JP7659717B2 - Solid electrolyte, its manufacturing method and electrochemical cell - Google Patents
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Description
本発明は、固体電解質、その製造方法及び電気化学セルに関する。 The present invention relates to a solid electrolyte, its manufacturing method, and an electrochemical cell.
近年、エネルギー変換効率の高い固体酸化物形燃料電池(SOFC)やプロトン導電性セラミックス燃料電池(PCFC)が、次世代のエネルギー供給システムとして注目を集めている。 In recent years, solid oxide fuel cells (SOFCs) and proton conductive ceramic fuel cells (PCFCs), which have high energy conversion efficiency, have been attracting attention as next-generation energy supply systems.
SOFCは、電解質としてイオン伝導性(酸化物イオン伝導性)をもつ固体電解質を使用し、その電解質層の一方の表面に燃料極(アノード)を、他方の表面に空気極(カソード)を接合して構成される。アノードに水素を含む燃料、カソードに酸素(空気)をそれぞれ供給すると、以下の電気化学反応によって電気エネルギーを取り出すことができる。
アノード反応:2H2+2O2- → 2H2O+4e- (反応1)
カソード反応:O2+4e- → 2O2- (反応2)
全反応:2H2+O2 →2H2O
SOFCs use a solid electrolyte with ion conductivity (oxide ion conductivity) as the electrolyte, and are constructed by joining a fuel electrode (anode) to one surface of the electrolyte layer and an air electrode (cathode) to the other surface. When fuel containing hydrogen is supplied to the anode and oxygen (air) to the cathode, electrical energy can be extracted through the following electrochemical reaction.
Anode reaction: 2H 2 + 2O 2− → 2H 2 O + 4e − (Reaction 1)
Cathodic reaction: O 2 + 4e − → 2O 2− (reaction 2)
Total reaction: 2H2 + O2 → 2H2O
一方、PCFCは、電解質としてプロトン伝導性(水素イオン伝導性)をもつ固体電解質を使用し、その電解質層の一方の表面に燃料極(アノード)を、他方の表面に空気極(カソード)を接合して構成される。アノードに水素を含む燃料(燃料ガス)、カソードに酸素(空気)をそれぞれ供給すると、以下の電気化学反応によって電気エネルギーを取り出すことができる。
アノード反応:2H2 → 4H++4e- (反応3)
カソード反応:4H++O2+4e- → 2H2O (反応4)
全反応:2H2+O2 →2H2O
On the other hand, PCFCs use a solid electrolyte with proton conductivity (hydrogen ion conductivity) as the electrolyte, and are constructed by joining a fuel electrode (anode) to one surface of the electrolyte layer and an air electrode (cathode) to the other surface. When a hydrogen-containing fuel (fuel gas) is supplied to the anode and oxygen (air) to the cathode, electrical energy can be extracted through the following electrochemical reaction:
Anode reaction: 2H2 → 4H ++ 4e- (reaction 3)
Cathodic reaction: 4H + +O 2 +4e − → 2H 2 O (reaction 4)
Total reaction: 2H2 + O2 → 2H2O
PCFCの電解質層を形成する固体電解質は、プロトン伝導性(水素イオン伝導性)が求められている。プロトン伝導性をもつ固体電解質としては、ペロブスカイト構造を持つBaCeO3系やBaZrO3系の化合物(酸化物)が知られている。これらの化合物は、従来、酸化物を焼結した焼結体よりなる。 The solid electrolyte forming the electrolyte layer of PCFC is required to have proton conductivity (hydrogen ion conductivity). Known solid electrolytes with proton conductivity include BaCeO3 -based and BaZrO3- based compounds (oxides) with a perovskite structure. These compounds are conventionally made of sintered bodies obtained by sintering oxides.
そして、PCFCの性能向上を目的として、固体電解質での更なる材料探索が進められている。特に、PCFCの固体電解質においては、プロトン伝導性の向上、良好な焼結性及び化学安定性の特性を有するものが求められている。 To improve the performance of PCFCs, further research is being conducted into solid electrolyte materials. In particular, solid electrolytes for PCFCs are required to have improved proton conductivity, good sintering properties, and chemical stability.
具体的には、ペロブスカイト構造のBaCeO3系の酸化物は、化学的に不安定であった。化学的に不安定となると、PCFCを形成したときに、PCFCの長期信頼性が低下する。一方、BaZrO3系の酸化物は、難焼結性の化合物であり、緻密化が困難となっていた。緻密化が困難となると、プロトン以外の物質(例えば、原子イオンやガスの分子)が固体電解質(電解質層)を透過するようになる。 Specifically, BaCeO3 -based oxides with a perovskite structure are chemically unstable. When the oxides are chemically unstable, the long-term reliability of the PCFC decreases when the PCFC is formed. On the other hand, BaZrO3 -based oxides are compounds that are difficult to sinter, and are difficult to densify. When densification becomes difficult, substances other than protons (e.g., atomic ions and gas molecules) become permeable through the solid electrolyte (electrolyte layer).
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、高いプロトン伝導性をもつとともに焼結性及び化学安定性に優れた固体電解質、その製造方法及び電気化学セルを提供することを課題とする。 The present invention was made in consideration of the above-mentioned circumstances, and aims to provide a solid electrolyte that has high proton conductivity and excellent sinterability and chemical stability, a method for producing the same, and an electrochemical cell.
上記課題を解決する本発明の固体電解質は、A2B1 1-xM1 xB2 1-yM2 yO6(A:アルカリ土類金属、B1:La,Nd,Gd,Ce,Pr,Ybより選ばれる少なくとも1種、B2:遷移金属より選ばれる少なくとも1種、M1:Be,Mg,Ca,Srより選ばれる少なくとも1種、M2:Ta,Sb,Zr,Sn,Ti,Mgより選ばれる少なくとも1種、0≦x≦0.30、0≦y≦0.30)で示される化合物であることを特徴とする。 The solid electrolyte of the present invention, which solves the above problems, is characterized by being a compound represented by A 2 B 1 1-x M 1 x B 2 1-y M 2 y O 6 (A: alkaline earth metal, B 1 : at least one selected from La, Nd, Gd, Ce, Pr and Yb, B 2 : at least one selected from transition metals, M 1 : at least one selected from Be, Mg, Ca and Sr, M 2 : at least one selected from Ta, Sb, Zr, Sn, Ti and Mg, 0≦x≦0.30, 0≦y≦0.30).
上記課題を解決する本発明の固体電解質の製造方法は、所定の原子比となるように秤量した原料粉末を混合して、焼結温度未満の温度で熱処理して前駆体を生成する工程と、前駆体を焼結温度以上の温度で熱処理する工程と、を有することを特徴とする。 The method for producing a solid electrolyte of the present invention, which solves the above problems, is characterized by having a step of mixing raw material powders weighed to have a predetermined atomic ratio, and heat-treating the mixture at a temperature below the sintering temperature to produce a precursor, and a step of heat-treating the precursor at a temperature equal to or higher than the sintering temperature.
上記課題を解決する本発明の電気化学セルは、請求項1~2のいずれかに記載の固体電解質を用いてなることを特徴とする。
The electrochemical cell of the present invention, which solves the above problems, is characterized by using the solid electrolyte described in any one of
以下、実施の形態を用いて本発明を具体的に説明する。なお、本発明は、実施の形態に示す構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において任意に変更した構成を含む。 The present invention will be specifically described below using the embodiments. Note that the present invention is not limited to the configurations shown in the embodiments, and includes any configuration that is modified without departing from the gist of the present invention.
