JP7852382B2 - Solid electrolyte powder, fuel electrode components and solid electrolyte layer components for solid oxide electrolytic cells, and solid oxide electrolytic cells - Google Patents
Solid electrolyte powder, fuel electrode components and solid electrolyte layer components for solid oxide electrolytic cells, and solid oxide electrolytic cellsInfo
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Description
本発明は、固体電解質粉末、固体酸化物形電解セル用の燃料極用部材および固体電解質層用部材、ならびに固体酸化物形電解セルに関する。 This invention relates to a solid electrolyte powder, a fuel electrode component and a solid electrolyte layer component for a solid oxide electrolytic cell, and a solid oxide electrolytic cell.
近年、水蒸気や二酸化炭素、またはそれらの混合ガスを電気分解し、水素および一酸化炭素を生成することができる固体酸化物形電解セル(SOEC)が着目されている。SOECは、燃料極および酸素極と、両電極の間に設けられた固体電解質層とを有し、この固体電解質層中を酸化物イオンが伝導することにより作動する。 In recent years, solid oxide electrolytic cells (SOECs), which can electrolyze water vapor, carbon dioxide, or mixtures thereof to produce hydrogen and carbon monoxide, have attracted attention. An SOEC has a fuel electrode, an oxygen electrode, and a solid electrolyte layer between the two electrodes. It operates through the conduction of oxide ions within this solid electrolyte layer.
通常、固体電解質層には、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)のような固体電解質が使用され、燃料極には、NiとYSZの混合物などが使用される。 Typically, solid electrolytes such as yttria-stabilized zirconia (YSZ) are used in the solid electrolyte layer, while mixtures of Ni and YSZ are used in the fuel electrode.
SOECの低電力での作動を実現するためには、燃料極や固体電解質層に含まれる材料の酸化物イオン伝導率を高めることが必要となる。このため、YSZに代わる候補材料の研究開発が進められている。 To achieve low-power operation of SOECs, it is necessary to increase the oxide ion conductivity of the materials contained in the fuel electrode and solid electrolyte layer. Therefore, research and development of alternative materials to YSZ is underway.
非特許文献1には、例えば、CaTiO3系ペロブスカイト型構造の化合物において、Tiのサイトの一部をAlで置換することにより、高温域でのイオン伝導率が向上することが記載されている。 Non-patent document 1 describes, for example, that in a CaTiO3 -based perovskite-type compound, substituting some of the Ti sites with Al improves the ionic conductivity in the high-temperature range.
ただし、非特許文献1によれば、CaTi1-xAlxO3系化合物は、ある温度を境に、温度とイオン伝導率の間の関係が変化する挙動を有し、すなわち、温度とイオン伝導率の関係において、800℃~900℃の範囲に「折れ点」が生じることが示されている。温度とイオン伝導率の間の関係に、そのような「折れ点」が生じると、低温側で材料のイオン伝導率が大きく低下してしまうという問題がある。 However, according to Non-Patent Literature 1, CaTi 1-x Al x O 3 -type compounds exhibit a behavior in which the relationship between temperature and ionic conductivity changes at a certain temperature; that is, a "bend point" occurs in the relationship between temperature and ionic conductivity in the range of 800°C to 900°C. When such a "bend point" occurs in the relationship between temperature and ionic conductivity, there is a problem that the ionic conductivity of the material decreases significantly at low temperatures.
本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、本発明では、低温側においても有意に高いイオン伝導率を有する固体電解質粉末を提供することを目的とする。また、本発明では、そのような固体電解質粉末から作製された固体酸化物形電解セル用の燃料極用部材を提供することを目的とする。また、本発明では、そのような固体電解質粉末で構成された固体酸化物形電解セル用の固体電解質層用部材を提供することを目的とする。さらに、本発明では、そのような燃料極用部材および/または固体電解質層用部材を有する固体酸化物形電解セルを提供することを目的とする。 This invention has been made in view of the above background, and aims to provide a solid electrolyte powder that has significantly high ionic conductivity even at low temperatures. Furthermore, this invention aims to provide a fuel electrode component for a solid oxide electrolytic cell made from such a solid electrolyte powder. Furthermore, this invention aims to provide a solid electrolyte layer component for a solid oxide electrolytic cell composed of such a solid electrolyte powder. Finally, this invention aims to provide a solid oxide electrolytic cell having such a fuel electrode component and/or solid electrolyte layer component.
本発明では、
固体電解質粉末であって、
ペロブスカイト型構造の化合物と、マイエナイト型構造の化合物とを含み、
前記ペロブスカイト型構造の化合物は、CaおよびTiを含み、
当該固体電解質粉末は、TiとAlの合計量に対するAlの含有量y(=Al/(Ti+Al))が、原子比で、0.05以上0.60未満である、固体電解質粉末が提供される。
In this invention,
A solid electrolyte powder,
It contains compounds with a perovskite structure and compounds with a mayenite structure.
The compound having the perovskite structure comprises Ca and Ti,
The provided solid electrolyte powder has an Al content y (= Al / (Ti + Al)) relative to the total amount of Ti and Al that is 0.05 or more and less than 0.60 in atomic ratio.
また、本発明では、
固体酸化物形電解セル用の燃料極用部材であって、
当該燃料極用部材は、遷移金属および固体電解質を有し、
該固体電解質は、ペロブスカイト型構造の化合物と、マイエナイト型構造の化合物とを含み、
前記ペロブスカイト型構造の化合物は、CaおよびTiを含み、
前記固体電解質は、TiとAlの合計量に対するAlの含有量y(=Al/(Ti+Al))が、原子比で、0.05以上0.60未満である、燃料極用部材が提供される。
Furthermore, in this invention,
A fuel electrode component for a solid oxide type electrolytic cell,
The fuel electrode component comprises a transition metal and a solid electrolyte.
The solid electrolyte comprises a compound with a perovskite structure and a compound with a mayenite structure.
The compound having the perovskite structure comprises Ca and Ti,
The provided solid electrolyte is a fuel electrode component in which the Al content y (= Al / (Ti + Al)) relative to the total amount of Ti and Al is 0.05 or more and less than 0.60 in atomic ratio.
また、本発明では、
固体酸化物形電解セル用の固体電解質層用部材であって、
当該固体電解質層用部材は、固体電解質を有し、
該固体電解質は、ペロブスカイト型構造の化合物と、マイエナイト型構造の化合物とを含み、
前記ペロブスカイト型構造の化合物は、CaおよびTiを含み、
前記固体電解質は、TiとAlの合計量に対するAlの含有量y(=Al/(Ti+Al))が、原子比で、0.05以上0.60未満である、固体電解質層用部材が提供される。
Furthermore, in this invention,
A component for the solid electrolyte layer of a solid oxide type electrolytic cell,
The solid electrolyte layer member has a solid electrolyte,
The solid electrolyte comprises a compound with a perovskite structure and a compound with a mayenite structure.
The compound having the perovskite structure comprises Ca and Ti,
The provided solid electrolyte layer member has an Al content y (= Al / (Ti + Al)) relative to the total amount of Ti and Al, which is 0.05 or more and less than 0.60 in atomic ratio.
