対して示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing the electrical conductivity (950 ° C., oxygen partial pressure = 10 −5 atm) of the composite oxide represented by La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2-z Fe z O 3 with respect to the z value. is there.

【図7】La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2-zFez O3で示される本発
明の酸化物イオン伝導体の電気伝導性の酸素分圧10-5 a
tmにおける温度変化(a) と950 ℃における酸素分圧依存
性(b) を示す。
7 La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 -z Fe z O of electric conductivity of the oxide ion conductor 3 in the present invention shown oxygen partial pressure 10 -5 a
The temperature change at tm (a) and the oxygen partial pressure dependence at 950 ° C (b) are shown.

【図8】表面凹凸を設けた固体酸化物型燃料電池のセル
構造の模式的断面図である。
FIG. 8 is a schematic sectional view of a cell structure of a solid oxide fuel cell provided with surface irregularities.

【図9】上記セル構造の電解質層と空気極の界面を示す
説明図である。
FIG. 9 is an explanatory view showing an interface between an electrolyte layer and an air electrode of the above cell structure.

【図10】本発明に係る5元系複合酸化物からなる酸化
物イオン伝導体の電気伝導性の酸素分圧依存性を示すグ
ラフである。
FIG. 10 is a graph showing the oxygen partial pressure dependence of the electrical conductivity of an oxide ion conductor composed of a quinary composite oxide according to the present invention.

【図11】本発明に係る別の5元系複合酸化物からなる
酸化物イオン伝導体の電気伝導性の温度変化示すグラフ
である。
FIG. 11 is a graph showing a temperature change of electric conductivity of an oxide ion conductor composed of another quinary composite oxide according to the present invention.

【図12】本発明に係る別の5元系複合酸化物からなる
酸化物イオン伝導体の電気伝導性の温度変化(a) および
酸素分圧依存性(b) を示すグラフである。
FIG. 12 is a graph showing the temperature change (a) and the oxygen partial pressure dependency (b) of the electrical conductivity of an oxide ion conductor comprising another quinary composite oxide according to the present invention.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01M 8/12 H01M 8/12 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code FI H01M 8/12 H01M 8/12

Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 一般式:Ln1-x x Ga1-y-z B1y B2z
3 で示される酸化物イオン伝導体。式中、 Ln=La、Ce、Pr、Nd、Smの1種もしくは2種以上;A=
Sr、Ca、Baの1種もしくは2種以上;B1=Mg、Al、Inの
1種もしくは2種以上;B2=Co、Fe、Ni、Cuの1種もし
くは2種以上;x=0.05〜0.3 ;y=0〜0.29;z=0.
01〜0.3 ;y+z= 0.025〜0.3 。
(1) General formula: Ln 1-x A x Ga 1-yz B1 y B2 z O
An oxide ion conductor represented by 3 . Wherein Ln = one or more of La, Ce, Pr, Nd, and Sm;
B1 = one or more of Mg, Al, In; B2 = one or more of Co, Fe, Ni, Cu; x = 0.05 to 0.3 Y = 0 to 0.29; z = 0.
01-0.3; y + z = 0.025-0.3.
【請求項2】 y≧0.025 、z≦0.15である、酸化物イ
オン伝導性の高い請求項1記載の酸化物イオン伝導体。
2. The oxide ion conductor according to claim 1, wherein y ≧ 0.025 and z ≦ 0.15, which have high oxide ion conductivity.
【請求項3】 z>0.15である、電子−イオン混合伝導
性を示す請求項1記載の酸化物イオン伝導体。
3. The oxide ion conductor according to claim 1, which exhibits mixed electron-ion conductivity where z> 0.15.
【請求項4】 Ln=Laおよび/またはNd、A=Sr、B1=
Mg、B2=Co、x=0.10〜0.25、y=0〜0.17、z=0.02
〜0.15、y+z=0.10〜0.25である、請求項1記載の酸
化物イオン伝導体。
4. Ln = La and / or Nd, A = Sr, B1 =
Mg, B2 = Co, x = 0.10 to 0.25, y = 0 to 0.17, z = 0.02
2. The oxide ion conductor according to claim 1, wherein 〜0.15 and y + z = 0.10〜0.25.
【請求項5】 Ln=La、A=Sr、B1=Mg、B2=Fe、x=
0.1〜0.3 、y= 0.025〜0.29、z=0.01〜0.15、y+
z= 0.035〜0.3 である、請求項2記載の酸化物イオン
伝導体。
5. Ln = La, A = Sr, B1 = Mg, B2 = Fe, x =
0.1-0.3, y = 0.025-0.29, z = 0.01-0.15, y +
3. The oxide ion conductor according to claim 2, wherein z = 0.035 to 0.3.
【請求項6】 x=0.15〜0.25、y=0.09〜0.24、z=
0.01〜0.05、y+z=0.10〜0.25である、請求項5記載
の酸化物イオン伝導体。
6. x = 0.15 to 0.25, y = 0.09 to 0.24, z =
The oxide ion conductor according to claim 5, wherein 0.01 to 0.05 and y + z = 0.10 to 0.25.
【請求項7】 請求項2、4、5または6記載の酸化物
イオン伝導体からなる電解質を備えた固体酸化物型燃料
電池。
7. A solid oxide fuel cell provided with an electrolyte comprising the oxide ion conductor according to claim 2. Description:
【請求項8】 請求項3記載の酸化物イオン伝導体を含
む空気極を備えた固体酸化物型燃料電池。
8. A solid oxide fuel cell comprising an air electrode containing the oxide ion conductor according to claim 3.
【請求項9】 請求項2、4、5または6記載の酸化物
イオン伝導体からなる電解質と、請求項3記載の酸化物
イオン伝導体を含む空気極とを備えた、固体酸化物型燃
料電池。
9. A solid oxide fuel comprising: an electrolyte comprising the oxide ion conductor according to claim 2; and an air electrode containing the oxide ion conductor according to claim 3. battery.
【請求項10】 (1) Niと、(2) 一般式:Ce1-mm2
(式中、CはSm、Gd、YおよびCaの1種もしくは2種以
上を意味し、m=0.05〜0.4)で示される化合物とからな
る燃料極を備えた、請求項7〜9のいずれか1項に記載
の固体酸化物型燃料電池。
(10) Ni and (2) a general formula: Ce 1-m C m O 2
(Wherein C represents one or more of Sm, Gd, Y and Ca, and m = 0.05 to 0.4), and has a fuel electrode comprising a compound represented by the formula: 2. The solid oxide fuel cell according to claim 1.
【請求項11】 請求項2、4、5または6記載の酸化
物イオン伝導体からなるガスセンサー。
11. A gas sensor comprising the oxide ion conductor according to claim 2, 4, 5, or 6.
【請求項12】 請求項2、4、5または6記載の酸化
物イオン伝導体からなる電気化学的酸素ポンプ用酸素分
離膜。
12. An oxygen separation membrane for an electrochemical oxygen pump, comprising the oxide ion conductor according to claim 2.
【請求項13】 請求項3記載の酸化物イオン伝導体か
らなるガス分離膜。
13. A gas separation membrane comprising the oxide ion conductor according to claim 3.
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