[固体電解質]
本形態の固体電解質は、A2B1
1-xM1
xB2
1-yM2
yO6(A:アルカリ土類金属、B1:La,Nd,Gd,Ce,Pr,Ybより選ばれる少なくとも1種、B2:遷移金属より選ばれる少なくとも1種、M1:Be,Mg,Ca,Srより選ばれる少なくとも1種、M2:Ta,Sb,Zr,Sn,Ti,Mgより選ばれる少なくとも1種、0≦x≦0.30、0≦y≦0.30)で示される化合物である。
[Solid electrolyte]
The solid electrolyte of this embodiment is a compound represented by A 2 B 1 1-x M 1 x B 2 1 -y M 2 y O 6 (A: alkaline earth metal, B 1 : at least one selected from La, Nd, Gd, Ce, Pr and Yb, B 2 : at least one selected from transition metals, M 1 : at least one selected from Be, Mg, Ca and Sr, M 2 : at least one selected from Ta, Sb, Zr, Sn, Ti and Mg, 0≦x≦0.30, 0≦y≦0.30).
本形態の固体電解質は、上記組成のB1及びB2の価数が、M1及びM2の価数よりも小さい価数であることが好ましい。価数がこの関係を満たすことで、本形態の固体電解質は、好適なプロトン伝導性を有するものとなる。ここで、B1とB2の価数は、同じであっても異なっていてもいずれでもよいが同じであることが好ましい。M1とM2の価数についても、同じであっても異なっていてもいずれでもよい。M1とM2の価数が異なっている場合、B1とB2の価数のいずれもが、M1とM2の価数の小さい方の価数よりも小さいことが好ましい。 In the solid electrolyte of the present embodiment, the valences of B1 and B2 in the above composition are preferably smaller than the valences of M1 and M2 . When the valences satisfy this relationship, the solid electrolyte of the present embodiment has suitable proton conductivity. Here, the valences of B1 and B2 may be the same or different, but are preferably the same. The valences of M1 and M2 may also be the same or different. When the valences of M1 and M2 are different, it is preferable that the valences of B1 and B2 are both smaller than the smaller valence of M1 and M2 .
本形態の固体電解質は、上記組成において、AがBaであることが好ましい。B1とB2の元素のそれぞれは、同じ元素であっても異なる元素であっても、いずれでもよい。本形態の固体電解質は、上記組成において、0≦x≦0.30及び0≦y≦0.30となることで、後述のダブルペロブスカイト型の結晶構造となる。x及びyが0.30を超えると、2相の結晶相を生じやすくなり、プロトン伝導性(プロトン伝導度の値)が低下しやすくなる。0≦x≦0.25及び0≦y≦0.25であることがより好ましく、0≦x≦0.20及び0≦y≦0.20であることが更に好ましい。 In the above composition, the solid electrolyte of the present embodiment is preferably Ba, where A is Ba. The elements B1 and B2 may be the same or different. The solid electrolyte of the present embodiment has a double perovskite crystal structure as described below when 0≦x≦0.30 and 0≦y≦0.30 in the above composition. When x and y exceed 0.30, two crystal phases are likely to occur, and the proton conductivity (proton conductivity value) is likely to decrease. It is more preferable that 0≦x≦0.25 and 0≦y≦0.25, and even more preferable that 0≦x≦0.20 and 0≦y≦0.20.
本形態の固体電解質の化合物は、ダブルペロブスカイト型とよばれる結晶構造を有する酸化物である。ダブルペロブスカイト型の酸化物は、好適なプロトン伝導性(イオン伝導性)を有する酸化物である。ここで、好適なプロトン伝導性を有するとは、プロトン伝導度が10-5S/cm以上であり、好ましくは10-3S/cm以上であることを示す。すなわち、電気化学セル(例えば、燃料電池セル)を形成したときに、その作動温度で、所望の電池特性を発揮できる程度の高いプロトン伝導性を発揮する。 The compound of the solid electrolyte of this embodiment is an oxide having a crystal structure called a double perovskite type. The double perovskite type oxide is an oxide having suitable proton conductivity (ionic conductivity). Here, having suitable proton conductivity means that the proton conductivity is 10 −5 S/cm or more, preferably 10 −3 S/cm or more. That is, when an electrochemical cell (e.g., a fuel cell) is formed, the oxide exhibits high proton conductivity at the operating temperature to the extent that the desired battery characteristics can be exhibited.
ダブルペロブスカイト型の結晶は、図1に示した結晶構造を有する。図1は、一般式:A2MM’O6(A:Ba、M:Nd又はGd、M’:Nb)で示されるダブルペロブスカイト型の化合物の結晶構造を示す図である。
対して、ペロブスカイト型の結晶は、図2に示した結晶構造を有する。図2は、一般式:AMO3(A:Ba、M:Zr又はCe)で示されるペロブスカイト型の化合物の構造を示す図である。
The double perovskite crystal has the crystal structure shown in Fig. 1. Fig. 1 is a diagram showing the crystal structure of a double perovskite compound represented by the general formula: A2MM'O6 (A: Ba, M: Nd or Gd, M': Nb).
In contrast, perovskite-type crystals have the crystal structure shown in Fig. 2. Fig. 2 is a diagram showing the structure of a perovskite-type compound represented by the general formula: AMO 3 (A: Ba, M: Zr or Ce).
図1に示すように、ダブルペロブスカイト型の化合物は、M’(5価の原子イオン、Nb5+)を囲む酸素八面体と、M(3価の原子イオン、M3+)を囲む酸素八面体と、が、A(Ba2+)を囲む構造を有している。この構造の空間群は、Fm-3m(No.225)である。
対して、図2に示すように、ペロブスカイト型の化合物は、M(4価の原子イオン、M4+)を囲む酸素八面体が、A(Ba2+)を囲む構造を有している。この構造の空間群は、Pm-3m(No.221)である。
As shown in Fig. 1, the double perovskite type compound has a structure in which an oxygen octahedron surrounding M' (pentavalent atomic ion, Nb5 + ) and an oxygen octahedron surrounding M (trivalent atomic ion, M3 + ) surround A (Ba2 + ). The space group of this structure is Fm-3m (No. 225).
In contrast, perovskite-type compounds have a structure in which an oxygen octahedron surrounding M (a tetravalent atomic ion, M 4+ ) surrounds A (Ba 2+ ), as shown in Figure 2. The space group of this structure is Pm-3m (No. 221).
図1~図2から明らかなように、ダブルペロブスカイト型の化合物と、ペロブスカイト型の化合物とでは、結晶構造の対称性が明らかに異なる。この結晶構造の相違により、ダブルペロブスカイト型の化合物は、ペロブスカイト型の化合物よりも高い化学的な安定性を有するものとなっている。
ダブルペロブスカイト型の化合物は、価数の異なる元素を囲んでなる酸素八面体を複数種有しており、かさ高い元素を囲む酸素八面体間の距離が長くなる。そうすると、固体電解質内を原子が移動しやすくなる。つまり、原子の移動を伴う焼結反応が生じやすくなる。すなわち、高い焼結性を有する。
As is clear from Figures 1 and 2, the symmetry of the crystal structure is clearly different between the double perovskite type compound and the perovskite type compound. Due to this difference in crystal structure, the double perovskite type compound has higher chemical stability than the perovskite type compound.
Double perovskite type compounds have multiple oxygen octahedra surrounding elements with different valences, and the distance between the oxygen octahedra surrounding the bulky elements is long. This makes it easier for atoms to move within the solid electrolyte. In other words, sintering reactions involving the movement of atoms are more likely to occur. In other words, they have high sinterability.