さらに、本発明では、
燃料極と、
酸素極と、
前記燃料極と前記酸素極との間に設置された固体電解質層と、
を有し、
前記燃料極および/または前記固体電解質層は、前述の特徴を有する燃料極用部材および/または固体電解質層用部材で構成される、固体酸化物形電解セルが提供される。
Furthermore, in the present invention,
Fuel electrode and
Oxygen electrode and
A solid electrolyte layer is placed between the fuel electrode and the oxygen electrode,
It has,
A solid oxide electrolytic cell is provided, comprising a fuel electrode member and/or a solid electrolyte layer member having the above-described characteristics.
本発明では、低温側においても有意に高いイオン伝導率を有する固体電解質粉末を提供することができる。また、本発明では、そのような固体電解質粉末から作製された固体酸化物形電解セル用の燃料極用部材を提供することができる。また、本発明では、そのような固体電解質粉末で構成された固体酸化物形電解セル用の固体電解質層用部材を提供することができる。さらに、本発明では、そのような燃料極および/または固体電解質層を有する固体酸化物形電解セルを提供することができる。 The present invention provides a solid electrolyte powder that exhibits significantly high ionic conductivity even at low temperatures. Furthermore, the present invention provides a fuel electrode component for a solid oxide electrolytic cell made from such a solid electrolyte powder. The present invention also provides a solid electrolyte layer component for a solid oxide electrolytic cell composed of such a solid electrolyte powder. Moreover, the present invention provides a solid oxide electrolytic cell having such a fuel electrode and/or solid electrolyte layer.
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。 The following describes one embodiment of the present invention with reference to the drawings.
本発明の一実施形態では、
固体電解質粉末であって、
ペロブスカイト型構造の化合物と、マイエナイト型構造の化合物とを含み、
前記ペロブスカイト型構造の化合物は、CaおよびTiを含み、
当該固体電解質粉末は、TiとAlの合計量に対するAlの含有量y(=Al/(Ti+Al))が、原子比で、0.05以上0.60未満である、固体電解質粉末が提供される。
In one embodiment of the present invention,
A solid electrolyte powder,
It contains compounds with a perovskite structure and compounds with a mayenite structure.
The compound having the perovskite structure comprises Ca and Ti,
The provided solid electrolyte powder has an Al content y (= Al / (Ti + Al)) relative to the total amount of Ti and Al that is 0.05 or more and less than 0.60 in atomic ratio.
本発明の一実施形態による固体電解質粉末は、C12A7構造(Ca12Al14O33)のマイエナイト化合物を含む。 A solid electrolyte powder according to one embodiment of the present invention contains a meienite compound with a C12A7 structure (Ca 12 Al 14 O 33 ).
マイエナイト化合物は、12CaO・7Al2O3で表される代表組成を有し、三次元的に連結された直径約0.4nmの空隙(ケージ)を有する特徴的な結晶構造を持つ。 Mayenite compounds have a typical composition represented by 12CaO· 7Al₂O₃ and possess a characteristic crystalline structure with three-dimensionally linked voids (cages) approximately 0.4 nm in diameter.
このケージを構成する骨格は、正電荷を帯びており、単位格子当たり12個のケージを形成する。このケージの1/6は、結晶の電気的中性条件を満たすため、内部が酸化物イオンで占められている。しかしながら、このケージ内の酸化物イオンは、骨格を構成する他の酸素イオンとは化学的に異なる特性を有しており、このため、ケージ内の酸化物イオンは、特にフリー酸化物イオンと呼ばれている。 The framework constituting this cage is positively charged, forming 12 cages per unit cell. One-sixth of these cages are occupied by oxide ions to satisfy the electrical neutrality requirement of the crystal. However, these oxide ions within the cages have chemically distinct properties from the other oxygen ions constituting the framework; therefore, these oxide ions within the cages are specifically called free oxide ions.
マイエナイト化合物は、組成式[Ca24Al28O64]4+(O2-)2とも表記される(非特許文献2)。 Mayenite compounds are also represented by the chemical formula [Ca 24 Al 28 O 64 ] 4+ (O 2- ) 2 (Non-patent Literature 2).
前述のように、非特許文献1に記載のCaTi1-xAlxO3系化合物(以下、「従来のCaTi1-xAlxO3系化合物」と称する)は、低温側で材料のイオン伝導率が大きく低下してしまうという問題がある。 As mentioned above, the CaTi 1-x Al x O 3 compound described in Non-Patent Document 1 (hereinafter referred to as "conventional CaTi 1-x Al x O 3 compound") has the problem that the ionic conductivity of the material decreases significantly at low temperatures.
図1には、従来のCaTi1-xAlxO3系化合物における温度とイオン伝導率の間の関係を示す。図1には、従来のCaTi1-xAlxO3系化合物において、x=0.1、0.3、および0.5の場合の温度とイオン伝導率の間の関係が示されている。 Figure 1 shows the relationship between temperature and ionic conductivity in conventional CaTi 1-x Al x O 3 compounds. Figure 1 shows the relationship between temperature and ionic conductivity for conventional CaTi 1-x Al x O 3 compounds when x = 0.1, 0.3, and 0.5.
図1から、それぞれの材料において、800℃~900℃の温度領域に、温度とイオン伝導率の関係が変化する「折れ点」が生じていることがわかる。 Figure 1 shows that in each material, a "bend point" occurs in the temperature range of 800°C to 900°C, where the relationship between temperature and ionic conductivity changes.
例えば、x=0.1の場合、温度約839℃を境に、直線の傾きが変化している。また、x=0.3の場合、温度約861℃を境に、直線の傾きが変化している。同様に、x=0.5の場合、温度約838℃を境に、直線の傾きが変化している。 For example, when x = 0.1, the slope of the line changes at approximately 839°C. Similarly, when x = 0.3, the slope changes at approximately 861°C. Likewise, when x = 0.5, the slope changes at approximately 838°C.
温度とイオン伝導率の間の関係において、このような折れ点が生じると、低温側で材料のイオン伝導率が大きく低下してしまうという問題がある。 In the relationship between temperature and ionic conductivity, the occurrence of such a breakpoint presents a problem: the ionic conductivity of the material decreases significantly at low temperatures.
これに対して、本発明の一実施形態による固体電解質粉末は、ペロブスカイト型構造の化合物と、マイエナイト型構造の化合物とを含み、TiとAlの合計量に対するAlの含有量y(y=Al/(Ti+Al))が、原子比で、0.05以上0.60未満であるという特徴を有する。特に、ペロブスカイト型構造の化合物とマイエナイト型構造の化合物の合計に対するマイエナイト型構造の化合物の重量存在比は、0.1wt%~40wt%の範囲であることが好ましい。 In contrast, the solid electrolyte powder according to one embodiment of the present invention contains a compound with a perovskite structure and a compound with a mayenite structure, and is characterized in that the Al content y (y = Al / (Ti + Al)) relative to the total amount of Ti and Al is 0.05 or more and less than 0.60 in atomic ratio. In particular, the weight abundance ratio of the mayenite structure compound relative to the total amount of the perovskite structure compound and the mayenite structure compound is preferably in the range of 0.1 wt% to 40 wt%.