本形態の固体電解質の化合物は、Ba2B1
1-xCaxNbO6であることが好ましい。この化合物は、上記組成式において、A:Ba、B2:Nb、M1:Ca、y=0の場合の化合物である。この化合物は、図1で示す結晶構造において、M(3価)の一部がCa(2価)に置換した結晶構造の化合物である。
本形態の固体電解質は、酸素欠損型の結晶構造を有することが好ましい。本形態の固体電解質は、この結晶構造を有することで、より高いプロトン伝導性を有するものとなる。
The compound of the solid electrolyte of this embodiment is preferably Ba 2 B 1 1-x Ca x NbO 6. This compound is a compound in the above composition formula where A: Ba, B 2 : Nb, M 1 : Ca, and y = 0. This compound is a compound with a crystal structure in which part of M (trivalent) is replaced with Ca (divalent) in the crystal structure shown in Figure 1.
The solid electrolyte of the present embodiment preferably has an oxygen-deficient crystal structure, which allows the solid electrolyte of the present embodiment to have higher proton conductivity.
(本形態の効果)
本形態の固体電解質は、上記した組成の化合物であり、好適なプロトン伝導性(イオン伝導性)を有する酸化物よりなる。この酸化物は、焼結性及び化学安定性に優れており、本形態の固体酸化物も焼結性及び化学安定性に優れたものとなっている。
(Effects of this embodiment)
The solid electrolyte of the present embodiment is a compound having the above-mentioned composition and is made of an oxide having suitable proton conductivity (ion conductivity). This oxide has excellent sinterability and chemical stability, and the solid oxide of the present embodiment also has excellent sinterability and chemical stability.
本形態の固体電解質は、その製造方法が限定されるものではない。例えば、以下の製造方法を用いて製造することができる。
[固体電解質の製造方法]
本形態の固体電解質の製造方法は、図3に示す各工程を有する。
(原料秤量工程:S1)
原料秤量工程は、固体電解質の原料粉末を秤量する工程である。具体的には、固体電解質の原料粉末を、固体電解質を製造できる割合で秤量する工程である。固体電解質の原料粉末は、固体電解質を構成する無機元素(A,B1,M1,B2,M2の各元素)を含有する化合物の粉末(酸化物,炭化物の粉末)を用いることができる。また、炭酸塩等の無機元素の塩化合物であってもよい。さらに、固体電解質の原料は、固体電解質を構成する無機元素を1種で含有する化合物であっても、2種以上を含有する化合物であっても、いずれでもよい。
The solid electrolyte of the present embodiment is not limited in its manufacturing method, and can be manufactured, for example, by the following manufacturing method.
[Method of manufacturing solid electrolyte]
The method for producing a solid electrolyte according to the present embodiment includes the steps shown in FIG.
(Raw material weighing process: S1)
The raw material weighing step is a step of weighing the raw material powder of the solid electrolyte. Specifically, the raw material powder of the solid electrolyte is weighed in a ratio that allows the solid electrolyte to be produced. The raw material powder of the solid electrolyte can be a powder of a compound (powder of oxide or carbide) containing inorganic elements (each element of A, B 1 , M 1 , B 2 , and M 2 ) that constitute the solid electrolyte. It may also be a salt compound of an inorganic element such as a carbonate. Furthermore, the raw material of the solid electrolyte may be either a compound containing one type of inorganic element that constitutes the solid electrolyte or a compound containing two or more types of inorganic elements.
固体電解質の原料粉末の秤量は、無機元素が所定の原子比(製造後の固体電解質の原子比)となるように秤量する。なお、焼結工程中に無機元素の一部が蒸発して原子比が変化することがある。この場合には、蒸発する当該無機元素の原料粉末は、蒸発量を含む原子比で秤量することが好ましい。つまり、当該無機元素の原料粉末は、所定の原子比よりも、蒸発量の分だけ多く秤量することが好ましい。 The raw powder of the solid electrolyte is weighed so that the inorganic elements have a predetermined atomic ratio (atomic ratio of the solid electrolyte after production). Note that some of the inorganic elements may evaporate during the sintering process, causing the atomic ratio to change. In this case, it is preferable to weigh the raw powder of the inorganic element that evaporates at an atomic ratio that includes the amount of evaporation. In other words, it is preferable to weigh out the raw powder of the inorganic element in an amount that is greater than the predetermined atomic ratio by the amount of evaporation.
(混合工程:S2)
混合工程は、秤量した原料粉末を混合する工程である。混合工程は、原料粉末を混合して、均一に混合した原料粉末を得る工程である。原料粉末を混合する方法は、各原料粉末が均一に分散した状態に混合することができれば、限定されない。例えば、ボールミル、遊星ボールミル、トロミル等の混合装置を用いて混合する方法を挙げることができる。
混合工程は、乾燥状態の原料粉末を混合する乾式混合、溶媒等に分散した状態で原料粉末を混合する湿式混合、のいずれの混合方法を用いてもよい。
(Mixing step: S2)
The mixing step is a step of mixing the weighed raw material powders. The mixing step is a step of mixing the raw material powders to obtain a uniformly mixed raw material powder. The method of mixing the raw material powders is not limited as long as each raw material powder can be mixed in a uniformly dispersed state. For example, a method of mixing using a mixing device such as a ball mill, a planetary ball mill, or a tromill can be mentioned.
The mixing step may be performed by either a dry mixing method in which the raw material powders are mixed in a dry state or a wet mixing method in which the raw material powders are mixed in a state where they are dispersed in a solvent or the like.
(乾燥工程:S3)
乾燥工程は、混合した原料粉末を乾燥する工程である。乾燥工程は、混合粉末を乾燥することができれば、具体的な乾燥方法は限定されない。乾燥工程は、混合粉末に含まれる水分(原料粉末の粒子の表面に吸着している水分)を除去する。さらに、混合工程で湿式混合を行った場合には、溶媒等の分散媒を除去する。
混合粉末を乾燥する方法は、限定されない。乾燥工程は、例えば、室温より高い温度で混合粉末を加熱して行う工程である。好ましくは、混合粉末中の水分(及び分散媒)を蒸発する温度で加熱して行う工程である。加熱温度は限定されず、50℃以上の温度とすることが好ましい。100℃以上がより好ましい。加熱時の圧力についても限定されず、常圧又は減圧された圧力であることが好ましい。
(Drying process: S3)
The drying process is a process for drying the mixed raw material powders. The drying process is not limited to a specific drying method as long as it can dry the mixed powders. The drying process removes moisture contained in the mixed powders (moisture adsorbed on the surfaces of the raw material powder particles). Furthermore, when wet mixing is performed in the mixing process, a dispersion medium such as a solvent is removed.
The method for drying the mixed powder is not limited. The drying step is, for example, a step of heating the mixed powder at a temperature higher than room temperature. Preferably, the drying step is a step of heating at a temperature at which the moisture (and dispersion medium) in the mixed powder evaporates. The heating temperature is not limited, and is preferably a temperature of 50° C. or higher. More preferably, it is 100° C. or higher. The pressure during heating is also not limited, and is preferably normal pressure or reduced pressure.
(仮焼工程:S4)
仮焼工程は、乾燥した原料粉末(混合粉末)を焼結温度未満の温度で熱処理する工程である。仮焼工程では、原料粉末(混合粉末)を熱処理することで、各原料粉末中の無機元素同士の反応(原子の拡散反応)を進行させる。無機元素同士の反応が進行すると、前駆体(全体の組成が、固体電解質の組成を有する化合物。原料粉末が混合した状態の結晶構造となっており、最終製品とは結晶構造が異なる。)が生成する。すなわち、仮焼工程は、焼結温度未満の温度で熱処理して前駆体を生成する工程である。ここで、焼結温度とは、後述の焼結工程での反応が進行する温度のうち、最も低い温度である。
(Pre-firing step: S4)
The calcination process is a process of heat-treating the dried raw material powder (mixed powder) at a temperature lower than the sintering temperature. In the calcination process, the raw material powder (mixed powder) is heat-treated to promote the reaction (atomic diffusion reaction) between the inorganic elements in each raw material powder. When the reaction between the inorganic elements progresses, a precursor (a compound having a solid electrolyte composition as a whole. The crystal structure is a mixture of the raw material powders, and the crystal structure is different from that of the final product) is generated. That is, the calcination process is a process of heat-treating the precursor at a temperature lower than the sintering temperature. Here, the sintering temperature is the lowest temperature among the temperatures at which the reaction progresses in the sintering process described below.
仮焼工程での熱処理は、焼結温度未満の温度であり、かつ前駆体を製造できる温度であればよい。例えば、焼結温度より100~300℃低い温度をあげることができる。
仮焼工程での熱処理時の圧力についても限定されないが、常圧又は減圧された圧力であることが好ましい。
仮焼工程での熱処理の処理時間についても限定されないが、前駆体を生成する反応が完了する時間とすることができる。
The heat treatment in the calcination step may be performed at a temperature lower than the sintering temperature and capable of producing a precursor, for example, at a temperature 100 to 300° C. lower than the sintering temperature.
The pressure during the heat treatment in the calcination step is not limited, but is preferably normal pressure or reduced pressure.
The treatment time for the heat treatment in the calcination step is not limited either, but may be the time required for the reaction to produce the precursor to be completed.
(粉砕工程:S5)
粉砕工程は、前駆体を粉砕する工程である。粉砕工程では、仮焼により生成した前駆体を粉砕して、前駆体粉末を製造する。前駆体粉末は、その粒子径(平均粒子径:D50)が限定されない。
粉砕工程において、前駆体を粉砕する具体的な方法は限定されない。例えば、ボールミル、遊星ボールミル、トロミル等の装置を用いて物理的に前駆体を粉砕し、前駆体粉末を得る。
(Crushing step: S5)
The pulverization step is a step of pulverizing the precursor. In the pulverization step, the precursor produced by the calcination is pulverized to produce a precursor powder. The particle size (average particle size: D50) of the precursor powder is not limited.
In the pulverization step, the specific method for pulverizing the precursor is not limited. For example, the precursor is physically pulverized using an apparatus such as a ball mill, a planetary ball mill, or a tromill to obtain a precursor powder.
(成形工程:S6)
成形工程は、粉砕工程で得られた前駆体粉末を所定の形状に成形する工程である。所定の形状とは、本形態の固体電解質を使用する時の形状(すなわち、後述の電気化学セルにおける電解質層に対応した形状)であり、板状やシート状の薄板形状をあげることができる。なお、焼結工程中に体積変化(具体的には、収縮)を生じる場合には、当該体積変化を想定した形状を所定の形状とする。
(Molding process: S6)
The forming step is a step of forming the precursor powder obtained in the pulverization step into a predetermined shape. The predetermined shape is the shape when the solid electrolyte of this embodiment is used (i.e., the shape corresponding to the electrolyte layer in the electrochemical cell described later), and examples of such shapes include a plate-like or sheet-like thin plate shape. Note that, when a volume change (specifically, shrinkage) occurs during the sintering step, the predetermined shape is a shape that assumes the volume change.
成形工程は、前駆体粉末を圧縮成形する工程であることが好ましい。前駆体粉末を圧縮成形する場合、加圧力,加圧時間,加圧温度等の成形条件は限定されない。たとえば、所定の形状に対応するキャビティを持つ成形型を用いて加圧成形する型成形,HIP成形やCIP成形等の等方圧加圧法で加圧成形する型成形等の成形方法を用いることができる。 The molding step is preferably a step of compression molding the precursor powder. When compression molding the precursor powder, the molding conditions such as pressure, pressure time, and pressure temperature are not limited. For example, molding methods such as die molding, which uses a mold having a cavity corresponding to a predetermined shape for pressure molding, and die molding, which uses an isostatic pressure method such as HIP molding or CIP molding, can be used.
(焼結工程:S7)
焼結工程は、前駆体の成形体を焼結温度以上の温度で熱処理する工程である。焼結工程では、前駆体の成形体を熱処理して前駆体を焼結させる。前駆体を焼結すると、前駆体の元素の交換反応が進行するとともに、ダブルペロブスカイト型の結晶構造を持つ化合物を生成する反応が進行して、本形態の固体電解質の化合物が生成する。ここで、焼結温度とは、前駆体が焼結する温度であり、前駆体の元素の交換反応が進行するとともに、ダブルペロブスカイト型の結晶構造を持つ化合物を生成する反応が進行して固体電解質の化合物が生成する温度のうち、最も低い温度である。熱処理温度が焼結温度より低い温度でも前駆体の元素の交換反応が生じることがあるが、ダブルペロブスカイト型の結晶構造を持つ化合物が生成する反応は進行しない。
また、焼結工程は、前駆体粉末の粒子同士の焼結反応が進行し、所定の形状の固体電解質の化合物を得ることができる。より詳しくは、上記組成の化合物(ダブルペロブスカイト型の結晶構造を持つ化合物)よりなる固体電解質を生成する。すなわち、成形工程で成形した板状やシート状等の薄板形状の固体電解質を得ることができる。
(Sintering step: S7)
The sintering step is a step of heat-treating the precursor molded body at a temperature equal to or higher than the sintering temperature. In the sintering step, the precursor molded body is heat-treated to sinter the precursor. When the precursor is sintered, an exchange reaction of the precursor elements proceeds, and a reaction to generate a compound having a double perovskite crystal structure proceeds, and a compound of the solid electrolyte of this embodiment is generated. Here, the sintering temperature is the temperature at which the precursor is sintered, and is the lowest temperature among the temperatures at which the exchange reaction of the precursor elements proceeds, and the reaction to generate a compound having a double perovskite crystal structure proceeds to generate a compound of the solid electrolyte. Even if the heat treatment temperature is lower than the sintering temperature, an exchange reaction of the precursor elements may occur, but the reaction to generate a compound having a double perovskite crystal structure does not proceed.
In the sintering step, a sintering reaction between particles of the precursor powder progresses, and a solid electrolyte compound having a predetermined shape can be obtained. More specifically, a solid electrolyte made of a compound having the above composition (a compound having a double perovskite crystal structure) is produced. That is, a solid electrolyte having a thin plate shape such as a plate or sheet shape can be obtained by molding in the molding step.
焼結工程は、焼結反応を進行できる処理条件で前駆体の成形体を熱処理する。熱処理の処理条件は、限定されない。すなわち、熱処理温度,熱処理時間,雰囲気等の熱処理条件は限定されない。熱処理温度は、前駆体の元素の交換反応が進行するとともに、ダブルペロブスカイト型の結晶構造を持つ化合物を生成する反応が進行する温度(すなわち、焼結温度以上の温度)であればよい。熱処理時間は、固体電解質の化合物を生成する反応が完了する時間であればよい。雰囲気は、固体電解質の化合物を生成する反応を進行できる雰囲気であればよい。大気~酸素雰囲気である(すなわち焼結温度以上の温度での熱処理は、酸素含有雰囲気下で行われる)ことが好ましい。
これらの各工程(S1~S7)が施されることで本形態の固体電解質が製造される。なお、上記以外の条件については、従来公知の方法(工程)を適宜用いることができる。
例えば、焼結工程の後に、表面を研磨して整形する工程を施してもよい。整形工程を施すことで、寸法精度が向上するとともに、固体電解質の化合物の清浄な表面が露出する。
In the sintering step, the precursor compact is heat-treated under treatment conditions that allow the sintering reaction to proceed. The conditions of the heat treatment are not limited. That is, the heat treatment conditions, such as the heat treatment temperature, heat treatment time, and atmosphere, are not limited. The heat treatment temperature may be a temperature at which the exchange reaction of the precursor elements proceeds and at which the reaction to generate a compound having a double perovskite crystal structure proceeds (i.e., a temperature equal to or higher than the sintering temperature). The heat treatment time may be a time at which the reaction to generate a solid electrolyte compound is completed. The atmosphere may be an atmosphere that allows the reaction to generate a solid electrolyte compound to proceed. It is preferable that the atmosphere is air to oxygen atmosphere (i.e., the heat treatment at a temperature equal to or higher than the sintering temperature is performed in an oxygen-containing atmosphere).