本発明の一実施形態による固体電解質粉末では、このような範囲でマイエナイト型構造の化合物を含有させることにより、
(i)温度とイオン伝導率の関係において、800℃~900℃の温度領域に折れ点が生じない、
(ii)温度とイオン伝導率の関係から得られる近似直線の勾配(酸化物イオンの拡散における活性化エネルギー)が小さい
という効果を得ることができる。
In a solid electrolyte powder according to one embodiment of the present invention, by including a compound with a meienite-type structure within this range,
(i) In the relationship between temperature and ionic conductivity, no inflection point occurs in the temperature range of 800°C to 900°C.
(ii) The effect can be obtained in which the slope of the approximate straight line obtained from the relationship between temperature and ionic conductivity (activation energy in the diffusion of oxide ions) is small.
上記(i)および(ii)の効果は、ペロブスカイト型構造の化合物とマイエナイト型構造の化合物が存在することで、ペロブスカイト型構造の化合物とマイエナイト型構造の化合物の界面における酸化物イオンの拡散が支配的になるためと考察している。 The effects described in (i) and (ii) above are thought to be due to the presence of both perovskite and mayenite-type compounds, which leads to the dominant diffusion of oxide ions at the interface between the perovskite and mayenite-type compounds.
そのため、本発明の一実施形態による固体電解質粉末は、例えば、700℃以下のような低温側においても、有意に高いイオン伝導率を維持することができる。 Therefore, the solid electrolyte powder according to one embodiment of the present invention can maintain significantly high ionic conductivity even at low temperatures, such as 700°C or below.
また、これにより、本発明の一実施形態による固体電解質粉末は、SOECの固体電解質層および燃料極用の材料として、有意に適用できる。 Furthermore, this demonstrates that the solid electrolyte powder according to one embodiment of the present invention can be significantly applied as a material for the solid electrolyte layer and fuel electrode of SOEC.
(本発明の一実施形態による固体電解質粉末)
次に、本発明の一実施形態による固体電解質粉末について、より詳しく説明する。
(Solid electrolyte powder according to one embodiment of the present invention)
Next, we will describe in more detail the solid electrolyte powder according to one embodiment of the present invention.
前述のように、本発明の一実施形態による固体電解質粉末(以下、単に「第1の粉末」と称する)は、ペロブスカイト型構造の化合物およびマイエナイト型構造の化合物を有する。 As described above, the solid electrolyte powder according to one embodiment of the present invention (hereinafter simply referred to as "the first powder") contains a compound with a perovskite-type structure and a compound with a mayenite-type structure.
ここで、第1の粉末において、ペロブスカイト型構造の化合物は、一般式がCaTiO3で表される。ペロブスカイト型構造の化合物は酸素欠損を含んでもよく、CaTiO3-αで表され、0≦α≦0.5である。ただし、Tiの一部は、Alで置換されてもよく、CaTi1-xAlxO3-αで表される。αは任意の値であり、第1の粉末の雰囲気に依存し、Tiの一部がAlで置換されると変化する。 Here, in the first powder, the compound with a perovskite structure is represented by the general formula CaTiO3 . The compound with a perovskite structure may contain oxygen vacancies and is represented by CaTiO3 -α , where 0 ≤ α ≤ 0.5. However, some of the Ti may be substituted with Al and is represented by CaTi1 - xAlxO3 -α . α is an arbitrary value and depends on the atmosphere of the first powder, changing when some of the Ti is substituted with Al.
また、第1の粉末において、マイエナイト型構造の化合物は、組成式[Ca24Al28O64]4+(O2-)2で表される。ただし、CaおよびAlの一部は、Ti等で置換されてもよい。 Furthermore, in the first powder, the compound with a meienite-type structure is represented by the compositional formula [Ca 24 Al 28 O 64 ] 4+ (O 2- ) 2. However, some of Ca and Al may be substituted with Ti or the like.
また、本発明の一実施形態では、第1の粉末に含まれるTiとAlの合計量に対するAlの含有量y(=Al/(Ti+Al))は、原子比で、0.05以上0.60未満である。 Furthermore, in one embodiment of the present invention, the Al content y (= Al / (Ti + Al)) relative to the total amount of Ti and Al contained in the first powder is 0.05 or more and less than 0.60 in atomic ratio.
第1の粉末において、TiとAlの合計量に対するAlの含有量yは、原子比で、0.06≦y≦0.55の範囲であることが好ましく、0.10≦y≦0.50の範囲であることがより好ましい。 In the first powder, the Al content y relative to the total amount of Ti and Al is preferably in the range of 0.06 ≤ y ≤ 0.55 in terms of atomic ratio, and more preferably in the range of 0.10 ≤ y ≤ 0.50.
0.10≦y≦0.50とすることにより、活性化エネルギーを小さくしつつ、高いイオン伝導率を示す電解質を得ることが可能となる。 By setting 0.10 ≤ y ≤ 0.50, it becomes possible to obtain an electrolyte that exhibits high ionic conductivity while keeping the activation energy low.
ここで、第1の粉末において、ペロブスカイト型構造の化合物とマイエナイト型構造の化合物の合計に対するマイエナイト型構造の化合物の重量存在比は、例えば、0.1wt%~40wt%の範囲であり、1.0wt%~35wt%の範囲であることが好ましい。 Here, in the first powder, the weight ratio of the meienite-type compound to the total weight of the perovskite-type compound and the meienite-type compound is, for example, in the range of 0.1 wt% to 40 wt%, and preferably in the range of 1.0 wt% to 35 wt%.
なお、本願において、粉末に含まれるマイエナイト型構造の化合物の含有量は、粉末のX線回折結果から、WPPF法により把握することができる。 Furthermore, in this application, the content of meienite-type compounds in the powder can be determined from the X-ray diffraction results of the powder using the WPPF method.
前述のように、第1の粉末において、ペロブスカイト型構造の化合物のTiサイトの一部は、Alで置換されていてもよい。例えば、ペロブスカイト型構造の化合物の一般式は、CaTi1-xAlxO3で表されてもよい。ここで、例えば、x=0.07~0.53であり、x=0.10~0.50であることが好ましい。 As described above, in the first powder, some of the Ti sites of the perovskite-type compound may be substituted with Al. For example, the general formula of the perovskite-type compound may be represented as CaTi 1-x Al x O 3. Here, for example, x = 0.07 to 0.53, and preferably x = 0.10 to 0.50.
このように、ペロブスカイト型構造の化合物のTiサイトの一部をAlで置換することにより、第1の粉末のイオン伝導率をより高めることができる。 Thus, by substituting some of the Ti sites in the perovskite-type compound with Al, the ionic conductivity of the first powder can be further increased.
また、第1の粉末において、ペロブスカイト型構造の化合物の格子定数は、3.8020Å~3.8150Åの範囲であることが好ましく、より好ましくは3.8030Å~3.8140Åの範囲であり、さらに好ましくは3.8040Å~3.8130Åの範囲である。 Furthermore, in the first powder, the lattice constant of the perovskite-type compound is preferably in the range of 3.8020 Å to 3.8150 Å, more preferably in the range of 3.8030 Å to 3.8140 Å, and even more preferably in the range of 3.8040 Å to 3.8130 Å.
また、第1の粉末において、ペロブスカイト型構造の化合物の結晶構造は、立方晶であってもよい。 Furthermore, in the first powder, the crystal structure of the perovskite-type compound may be cubic.