The solid electrolyte of the present embodiment is produced by carrying out these steps (S1 to S7). Regarding the conditions other than those described above, conventionally known methods (steps) can be appropriately used.
For example, after the sintering step, a step of polishing and shaping the surface may be carried out, which improves the dimensional accuracy and exposes a clean surface of the solid electrolyte compound.
(本形態の効果)
本形態の固体電解質の製造方法によると、上記した本形態の固体電解質、すなわち上記の組成の化合物よりなる固体電解質を製造できる。つまり、本形態の固体電解質の製造方法は、好適なプロトン伝導性を有するとともに、焼結性及び化学安定性に優れた固体電解質を製造できる効果を発揮する。
(Effects of this embodiment)
According to the method for producing a solid electrolyte of the present embodiment, the above-mentioned solid electrolyte of the present embodiment, i.e., a solid electrolyte made of a compound having the above-mentioned composition, can be produced. In other words, the method for producing a solid electrolyte of the present embodiment exhibits the effect of being able to produce a solid electrolyte having suitable proton conductivity, as well as excellent sinterability and chemical stability.
[電気化学セル]
本形態の固体電解質は、プロトン伝導性を有するものであり、この特性が要求される部材に用いることができる。例えば、電気化学セルの電解質(固体電解質)として用いることができる。
電気化学セルとは、電気化学反応によって燃料の化学エネルギーから電力を取り出す電池セル(又は電池)を示す。電気化学セルとしては、例えば、燃料電池の電池セルをあげることができる。本形態の固体電解質は、燃料電池セルの固体電解質であることが好ましい。
[Electrochemical cell]
The solid electrolyte of the present embodiment has proton conductivity and can be used in components that require this property, for example, as an electrolyte (solid electrolyte) for electrochemical cells.
An electrochemical cell refers to a battery cell (or battery) that extracts electric power from the chemical energy of fuel through an electrochemical reaction. An example of an electrochemical cell is a battery cell of a fuel cell. The solid electrolyte of the present embodiment is preferably a solid electrolyte of a fuel cell.
[燃料電池]
本形態の固体電解質が用いられる燃料電池セル(燃料電池)は、その構成が限定されない。燃料電池セルは、従来知られたプロトン導電性セラミックス燃料電池(PCFC)の燃料電池セルと同様な構成とすることができる。特に言及しない燃料電池セルの構成は、従来公知の構成を適用できる。燃料電池セルは、例えば、電解質層、燃料極、及び空気極を有する。
電解質層は、本形態の固体電解質よりなる。電解質層は、板状に形成された固体電解質よりなる。
燃料極は、板状の電解質層の一方の表面に形成される。燃料極は、水素を含む燃料(燃料ガス)が供給される極である。燃料極は、電解質層の一方の表面に一体に設けられた電極体を有する。この電極体は、水素を含むガス(燃料ガス)の透過を許容する多数の孔を有する箔状(網状)である。燃料極では、電極体の多数の孔を燃料ガスが通過し、電解質層の一方の表面に水素が接触して電極反応を生じる。電極反応で生じた電子は、電極体から外部素子に流れる。すなわち、上記の反応3の反応を生じる。
空気極は、板状の電解質層の他方の表面に形成される。空気極は、酸素を含むガス(空気)が供給される極である。空気極は、電解質層の他方の表面に一体に設けられた触媒及び電極体を有する。この電極体は、ガスの透過を許容する多数の孔を有する箔状(網状)である。空気極では、電極体の多数の孔を酸素を含むガス(空気)が通過し、電解質層の他方の表面に酸素が接触して反応する。電極反応で消費される電子は、外部素子から電極体を介して流れる。すなわち、上記の反応4の反応を生じる。
[Fuel Cell]
The structure of the fuel cell (fuel cell) using the solid electrolyte of this embodiment is not limited. The fuel cell may have the same structure as a conventionally known proton conductive ceramic fuel cell (PCFC). The structure of the fuel cell not specifically mentioned may be a conventionally known structure. The fuel cell may have, for example, an electrolyte layer, a fuel electrode, and an air electrode.
The electrolyte layer is made of the solid electrolyte of the present embodiment. The electrolyte layer is made of the solid electrolyte formed in a plate shape.
The fuel electrode is formed on one surface of a plate-shaped electrolyte layer. The fuel electrode is an electrode to which a fuel (fuel gas) containing hydrogen is supplied. The fuel electrode has an electrode body integrally provided on one surface of the electrolyte layer. This electrode body is in the form of a foil (mesh) having a large number of holes that allow the passage of a gas (fuel gas) containing hydrogen. In the fuel electrode, the fuel gas passes through the large number of holes in the electrode body, and hydrogen comes into contact with one surface of the electrolyte layer, causing an electrode reaction. Electrons generated in the electrode reaction flow from the electrode body to an external element. That is, the above-mentioned
The air electrode is formed on the other surface of the plate-like electrolyte layer. The air electrode is an electrode to which oxygen-containing gas (air) is supplied. The air electrode has a catalyst and an electrode body integrally provided on the other surface of the electrolyte layer. This electrode body is in the form of a foil (mesh) having a large number of holes that allow the gas to pass through. In the air electrode, the oxygen-containing gas (air) passes through the large number of holes in the electrode body, and the oxygen comes into contact with the other surface of the electrolyte layer and reacts. The electrons consumed in the electrode reaction flow from the external element through the electrode body. In other words, the above reaction 4 occurs.
燃料電池セルは、更に、燃料極セパレータと、空気極セパレータとにより電解質層が挟持された構成とすることができる。燃料極セパレータは、複数の燃料ガス流路を備え、空気極セパレータは、複数の酸素を含むガス流路を備える。燃料極セパレータ及び空気極セパレータは、電解質層と対向する表面に形成した流路(燃料ガス流路,酸素を含むガス流路)の断面形状が限定されない。
燃料電池は、複数の燃料電池セルを積層した構成としてもよい。
The fuel cell may further have a configuration in which the electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode separator and an air electrode separator. The fuel electrode separator has a plurality of fuel gas flow paths, and the air electrode separator has a plurality of oxygen-containing gas flow paths. The cross-sectional shapes of the flow paths (fuel gas flow paths, oxygen-containing gas flow paths) formed on the surfaces of the fuel electrode separator and the air electrode separator facing the electrolyte layer are not limited.
The fuel cell may have a configuration in which a plurality of fuel cells are stacked.
(本形態の効果)
本形態の電気化学セルは、本形態の固体電解質を電解質層に用いてなることを特徴とする。すなわち、上記した効果の固体電解質を用いてなるものであり、上記した効果(特に長寿命の効果)を発揮する。
(Effects of this embodiment)
The electrochemical cell of the present embodiment is characterized in that it uses the solid electrolyte of the present embodiment in an electrolyte layer, that is, it uses the solid electrolyte having the above-mentioned effects, and exerts the above-mentioned effects (especially the effect of a long life).
以下、実施例を用いて本発明を具体的に説明する。実施例として、固体電解質を製造する。
(実施例1)
本例の固体電解質は、Ba2Nd0.8Ca0.2NbO6で示される化合物よりなる。この化合物は、上記組成式において、A:Ba、B1:Nd、B2:Nb、M1:Ca、x=0.2、y=0の場合の化合物である。
The present invention will be described in detail below with reference to examples. As examples, solid electrolytes are produced.
Example 1
The solid electrolyte of this example is made of a compound represented by Ba 2 Nd 0.8 Ca 0.2 NbO 6. This compound is a compound in which A: Ba, B 1 : Nd, B 2 : Nb, M 1 : Ca, x=0.2, and y=0 in the above composition formula.
本例の固体電解質は、上記の製造方法を用いて製造する。具体的には、以下の各工程を施して製造する。
(原料秤量工程:S1)
原料秤量工程では、Ba源としてBaCO3を、Nd源としてNd2O3を、Ca源としてCaCO3を、Nb源としてNb2O5を、それぞれ準備する。
準備した各化合物の粉末を、Ba:Nd:Ca:Nbの原子比が2:0.8:0.2:1となるように秤量する。
(混合工程:S2)
準備した各化合物の粉末を、100rpm×24時間の条件で、ボールミルで均一に混合する。
(乾燥工程:S3)
混合した原料粉末を、50℃×1時間の条件(常圧下)で保持し、乾燥する。
(仮焼工程:S4)
乾燥した原料粉末を焼成容器内に投入する。原料粉末は、焼成容器内で非圧縮の状態で保持される。
続いて、焼成容器を加熱炉内に配置し、1300℃×10時間の条件(常圧下)で熱処理する。この熱処理により、前駆体酸化物(原料粉末が混在した状態で全体の組成がBa2Nd0.8Ca0.2NbO6)が生成する。
The solid electrolyte of this example is produced by the above-mentioned production method, specifically, by carrying out the following steps.
(Raw material weighing process: S1)
In the raw material weighing process, BaCO3 is prepared as the Ba source, Nd2O3 is prepared as the Nd source, CaCO3 is prepared as the Ca source, and Nb2O5 is prepared as the Nb source.
The powders of the prepared compounds were weighed out so that the atomic ratio of Ba:Nd:Ca:Nb was 2:0.8:0.2:1.
(Mixing step: S2)
The powders of the prepared compounds are mixed uniformly in a ball mill at 100 rpm for 24 hours.
(Drying process: S3)
The mixed raw material powders are kept under the conditions of 50° C.×1 hour (at atmospheric pressure) and dried.
(Pre-firing step: S4)
The dried raw material powder is charged into the firing vessel, where it is maintained in an uncompressed state.
The firing container is then placed in a heating furnace and heat-treated at 1300° C. for 10 hours (at atmospheric pressure). This heat treatment produces a precursor oxide (a mixture of raw material powders with an overall composition of Ba 2 Nd 0.8 Ca 0.2 NbO 6 ).
(粉砕工程:S5)
仮焼工程(S4)で生成した前駆体酸化物を、放冷後、100rpm×24時間の条件で、ボールミルで粉砕する。前駆体酸化物は、この粉砕により、粒子径が5μm以下となる。
(成形工程:S6)
得られた前駆体酸化物の粉末を、φ18mm、厚さ1.5mmの円板状(所定の形状)に成形する。前駆体酸化物の粉末の成形は、成形圧:98.0665MPa(1ton重/cm2)で押圧する。
(焼結工程:S7)
成形体を加熱炉内に配置し、1500℃×10時間の条件(大気雰囲気、常圧下)で熱処理する。なお、本例の固体電解質の焼結温度は、1500℃である。この熱処理により、円板状の本例の固体電解質が製造された。製造された本例の固体電解質は、割れ等の不良が無い緻密な焼結体となっている。すなわち、H2やO2等のガスを透過しない固体電解質となっている。
(Crushing step: S5)
The precursor oxide produced in the calcination step (S4) is allowed to cool, and then pulverized in a ball mill at 100 rpm for 24 hours. The precursor oxide is pulverized to have a particle size of 5 μm or less.
(Molding process: S6)
The obtained precursor oxide powder is molded into a disk (predetermined shape) having a diameter of 18 mm and a thickness of 1.5 mm. The precursor oxide powder is molded by pressing at a molding pressure of 98.0665 MPa (1 ton weight/cm 2 ).
(Sintering step: S7)
The compact is placed in a heating furnace and heat-treated at 1500°C for 10 hours (atmospheric atmosphere, normal pressure). The sintering temperature of the solid electrolyte of this example is 1500°C. This heat treatment produces a disk-shaped solid electrolyte of this example. The produced solid electrolyte of this example is a dense sintered body without defects such as cracks. In other words, it is a solid electrolyte that does not transmit gases such as H2 and O2 .
(実施例2)
本例の固体電解質は、Ba2NdNbO6で示される化合物よりなる。この化合物は、上記組成式において、A:Ba、B1:Nd、B2:Nb、x=0、y=0の場合の化合物である。
本例の固体電解質は、原料秤量工程(S1)の各化合物の粉末の配合を変更した以外は、実施例1と同様に製造された。なお、本例の固体電解質の焼結温度は、1500℃である。
Example 2
The solid electrolyte of this example is made of a compound represented by Ba 2 NdNbO 6. This compound is a compound in which A: Ba, B 1 : Nd, B 2 : Nb, x=0, and y=0 in the above composition formula.
The solid electrolyte of this example was produced in the same manner as in Example 1, except that the blending ratio of the powders of the respective compounds in the raw material weighing step (S1) was changed. The sintering temperature of the solid electrolyte of this example was 1500° C.
(実施例3)
本例の固体電解質は、Ba2Gd0.7Ca0.3NbO6で示される化合物よりなる。この化合物は、上記組成式において、A:Ba、B1:Gd、B2:Nb、M1:Ca、x=0.3、y=0の場合の化合物である。
本例の固体電解質は、実施例1と同様に製造した。実施例1との相違点を以下に示す。
原料秤量工程(S1)においては、Gd源としてGd2O3を用いた。
仮焼工程(S4)においては、1350℃×10時間の条件(常圧下)で熱処理する。この熱処理により、前駆体酸化物(原料粉末が混在した状態で全体の組成がBa2Gd0.7Ca0.3NbO6)が生成する。
焼結工程(S7)においては、1600℃×10時間の条件(大気雰囲気、常圧下)で熱処理する。なお、本例の固体電解質の焼結温度は、1600℃である。
Example 3
The solid electrolyte of this example is made of a compound represented by Ba 2 Gd 0.7 Ca 0.3 NbO 6. This compound is a compound in which A: Ba, B 1 : Gd, B 2 : Nb, M 1 : Ca, x=0.3, and y=0 in the above composition formula.
The solid electrolyte of this example was produced in the same manner as in Example 1. The differences from Example 1 are as follows.
In the raw material weighing step (S1), Gd 2 O 3 was used as the Gd source.
In the calcination step (S4), heat treatment is performed under the conditions of 1350° C.×10 hours (at atmospheric pressure) to generate a precursor oxide (a mixture of raw material powders with an overall composition of Ba 2 Gd 0.7 Ca 0.3 NbO 6 ).
In the sintering step (S7), the solid electrolyte is heat-treated at 1600° C. for 10 hours (at atmospheric pressure). The sintering temperature of the solid electrolyte in this example is 1600° C.