(本発明の一実施形態による固体電解質粉末から作製される燃料極用部材)
次に、本発明の一実施形態による固体電解質粉末から作製される燃料極用部材について、より詳しく説明する。燃料極用部材はグリーンシートのようなバインダ樹脂と固体電解質粉末および遷移金属または遷移金属の化合物の粉末から構成されるものであってもよく、それらの粉末が焼結により成型された基板であってもよい。基板であれば、それを支持体とした燃料極支持型のSOECとして供される。また、金属やセラミックスまたはそれらの複合体からなる多孔質支持体上に燃料極が積層された燃料極用部材でもよい。
(Fuel electrode component made from solid electrolyte powder according to one embodiment of the present invention)
Next, a fuel electrode component made from solid electrolyte powder according to one embodiment of the present invention will be described in more detail. The fuel electrode component may consist of a binder resin such as a green sheet, solid electrolyte powder, and powder of a transition metal or a compound of a transition metal, or it may be a substrate formed by sintering these powders. If it is a substrate, it is provided as a fuel electrode-supporting SOEC with the substrate as a support. Alternatively, it may be a fuel electrode component in which a fuel electrode is laminated on a porous support made of metal, ceramics, or a composite thereof.
(本発明の一実施形態による固体電解質粉末から作製される固体電解質層用部材)
次に、本発明の一実施形態による固体電解質粉末から作製される固体電解質層用部材について、より詳しく説明する。固体電解質層用部材はグリーンシートのようなバインダ樹脂と固体電解質粉末から構成されるものであってもよく、焼結により成型された基板であってもよい。基板であれば、それを支持体とした固体電解質層支持型のSOECとして供される。また、上記に記載した燃料極用部材上に固体電解質層が積層された固体電解質層用部材であってもよい。
(A component for a solid electrolyte layer made from solid electrolyte powder according to one embodiment of the present invention)
Next, a solid electrolyte layer member made from solid electrolyte powder according to one embodiment of the present invention will be described in more detail. The solid electrolyte layer member may be composed of a binder resin such as a green sheet and solid electrolyte powder, or it may be a substrate molded by sintering. If it is a substrate, it is provided as a solid electrolyte layer supporting SOEC with the substrate as a support. Alternatively, it may be a solid electrolyte layer member in which a solid electrolyte layer is laminated on the fuel electrode member described above.
(本発明の一実施形態による固体電解質粉末から作製される固体酸化物形電解セル)
次に、本発明の一実施形態による固体電解質粉末から作製される固体酸化物形電解セルについて、より詳しく説明する。固体酸化物形電解セルは燃料極支持型であっても、固体電解質層支持型であってもよい。燃料極支持型であれば、燃料極用基板の上に固体電解質を含むペーストを塗布して焼成して固体電解質層を形成してもよいし、固体電解質を含むグリーンシートを積層して焼成して形成してもよい。固体電解質層支持型であれば、固体電解質層用基板の上に燃料極用の粉末を含むペーストを塗布して焼成して燃料極を形成してもよいし、燃料極部材を含むグリーンシートを積層して焼成して形成してもよい。
(A solid oxide electrolytic cell made from solid electrolyte powder according to one embodiment of the present invention)
Next, a solid oxide type electrolytic cell made from solid electrolyte powder according to one embodiment of the present invention will be described in more detail. The solid oxide type electrolytic cell may be fuel electrode supported or solid electrolyte layer supported. If it is fuel electrode supported, a paste containing a solid electrolyte may be applied to a fuel electrode substrate and fired to form a solid electrolyte layer, or a green sheet containing a solid electrolyte may be laminated and fired to form it. If it is solid electrolyte layer supported, a paste containing powder for the fuel electrode may be applied to a solid electrolyte layer substrate and fired to form a fuel electrode, or a green sheet containing a fuel electrode member may be laminated and fired to form it.
酸素極の材料としては、例えば、La0.4Sr0.6Co0.2Fe0.8O3(LSCF)およびLa0.8Sr0.2MnO3(LSM)等の複合酸化物、セリア系酸化物、ならびにこれらの混合物を用いることができる。特にLa、Sr、Co、Fe、およびMnからなる群から選ばれる2種類以上の元素を含有するペロブスカイト型酸化物を含むことが好ましい。燃料極支持型であれば、固体電解質層を形成した後に、酸素極用の粉末を含むペーストを塗布して焼成して酸素極を形成してもよい。固体電解質層支持型であれば、固体電解質基板上に酸素極用の粉末を含むペーストを塗布して焼成して酸素極を形成してもよい。固体電解質層と酸素極の間には反応防止層として、セリア系電解質を形成してもよい。 As materials for the oxygen electrode, for example, composite oxides such as La 0.4 Sr 0.6 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 (LSCF) and La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 (LSM), ceria oxides, and mixtures thereof can be used. Particularly preferable is the inclusion of a perovskite-type oxide containing two or more elements selected from the group consisting of La, Sr, Co, Fe, and Mn. In the case of a fuel electrode-supported type, the oxygen electrode may be formed by applying a paste containing oxygen electrode powder to a solid electrolyte layer and firing it. In the case of a solid electrolyte layer-supported type, the oxygen electrode may be formed by applying a paste containing oxygen electrode powder to a solid electrolyte substrate and firing it. A ceria-based electrolyte may be formed between the solid electrolyte layer and the oxygen electrode as a reaction prevention layer.
(本発明の一実施形態による固体電解質粉末の製造方法)
次に、図2を参照して、本発明の一実施形態による固体電解質粉末の製造方法の一例について説明する。
(Method for producing solid electrolyte powder according to one embodiment of the present invention)
Next, with reference to Figure 2, an example of a method for producing solid electrolyte powder according to one embodiment of the present invention will be described.
図2には、本発明の一実施形態による固体電解質粉末の製造方法(以下、「第1の製造方法」と称する)のフローの例を模式的に示す。 Figure 2 schematically shows an example of a flow chart for a method of producing solid electrolyte powder according to one embodiment of the present invention (hereinafter referred to as the "first manufacturing method").
図2に示すように、第1の製造方法は、
(1)Ca源、Ti源、およびAl源を所定の割合で混合して、混合粉末を得る工程(工程S110)と、
(2)混合粉末を仮焼して、仮焼粉を得る工程(工程S120)と、
(3)仮焼粉を粉砕する工程(工程S130)と、
を有する。
As shown in Figure 2, the first manufacturing method is
(1) A step of mixing Ca source, Ti source, and Al source in predetermined proportions to obtain a mixed powder (step S110),
(2) A step of calcining the mixed powder to obtain calcined powder (step S120),
(3) A step of crushing the calcined powder (step S130),
It has.
以下、各工程について、説明する。 The following explains each step of the process.
(工程S110)
まず、混合粉末が調製される。このため、Ca源、Ti源、およびAl源が準備される。
(Step S110)
First, a mixed powder is prepared. For this purpose, a Ca source, a Ti source, and an Al source are prepared.
Ca源は、例えば、金属カルシウム、炭酸カルシウム、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、硝酸カルシウム、硫酸カルシウム、フッ化カルシウム、塩化カルシウム、臭化カルシウム、ヨウ化カルシウム、および酢酸カルシウムといったカルボン酸カルシウム塩などから選定されてもよい。 The calcium source may be selected from, for example, metallic calcium, calcium carbonate, calcium oxide, calcium hydroxide, calcium nitrate, calcium sulfate, calcium fluoride, calcium chloride, calcium bromide, calcium iodide, and calcium carboxylate salts such as calcium acetate.
Ti源は、例えば、金属Tiおよび/または酸化チタン(IV)、酸化チタン(III)、酸化チタン(II)といった酸化物や、水酸化チタン、フッ化チタン、塩化チタン、臭化チタン、ヨウ化チタン、チタンイソプロポキシドやチタンブトキシドといったチタンアルコキシドなどから選定されてもよい。酸化チタン(IV)は、ルチル型またはアナターゼ型のいずれもでもよい。 The Ti source may be selected from, for example, metallic Ti and/or oxides such as titanium(IV), titanium(III), and titanium(II) oxide, or titanium alkoxides such as titanium hydroxide, titanium fluoride, titanium chloride, titanium bromide, titanium iodide, titanium isopropoxide, and titanium butoxide. Titanium(IV) oxide may be either rutile or anatase form.
Al源は、例えば、金属アルミニウム、αアルミナ、γアルミナ、水酸化アルミニウム、硝酸アルミニウム、硫酸アルミニウム、フッ化アルミニウム、塩化アルミニウム、臭化アルミニウム、ヨウ化アルミニウム、および酢酸アルミニウムといったカルボン酸カアルミニウム塩などから選定されてもよい。 The Al source may be selected from, for example, metallic aluminum, α-alumina, γ-alumina, aluminum hydroxide, aluminum nitrate, aluminum sulfate, aluminum fluoride, aluminum chloride, aluminum bromide, aluminum iodide, and aluminum carboxylate salts such as aluminum acetate.
各原料は、目的組成を有する粉末が得られるように秤量され、混合される。 Each raw material is weighed and mixed to obtain a powder with the desired composition.
混合の際には、遊星ボールミルのようなボールミル器が使用されることが好ましい。例えば、各原料は、イソプロパノールのようなアルコール溶媒の存在下で、ジルコニアボールにより湿式混合される。 During mixing, it is preferable to use a ball mill, such as a planetary ball mill. For example, each raw material is wet-mixed with zirconia balls in the presence of an alcohol solvent such as isopropanol.
ボールミル器を使用することにより、過剰な混合を行うことなく、各原料を適正に混合できる。また、アルコール溶媒を使用することにより、原料が溶媒中で分解することを抑制できる。 By using a ball mill, each raw material can be properly mixed without excessive mixing. Furthermore, using an alcohol solvent can suppress the decomposition of the raw materials in the solvent.
その後、原料を含むスラリーが乾燥処理され、アルコール溶媒が除去される。乾燥処理の温度は、特に限られないが、例えば、80℃~250℃の範囲である。 Subsequently, the slurry containing the raw materials is dried to remove the alcohol solvent. The drying temperature is not particularly limited, but is typically in the range of 80°C to 250°C.
これにより、乾燥した混合粉末が得られる。 This yields a dry mixed powder.
(工程S120)
次に、混合粉末が仮焼される。
(Step S120)
Next, the mixed powder is calcined.
これにより、混合粉末に含まれる炭酸根および硝酸根などが脱離し、ペロブスカイト型構造の化合物とマイエナイト型構造の化合物との混合物を生成することができる。 This process allows for the detachment of carbonate and nitrate rhizomes from the mixed powder, resulting in the formation of a mixture of perovskite-type and meienite-type compounds.
第1の製造方法では、生成されるペロブスカイト型構造の化合物は、Tiのサイトの一部がAlで置換されるため、一般式はCaTi1-xAlxO3で表される。ここで、x=0.07~0.53である。 In the first manufacturing method, the resulting perovskite-type compound has some of the Ti sites replaced by Al, so its general formula is represented as CaTi 1-x Al x O 3 , where x = 0.07 to 0.53.
仮焼の条件は、特に限られないが、目的の混合物を得るためには、仮焼温度は、1000℃以上が好ましい。ただし、仮焼温度が高すぎると、混合粉末において、過度に焼結が進行し、粉砕が困難になる。従って、仮焼温度は、1450℃以下が好ましい。 The calcination conditions are not particularly limited, but to obtain the desired mixture, a calcination temperature of 1000°C or higher is preferable. However, if the calcination temperature is too high, excessive sintering will occur in the mixed powder, making pulverization difficult. Therefore, a calcination temperature of 1450°C or lower is preferable.
仮焼時間は、例えば、5時間~24時間程度である。ただし、仮焼時間は、仮焼温度によっても変化し、仮焼温度が高いほど、仮焼時間を短くできる。 The calcination time is typically around 5 to 24 hours. However, the calcination time also varies depending on the calcination temperature; the higher the calcination temperature, the shorter the calcination time.
(工程S130)
次に、仮焼粉が粉砕される。
(Step S130)
Next, the calcined flour is crushed.
これにより、固体電解質粉末が形成される。 This process forms a solid electrolyte powder.
焼結体の粉砕方法は、特に限られず、従来の一般的な粉砕方法が利用されてもよい。 The method for grinding the sintered body is not particularly limited, and conventional general grinding methods may be used.
以上の工程により、本発明の一実施形態による固体電解質粉末を製造することができる。 Through the above steps, a solid electrolyte powder according to one embodiment of the present invention can be manufactured.
なお、上記の第1の製造方法は、単なる一例であって、本発明の一実施形態による固体電解質粉末は、別の方法で製造されてもよい。 The first manufacturing method described above is merely an example, and the solid electrolyte powder according to one embodiment of the present invention may be manufactured by other methods.
ただし、非特許文献1に記載の方法では、TiとAlの合計量に対するAlの含有量y(=Al/(Ti+Al))が、原子比で、0.60未満の場合、ペロブスカイト型構造の化合物と同時にマイエナイト型構造の化合物を生成することはできない(非特許文献1の図1参照)。従って、ペロブスカイト型構造の化合物およびマイエナイト型構造の化合物を含む固体電解質粉末を得るには、工程S110において、原料を極端に混合しないようにして、混合粉末を調合することに留意する必要がある。特に、非特許文献1に記載されているような、硝酸溶液を原料に追加して、炭酸カルシウムを分解する方法では、マイエナイト型構造の化合物を得ることは難しい。 However, in the method described in Non-Patent Document 1, if the Al content y (= Al / (Ti + Al)) relative to the total amount of Ti and Al is less than 0.60 in atomic ratio, it is not possible to produce a compound with a perovskite structure and a compound with a meienite structure simultaneously (see Figure 1 in Non-Patent Document 1). Therefore, in order to obtain a solid electrolyte powder containing both a perovskite and a meienite structure, care must be taken in preparing the mixed powder in step S110, ensuring that the raw materials are not excessively mixed. In particular, it is difficult to obtain a compound with a meienite structure using the method described in Non-Patent Document 1, which involves adding a nitric acid solution to the raw materials to decompose calcium carbonate.
(本発明の一実施形態による固体電解質粉末の適用例)
次に、本発明の一実施形態による固体電解質粉末の適用例について説明する。以下に示すように、本発明の一実施形態による固体電解質粉末(「第1の粉末」)は、各種態様で各種部材に適用され得る。
(An example of application of solid electrolyte powder according to one embodiment of the present invention)
Next, an example of the application of a solid electrolyte powder according to one embodiment of the present invention will be described. As shown below, the solid electrolyte powder according to one embodiment of the present invention ("first powder") can be applied to various components in various forms.