(実施例4)
本例の固体電解質は、Ba2Gd0.8Ca0.2NbO6で示される化合物よりなる。この化合物は、上記組成式において、A:Ba、B1:Gd、B2:Nb、M1:Ca、x=0.2、y=0の場合の化合物である。
本例の固体電解質は、原料秤量工程(S1)の各化合物の粉末の配合を変更した以外は、実施例3と同様に製造された。なお、本例の固体電解質の焼結温度は、1600℃である。
Example 4
The solid electrolyte of this example is made of a compound represented by Ba 2 Gd 0.8 Ca 0.2 NbO 6. This compound is a compound in which A: Ba, B 1 : Gd, B 2 : Nb, M 1 : Ca, x=0.2, and y=0 in the above composition formula.
The solid electrolyte of this example was produced in the same manner as in Example 3, except that the blending ratio of the powders of the respective compounds in the raw material weighing step (S1) was changed. The sintering temperature of the solid electrolyte of this example was 1600° C.
(実施例5)
本例の固体電解質は、Ba2GdNbO6で示される化合物よりなる。この化合物は、上記組成式において、A:Ba、B1:Gd、B2:Nb、x=0、y=0の場合の化合物である。
本例の固体電解質は、原料秤量工程(S1)の各化合物の粉末の配合を変更した以外は、実施例3と同様に製造された。なお、本例の固体電解質の焼結温度は、1600℃である。
Example 5
The solid electrolyte of this example is made of a compound represented by Ba 2 GdNbO 6. This compound is a compound in which A: Ba, B 1 : Gd, B 2 : Nb, x=0, and y=0 in the above composition formula.
The solid electrolyte of this example was produced in the same manner as in Example 3, except that the blending ratio of the powders of the respective compounds in the raw material weighing step (S1) was changed. The sintering temperature of the solid electrolyte of this example was 1600° C.
(実施例6)
本例の固体電解質は、Ba2La0.9Ca0.1NbO6で示される化合物よりなる。この化合物は、上記組成式において、A:Ba、B1:La、B2:Nb、M1:Ca、x=0.1、y=0の場合の化合物である。
本例の固体電解質は、実施例1と同様に製造した。実施例1との相違点を以下に示す。
原料秤量工程(S1)においては、La源としてLa2O3を用いた。
仮焼工程(S4)においては、1350℃×10時間の条件(常圧下)で熱処理する。この熱処理により、前駆体酸化物(原料粉末が混在した状態で全体の組成がBa2La0.9Ca0.1NbO6)が生成する。
焼結工程(S7)においては、1600℃×10時間の条件(大気雰囲気、常圧下)で熱処理する。なお、本例の固体電解質の焼結温度は、1600℃である。
Example 6
The solid electrolyte of this example is made of a compound represented by Ba2La0.9Ca0.1NbO6 . This compound is a compound in which A:Ba, B1 :La, B2 :Nb, M1 :Ca, x= 0.1 , and y=0 in the above composition formula.
The solid electrolyte of this example was produced in the same manner as in Example 1. The differences from Example 1 are as follows.
In the raw material weighing step (S1), La 2 O 3 was used as the La source.
In the calcination step (S4), heat treatment is performed under the condition of 1350° C.×10 hours (at atmospheric pressure) to generate a precursor oxide (a mixture of raw material powders with an overall composition of Ba 2 La 0.9 Ca 0.1 NbO 6 ).
In the sintering step (S7), the solid electrolyte is heat-treated at 1600° C. for 10 hours (at atmospheric pressure). The sintering temperature of the solid electrolyte in this example is 1600° C.
(比較例1)
本例の固体電解質は、BaZr0.95Y0.05O3で示される化合物よりなる。本例の固体電解質は、化合物の組成及び結晶構造が各実施例のものとは異なる。本例の化合物は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する。
本例の固体電解質は、実施例1と同様に製造した。実施例1との相違点を以下に示す。
原料秤量工程(S1)においては、Ba源としてBaCO3を、Zr源としてZrO2を、Y源としてY2O3を、それぞれ用いた。準備した各化合物の粉末を、Ba:Zr:Yの原子比が1:0.95:0.05となるように秤量する。
仮焼工程(S4)においては、1400℃×10時間の条件(常圧下)で熱処理する。この熱処理により、前駆体酸化物(原料粉末が混在した状態で全体の組成がBaZr0.95Y0.05O3)が生成する。
焼結工程(S7)においては、1600℃×10時間の条件(大気雰囲気、常圧下)で熱処理する。
(Comparative Example 1)
The solid electrolyte of this example is made of a compound represented by BaZr0.95Y0.05O3 . The solid electrolyte of this example differs from those of the other examples in the composition and crystal structure of the compound. The compound of this example has a perovskite-type crystal structure.
The solid electrolyte of this example was produced in the same manner as in Example 1. The differences from Example 1 are as follows.
In the raw material weighing step (S1), BaCO3 was used as the Ba source, ZrO2 was used as the Zr source, and Y2O3 was used as the Y source. The powders of the prepared compounds were weighed so that the atomic ratio of Ba:Zr:Y was 1:0.95:0.05.
In the calcination step (S4), heat treatment is performed under conditions of 1400° C.×10 hours (at atmospheric pressure) to generate a precursor oxide (a mixture of raw material powders with an overall composition of BaZr 0.95 Y 0.05 O 3 ).
In the sintering step (S7), heat treatment is performed under the conditions of 1600° C.×10 hours (in air, under normal pressure).
(比較例2)
本例の固体電解質は、BaCe0.9Nd0.1O3で示される化合物よりなる。本例の固体電解質は、化合物の組成及び結晶構造が各実施例のものとは異なる。本例の化合物は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する。
本例の固体電解質は、実施例1と同様に製造した。実施例1との相違点を以下に示す。
原料秤量工程(S1)においては、Ba源としてBaCO3を、Ce源としてCeO2を、Nd源としてNd2O3を用いた。準備した各化合物の粉末を、Ba:Ce:Ndの原子比が1:0.9:0.1となるように秤量する。
仮焼工程(S4)においては、1400℃×10時間の条件(常圧下)で熱処理する。この熱処理により、前駆体酸化物(原料粉末が混在した状態で全体の組成がBaCe0.9Nd0.1O3)が生成する。
焼結工程(S7)においては、1600℃×10時間の条件(大気雰囲気、常圧下)で熱処理する。
(Comparative Example 2)
The solid electrolyte of this example is made of a compound represented by BaCe0.9Nd0.1O3 . The solid electrolyte of this example differs from those of the other examples in the composition and crystal structure of the compound. The compound of this example has a perovskite-type crystal structure.
The solid electrolyte of this example was produced in the same manner as in Example 1. The differences from Example 1 are as follows.
In the raw material weighing step (S1), BaCO3 was used as the Ba source, CeO2 was used as the Ce source, and Nd2O3 was used as the Nd source. The powders of the prepared compounds were weighed so that the atomic ratio of Ba:Ce:Nd was 1:0.9:0.1.
In the calcination step (S4), heat treatment is performed under the conditions of 1400° C.×10 hours (at atmospheric pressure) to generate a precursor oxide (a mixture of raw material powders with an overall composition of BaCe 0.9 Nd 0.1 O 3 ).
In the sintering step (S7), heat treatment is performed under the conditions of 1600° C.×10 hours (in air, under normal pressure).
[評価]
上記の各例の固体電解質の評価を行った。固体電解質の評価として、XRDの回折パターンの測定、プロトン伝導度の測定を行った。
[evaluation]
The solid electrolytes of the above examples were evaluated by measuring the XRD diffraction pattern and the proton conductivity.