(固体電解質層用のペースト)
第1の粉末は、SOECの固体電解質層用のペーストとして提供されてもよい。
(Paste for solid electrolyte layer)
The first powder may be provided as a paste for the solid electrolyte layer of the SOEC.
そのようなペースト(以下、「第1のペースト」と称する)は、分散媒と、前述の第1の粉末とを混合することにより、調製されてもよい。 Such a paste (hereinafter referred to as "the first paste") may be prepared by mixing a dispersion medium with the aforementioned first powder.
分散媒は、特に限られないが、例えば、水、アルコール、ケトン、エステル、エーテルおよび炭化水素の少なくとも一つであってもよい。それらの中でも、ターピネオールやジヒドロターピネオール等のテルペンアルコール系、エチレングリコールやプロピレングリコール等の多価アルコール系、デカン、トルエンやキシレン等の炭化水素系、エチルカルビトールやブチルカルビトール等のエーテル系などの溶剤の1種を単独でまたは、2種以上を組み合わせて使用することができる。 The dispersion medium is not particularly limited, but may be at least one of the following: water, alcohol, ketone, ester, ether, and hydrocarbon. Among these, one or more solvents such as terpene alcohols (e.g., terpineol and dihydroterpineol), polyhydric alcohols (e.g., ethylene glycol and propylene glycol), hydrocarbons (e.g., decane, toluene, and xylene), and ethers (e.g., ethyl carbitol and butyl carbitol) can be used individually or in combination.
ペースト中には、粘性や結着性を調整するためにバインダ樹脂を含んでもよい。バインダ樹脂としては、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、アルキド樹脂、ポリエステル樹脂、ロジン樹脂、ポリカーボネート樹脂及びセルロース樹脂等のうち少なくとも一種が挙げられる。このうち、特にエチルセルロース等のセルロース系高分子が含まれていることが好ましい。 The paste may contain a binder resin to adjust its viscosity and binding properties. Examples of binder resins include at least one of the following: acrylic resin, epoxy resin, phenolic resin, alkyd resin, polyester resin, rosin resin, polycarbonate resin, and cellulose resin. Of these, the inclusion of a cellulose-based polymer such as ethylcellulose is particularly preferred.
(固体電解質層)
第1の粉末は、SOECの固体電解質層に適用されてもよい。
(Solid electrolyte layer)
The first powder may be applied to the solid electrolyte layer of the SOEC.
その場合、第1の粉末から、前述の第1のペーストが調製され、この第1のペーストを用いて、固体電解質層が形成されてもよい。 In that case, the first paste described above may be prepared from the first powder, and a solid electrolyte layer may be formed using this first paste.
第1のペーストから固体電解質層を形成する場合、例えば、以下のような工程が実施されてもよい。 When forming a solid electrolyte layer from the first paste, for example, the following steps may be performed.
まず、第1のペーストが燃料極支持体の上に塗布され、塗布膜が形成される。塗布の方法は、特に限られず、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、またはスピンコート法など、一般的な方法が利用されてもよい。 First, the first paste is applied to the fuel electrode support to form a coating film. The application method is not particularly limited, and general methods such as screen printing, doctor blade application, or spin coating may be used.
次に、塗布膜を乾燥させた後、塗布膜が熱処理され、固体電解質層が形成されてもよい。熱処理の温度は、例えば、1000℃~1450℃の範囲である。 Next, after drying the coating film, it may be heat-treated to form a solid electrolyte layer. The heat treatment temperature is, for example, in the range of 1000°C to 1450°C.
(燃料極用の混合粉末)
第1の粉末は、SOECの燃料極用の混合粉末に適用されてもよい。
(Mixed powder for fuel electrodes)
The first powder may be applied to the mixed powder for the fuel electrode of SOEC.
この場合、遷移金属または遷移金属化合物の粉末と、第1の粉末とが混合されてもよい。遷移金属または遷移金属化合物の粉末は、例えば、ニッケル、銅、鉄、コバルト等の3d遷移元素などの金属または酸化物の粉末である。混合粉末に含まれる第1の粉末の含有量は、例えば、20wt%~90wt%の範囲である。より好ましくは30wt%~80wt%の範囲であり、さらに好ましくは30wt%~70wt%の範囲である。 In this case, the transition metal or transition metal compound powder may be mixed with the first powder. The transition metal or transition metal compound powder is, for example, a metal or oxide powder such as nickel, copper, iron, or cobalt (3d transition elements). The content of the first powder in the mixed powder is, for example, in the range of 20 wt% to 90 wt%. More preferably, it is in the range of 30 wt% to 80 wt%, and even more preferably, in the range of 30 wt% to 70 wt%.
(燃料極用のペースト)
第1の粉末は、SOECの燃料極用のペーストとして提供されてもよい。
(Paste for fuel electrodes)
The first powder may be provided as a paste for the SOEC fuel electrode.
そのようなペースト(以下、「第2のペースト」と称する)は、分散媒に、前述の燃料極用の混合粉末を添加することにより調製されてもよい。 Such a paste (hereinafter referred to as the "second paste") may be prepared by adding the aforementioned mixed powder for the fuel electrode to a dispersion medium.
分散媒は、特に限られないが、第1のペーストと同様の分散媒やバインダ樹脂を用いることができる。 The dispersion medium is not particularly limited, but the same dispersion medium or binder resin as in the first paste can be used.
(燃料極)
第1の粉末は、SOECの燃料極に適用されてもよい。
(Fuel electrode)
The first powder may be applied to the fuel electrode of the SOEC.
その場合、第1の粉末から、前述の第2のペーストが調製され、この第2のペーストを用いて、燃料極が形成されてもよい。 In that case, the second paste described above may be prepared from the first powder, and the fuel electrode may be formed using this second paste.
第2のペーストから燃料極を形成する場合、例えば、以下のような工程が実施されてもよい。 When forming the fuel electrode from the second paste, for example, the following steps may be performed:
まず、第2のペーストが固体電解質支持体の上に塗布される。塗布の方法は、特に限られず、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、およびスピンコート法など、一般的な方法が利用されてもよい。 First, the second paste is applied onto the solid electrolyte support. The application method is not particularly limited, and common methods such as screen printing, doctor blade application, and spin coating may be used.
次に、第2のペーストを乾燥させた後、第2のペーストが熱処理され、燃料極が形成されてもよい。熱処理の温度は、例えば、1000℃~1450℃の範囲である。 Next, after drying the second paste, it may be heat-treated to form the fuel electrode. The heat treatment temperature is, for example, in the range of 1000°C to 1450°C.
(SOEC)
本発明の一実施形態では、第1の粉末を用いてSOECが構成されてもよい。
(SOEC)
In one embodiment of the present invention, the SOEC may be constructed using the first powder.
図3には、そのようなSOECの一構成例を模式的に示す。 Figure 3 schematically shows one example of such an SOEC configuration.
図3に示すように、このSOEC(以下、「単セル」と称する)100は、酸素極110、燃料極120、および両電極の間の固体電解質層130を有する。 As shown in Figure 3, this SOEC (hereinafter referred to as "single cell") 100 has an oxygen electrode 110, a fuel electrode 120, and a solid electrolyte layer 130 between the two electrodes.
水蒸気が電解されることを想定した場合、単セル100を外部電源150に接続した際に、燃料極120では、例えば、以下の反応が生じる:
2H2O+4e-→2H2+2O2- (1)式
また、二酸化炭素が電解されることを想定した場合、以下の反応が生じる:
CO2+2e-→CO+O2- (2)式
燃料極120で生じた酸化物イオンは、固体電解質層130内を通り、反対側の酸素極110に達する。
Assuming that water vapor is electrolyzed, when a single cell 100 is connected to an external power supply 150, the following reaction occurs at the fuel electrode 120:
2H 2 O+4e − →2H 2 +2O 2− (1) Formula
Furthermore, if we assume that carbon dioxide is electrolyzed, the following reaction will occur:
CO 2 +2e-→CO+O 2- (2) Formula
Oxide ions generated at the fuel electrode 120 pass through the solid electrolyte layer 130 and reach the oxygen electrode 110 on the opposite side.
酸素極110では、例えば、以下の反応が生じる:
2O2-→O2+4e- (3)式
従って、(1)式~(3)式の反応により、水蒸気または二酸化炭素の電解反応が進行し、水素または一酸化炭素を生成することができる。
At the oxygen electrode 110, for example, the following reaction occurs:
2O 2- →O 2 +4e - Formula (3)
Therefore, the reactions in equations (1) to (3) allow for the electrolytic reaction of water vapor or carbon dioxide to proceed, producing hydrogen or carbon monoxide.
このような単セル100において、固体電解質層130に、本発明の一実施形態による固体電解質粉末を適用することができる。例えば、前述の第1の粉末を含む第1のペーストを熱処理することにより、固体電解質層130が形成される。 In such a single cell 100, a solid electrolyte powder according to one embodiment of the present invention can be applied to the solid electrolyte layer 130. For example, the solid electrolyte layer 130 is formed by heat-treating a first paste containing the aforementioned first powder.
そのような単セル100では、固体電解質層130が低温でも高い酸化物イオン伝導性を有するため、低温においても電解作動中の電解電圧を下げることができる。そのため、低い電力で水素および/または一酸化炭素を生成することができる。 In such a single cell 100, the solid electrolyte layer 130 has high oxide ion conductivity even at low temperatures, allowing the electrolysis voltage during electrolysis to be reduced even at low temperatures. Therefore, hydrogen and/or carbon monoxide can be produced with low power.
これに加えて、またはこれとは別に、単セル100において、燃料極120に、本発明の一実施形態による固体電解質粉末を適用してもよい。例えば、前述の第1の粉末を含む第2のペーストを熱処理することにより、燃料極120が形成されてもよい。 In addition to or separately from the above, a solid electrolyte powder according to one embodiment of the present invention may be applied to the fuel electrode 120 in the single cell 100. For example, the fuel electrode 120 may be formed by heat-treating a second paste containing the first powder described above.
以下、本発明の実施例について説明する。なお、以下の例において、例1~例3は、実施例である。 The following describes embodiments of the present invention. In the following examples, Examples 1 to 3 are examples.
(例1)
前述のような第1の製造方法により、固体電解質粉末を製造した。
(Example 1)
A solid electrolyte powder was produced using the first manufacturing method described above.
まず、Ca源としてのCaCO3粉末(高純度化学社製)3.6807gと、Ti源としてのTiO2粉末(富士フィルム和光純薬社製)2.6648gと、Al源としてのAl(NO3)3・9H2O粉末(富士フィルム和光純薬社製)1.3919gとを準備した。 First, we prepared 3.6807 g of CaCO3 powder (manufactured by Kojunkagaku Co., Ltd.) as a Ca source, 2.6648 g of TiO2 powder (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a Ti source, and 1.3919 g of Al( NO3 ) 3 · 9H2O powder (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as an Al source.
次に、遊星ボールミル器およびジルコニアボールを用いて、溶媒の存在下で、これらの粉末を混合した。溶媒には、10gの2-プロパノールを使用した。遊星ボールミルの回転数は300rpmとし、処理時間は60分とした。 Next, these powders were mixed using a planetary ball mill and zirconia balls in the presence of a solvent. 10 g of 2-propanol was used as the solvent. The planetary ball mill was set to 300 rpm, and the processing time was 60 minutes.
次に、得られた混合粉末を大気中、高温で2時間保持し、乾燥させた。処理温度は、140℃とした。これにより、溶媒が除去された乾燥混合粉末が得られた。 Next, the resulting mixed powder was dried in air at a high temperature for two hours. The processing temperature was 140°C. This resulted in a dried mixed powder from which the solvent had been removed.
次に、乾燥混合粉末を大気中で仮焼した。 Next, the dried mixed powder was calcined in the air.
処理温度は、1400℃とし、処理時間は、10時間とした。 The processing temperature was set to 1400°C, and the processing time was set to 10 hours.
室温まで冷却した後、得られた処理体を乳鉢で粉砕することにより、粉末が製造された。 After cooling to room temperature, the resulting processed material was ground in a mortar to produce a powder.
得られた粉末を「粉末1」と称する。 The resulting powder is referred to as "Powder 1".
粉末1において、TiとAlの合計量に対するAlの含有量y(=Al/(Ti+Al))は、原子比で、0.1であった。 In powder 1, the Al content y (= Al / (Ti + Al)) relative to the total amount of Ti and Al was 0.1 in atomic ratio.
(例2)
例1と同様の方法により、粉末を製造した。ただし、この例2では、原料に含まれるCa源、Ti源、およびAl源の量を例1の場合とは変化させた。
(Example 2)
The powder was produced using the same method as in Example 1. However, in Example 2, the amounts of Ca source, Ti source, and Al source contained in the raw materials were changed from those in Example 1.
得られた粉末を「粉末2」と称する。 The resulting powder is referred to as "Powder 2".
粉末2において、TiとAlの合計量に対するAlの含有量y(=Al/(Ti+Al))は、原子比で、0.3であった。 In powder 2, the Al content y (= Al / (Ti + Al)) relative to the total amount of Ti and Al was 0.3 in atomic ratio.
(例3)
例1と同様の方法により、粉末を製造した。ただし、この例3では、原料に含まれるCa源、Ti源、およびAl源の量を例1、例2の場合とは変化させた。
(Example 3)
The powder was produced using the same method as in Example 1. However, in Example 3, the amounts of Ca source, Ti source, and Al source contained in the raw materials were changed from those in Examples 1 and 2.
得られた粉末を「粉末3」と称する。 The resulting powder is referred to as "Powder 3".
粉末2において、TiとAlの合計量に対するAlの含有量y(=Al/(Ti+Al))は、原子比で、0.5であった。 In powder 2, the Al content y (= Al / (Ti + Al)) relative to the total amount of Ti and Al was 0.5 in atomic ratio.
(評価)
粉末1~粉末3を用いて、以下の評価を実施した。
(evaluation)
The following evaluations were conducted using powders 1 to 3.
(X線回折分析)
X線回折装置(ブルカー社製 D2PHASER)を用いて、粉末1~粉末3のX線回折分析を実施した。
(X-ray diffraction analysis)
X-ray diffraction analysis of powders 1 to 3 was performed using an X-ray diffractometer (Bruker D2PHASER).