[XRD]
各実施例の固体電解質のXRDを測定し、実施例1~2の測定結果を図4に、実施例3~5の測定結果を図5に、それぞれ示した。
図4~図5に示すように、実施例1と実施例2を比較すると、実施例1の固体電解質は、実施例2の固体電解質のNdの一部がCaに、部分的に置換していることが確認できる。実施例3~4と実施例5を比較すると、同様に、実施例3~4の固体電解質は、実施例5の固体電解質のGdの一部がCaに、部分的に置換していることが確認できる。
[XRD]
The XRD of the solid electrolyte of each Example was measured, and the measurement results of Examples 1 and 2 are shown in FIG. 4, and the measurement results of Examples 3 to 5 are shown in FIG.
4 and 5, when Example 1 is compared with Example 2, it can be seen that in the solid electrolyte of Example 1, a part of Nd in the solid electrolyte of Example 2 is partially substituted with Ca. When Examples 3 and 4 are compared with Example 5, it can be seen that in the solid electrolytes of Examples 3 and 4, a part of Gd in the solid electrolyte of Example 5 is partially substituted with Ca.
すなわち、Ba2B1
1-xCaxNbO6(B1:Nd又はGd、0≦x≦0.30)である実施例1~5の固体電解質は、B1がCaに部分的に置換可能であり、この置換により酸素欠損が生じ(酸素欠損型の結晶構造を有し)、高いプロトン伝導性を有することがわかる。
また、実施例1~5の固体電解質は、図4~図5のXRDの回折パターンから、ダブルペロブスカイト型の結晶構造を有していることが確認できる。ダブルペロブスカイト型の結晶構造を有することで、実施例1~5の固体電解質は、高い化学的な安定性を有するものとなっている。さらに、実施例1~5の固体電解質は、ダブルペロブスカイト型の結晶構造を有することから、焼結性にも優れたものとなっている。
加えて、実施例1~5の固体電解質のXRDの回折パターンは、図4~図5に示したように、シャープなピークを示している。つまり、実施例1~5の固体電解質は、高い結晶性を有するものとなっている。そして、実施例1~5の固体電解質は、不良の無い焼結体よりなっており、焼結性に優れたものとなっている。
That is, in the solid electrolytes of Examples 1 to 5, which are Ba 2 B 1 1-x Ca x NbO 6 (B 1 : Nd or Gd, 0≦x≦0.30), B 1 can be partially substituted with Ca, and this substitution causes oxygen deficiency (having an oxygen-deficient crystal structure), and it is found that the solid electrolytes have high proton conductivity.
Moreover, it can be confirmed that the solid electrolytes of Examples 1 to 5 have a double perovskite crystal structure from the XRD diffraction patterns of Figures 4 and 5. By having a double perovskite crystal structure, the solid electrolytes of Examples 1 to 5 have high chemical stability. Furthermore, since the solid electrolytes of Examples 1 to 5 have a double perovskite crystal structure, they also have excellent sinterability.
In addition, the XRD diffraction patterns of the solid electrolytes of Examples 1 to 5 show sharp peaks, as shown in Figures 4 and 5. In other words, the solid electrolytes of Examples 1 to 5 have high crystallinity. Moreover, the solid electrolytes of Examples 1 to 5 are made of sintered bodies without defects, and have excellent sinterability.
[XRD]
実施例6の固体電解質のXRDを測定し、測定結果を図6に示した。
図6のXRDの回折パターンは、図4~図5のXRDの回折パターンと同様なピークを備えている。すなわち、実施例6の固体電解質は、実施例1~5の固体電解質と同様に、ダブルペロブスカイト型の結晶構造を有していることが確認できる。このため、実施例6の固体電解質は、実施例1~5の固体電解質と同様に、高い化学的な安定性を有するものとなっている。さらに、実施例6の固体電解質は、ダブルペロブスカイト型の結晶構造を有することから、焼結性にも優れたものとなっている。
実施例6の固体電解質のXRDの回折パターンも、シャープなピークを示している。つまり、実施例6の固体電解質も、実施例1~5と同様に高い結晶性を有するものとなっており、焼結性に優れたものとなっている。
[XRD]
The solid electrolyte of Example 6 was subjected to XRD measurement, and the measurement results are shown in FIG.
The XRD diffraction pattern in Fig. 6 has peaks similar to those of the XRD diffraction patterns in Figs. 4 and 5. That is, it can be confirmed that the solid electrolyte of Example 6 has a double perovskite crystal structure, similar to the solid electrolytes of Examples 1 to 5. Therefore, the solid electrolyte of Example 6 has high chemical stability, similar to the solid electrolytes of Examples 1 to 5. Furthermore, since the solid electrolyte of Example 6 has a double perovskite crystal structure, it also has excellent sinterability.
The XRD diffraction pattern of the solid electrolyte of Example 6 also shows a sharp peak. In other words, the solid electrolyte of Example 6 also has high crystallinity like Examples 1 to 5, and is excellent in sinterability.
[プロトン伝導度]
実施例1,4の評価として、プロトン伝導度を交流インピーダンス法で測定し、測定結果を図7に示した。図7には、比較例1,2のプロトン伝導度(文献値)を合わせて示した。
図7に示すように、実施例1及び実施例4の固体電解質は、比較例1及び比較例2の固体電解質よりも、高いプロトン伝導度を有している。つまり、ダブルペロブスカイト型の結晶構造をもつ化合物は、ペロブスカイト型の結晶構造の化合物よりもプロトン伝導性に優れたものとなっている。
以上に説明したように、各実施例の固体電解質は、各比較例の固体電解質と比較して、優れたプロトン伝導性を有する。
[Proton Conductivity]
To evaluate Examples 1 and 4, the proton conductivity was measured by an AC impedance method, and the measurement results are shown in Fig. 7. Fig. 7 also shows the proton conductivity (literature value) of Comparative Examples 1 and 2.
7, the solid electrolytes of Examples 1 and 4 have higher proton conductivity than the solid electrolytes of Comparative Examples 1 and 2. In other words, the compound having a double perovskite crystal structure has better proton conductivity than the compound having a perovskite crystal structure.
As described above, the solid electrolytes of the Examples have superior proton conductivity compared to the solid electrolytes of the Comparative Examples.
以上に詳述したように、各実施例の固体電解質は、各比較例と比較して、プロトン伝導性に優れたものとなっている。各実施例の固体電解質は、その結晶構造から、焼結性及び化学安定性に優れたものとなっている。
この結果、これらの固体電解質を用いた電気化学セル(燃料電池セル)は、性能に優れた長寿命のものとなる効果を発揮する。
さらに、本発明の製造方法によると、これらの効果を発揮する固体電解質を製造できる。
As described above in detail, the solid electrolytes of the Examples have superior proton conductivity compared to the Comparative Examples, and the solid electrolytes of the Examples have superior sinterability and chemical stability due to their crystal structures.
As a result, electrochemical cells (fuel cells) using these solid electrolytes have the effect of being excellent in performance and having a long life.
Furthermore, according to the manufacturing method of the present invention, a solid electrolyte exhibiting these effects can be manufactured.
Claims (7)
所定の原子比となるように秤量した原料粉末を混合して、焼結温度未満の温度で熱処理して前駆体を生成する工程と、
前記前駆体を焼結温度以上の温度で熱処理する工程と、
を有することを特徴とする固体電解質の製造方法。 A method for producing a solid electrolyte which is at least one compound selected from Ba2Nd0.8Ca0.2NbO6 , Ba2NdNbO6 , Ba2Gd0.7Ca0.3NbO6 , Ba2Gd0.8Ca0.2NbO6 , Ba2GdNbO6 , and Ba2La0.9Ca0.1NbO6 , comprising :
A step of mixing raw material powders weighed to have a predetermined atomic ratio and heat treating the mixture at a temperature lower than the sintering temperature to generate a precursor;
heat treating the precursor at a temperature equal to or greater than the sintering temperature;
2. A method for producing a solid electrolyte comprising the steps of:
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