測定結果を図4~図6に示す。図4には、粉末1のX線回折パターンを示し、図5には、粉末2のX線回折パターンを示し、図6には、粉末3のX線回折パターンを示す。 The measurement results are shown in Figures 4 to 6. Figure 4 shows the X-ray diffraction pattern of powder 1, Figure 5 shows the X-ray diffraction pattern of powder 2, and Figure 6 shows the X-ray diffraction pattern of powder 3.
これらの結果から、いずれの粉末においても、CaTiO3に対応する回折ピークと、マイエナイト型構造の化合物に対応する回折ピークとが出現していることがわかる。このことから、粉末1~粉末3はいずれも、CaTiO3系のペロブスカイト型化合物およびマイエナイト型構造の化合物を含むことが確認された。なお、各粉末において、CaTiO3系のペロブスカイト型化合物の結晶構造は、立方晶であった。 These results show that in all powders, diffraction peaks corresponding to CaTiO3 and diffraction peaks corresponding to compounds with a mayenite-type structure appeared. Therefore, it was confirmed that powders 1 to 3 all contain CaTiO3 - based perovskite-type compounds and compounds with a mayenite-type structure. Furthermore, the crystal structure of the CaTiO3- based perovskite-type compounds in each powder was cubic.
次に、得られた結果から、WPPF法により、ペロブスカイト型構造の化合物とマイエナイト型構造の化合物の合計に対するマイエナイト型構造の化合物の重量存在比、およびペロブスカイト型構造の化合物の格子定数を算定した。 Next, based on the obtained results, the weight ratio of the meienite-type compound to the total weight of the meienite-type compound and the lattice constant of the meienite-type compound were calculated using the WPPF method.
WPPF法には、リガク社の解析ソフト「PDXL2」を使用した。CaTiO3は、PDFカード番号:03-065-3287の回折パターンを、マイエナイト型構造の化合物は、PDFカード番号:01-076-5010の回折パターンを用いて、フィッティングを行った。 For the WPPF method, Rigaku's analysis software "PDXL2" was used. For CaTiO3 , the diffraction pattern of PDF card number: 03-065-3287 was used for fitting, and for compounds with a meienite-type structure, the diffraction pattern of PDF card number: 01-076-5010 was used.
その結果、粉末1~粉末3において、ペロブスカイト型構造の化合物とマイエナイト型構造の化合物の合計に対するマイエナイト型構造の化合物の重量存在比は、それぞれ、2.0wt%、6.8wt%、および30.0wt%であった。また、ペロブスカイト型構造の化合物の格子定数は、それぞれ、3.8120Å、3.8094Å、および3.8057Åであった。 As a result, in powders 1 to 3, the weight abundance of the meienite-type compound relative to the total amount of the perovskite-type compound and the meienite-type compound was 2.0 wt%, 6.8 wt%, and 30.0 wt%, respectively. Furthermore, the lattice constants of the perovskite-type compound were 3.8120 Å, 3.8094 Å, and 3.8057 Å, respectively.
純粋なCaTiO3は、直方晶であるが、粉末1~粉末3の結晶相は立方晶であり、TiとAlの合計量に対するAlの含有量yの増加につれて格子定数が小さくなっている。 Pure CaTiO3 is orthorhombic, but the crystalline phases of powders 1 to 3 are cubic, and the lattice constant decreases as the Al content y increases relative to the total amount of Ti and Al.
このことから、粉末1~粉末3に含まれるCaTiO3系化合物は、Tiのサイトの一部がAlで置換され、CaTi1-xAlxO3の構造を有するものと考えられる。 From this, it is considered that the CaTiO3 - based compounds contained in powders 1 to 3 have a structure of CaTi1 -xAlxO3 , in which some of the Ti sites are substituted with Al .
以下の表1には、各粉末において得られた評価結果をまとめて示した。 Table 1 below summarizes the evaluation results obtained for each powder.
次に、各粉末を用いて焼結体を作製し、交流インピーダンス法により酸化物イオン伝導率の測定を実施した。
Next, sintered bodies were prepared using each powder, and the oxide ion conductivity was measured using the AC impedance method.
(測定用試料の作製)
仮焼粉0.7gをφ10mmの超硬金属ダイスに入れ、油圧プレス器(エヌピーエーシステム社製:NT-200H)で10MPaの圧力を印加して一軸成形により圧粉体を作製した。さらに、200MPaで冷間静水圧プレスを行った。圧粉体を大気中、1400℃で10時間熱処理し、焼結体を得た。
(Preparation of sample for measurement)
0.7 g of calcined powder was placed in a φ10 mm carbide die, and a compact was produced by uniaxial forming using a hydraulic press (NT-200H, manufactured by NPA Systems Co., Ltd.) with a pressure of 10 MPa. Further cold isostatic pressing was performed at 200 MPa. The compact was heat-treated in air at 1400°C for 10 hours to obtain a sintered body.
焼結体の両面を紙やすりで研磨して平滑化した。焼結体の両面に白金ペースト(田中貴金属製:U-3401)を塗布し、大気雰囲気において1000℃で15分間熱処理し、白金電極を焼き付けた。 Both sides of the sintered body were polished smooth with sandpaper. Platinum paste (Tanaka Precious Metals: U-3401) was applied to both sides of the sintered body, and the body was heat-treated at 1000°C for 15 minutes in an air atmosphere to bake on the platinum electrodes.
(交流インピーダンスの測定)
焼結体を大気雰囲気の電気炉内(ノレックス社製:Probostat)に設置した。焼結体を白金線が結線された白金電極で挟み、ポテンショガルバノスタット(ソーラトロンアナリティカル社製:1260A)と接続した。インピーダンス測定を実施し、Cole-Coleプロットを得た。測定周波数は10MHz~100mHz、変調電位の振幅は100mVとした。測定により得られたインピーダンス値を焼結体の厚みで除することで、酸化物イオン伝導率を算出した。
(Measurement of AC impedance)
The sintered body was placed in an electric furnace (Nolex Probostat) under an atmospheric environment. The sintered body was sandwiched between platinum electrodes connected to platinum wires and connected to a potentiogalvanostat (Solartron Analytical 1260A). Impedance measurements were performed, and a Cole-Cole plot was obtained. The measurement frequency was 10 MHz to 100 mHz, and the modulation potential amplitude was 100 mV. The oxide ion conductivity was calculated by dividing the impedance value obtained from the measurement by the thickness of the sintered body.
図7には、各粉末において得られたイオン伝導率の測定結果を示す。 Figure 7 shows the measurement results of ionic conductivity obtained for each powder.
図7において、横軸は、温度の逆数(1/T)(単位:K-1)であり、縦軸は、酸化物イオン伝導率(単位:S/cm)の対数である。また、図7には、前述の図1に示した非特許文献1に記載のCaTi1-xAlxO3系化合物の酸化物イオン伝導率も合わせて示されている。 In Figure 7, the horizontal axis represents the reciprocal of temperature (1/T) (unit: K⁻¹ ), and the vertical axis represents the logarithm of oxide ion conductivity (unit: S/cm). Figure 7 also shows the oxide ion conductivity of the CaTi 1-x Al x O 3 compound described in Non-Patent Document 1 shown in Figure 1.
図7から、粉末1~粉末3では、従来のCaTi1-xAlxO3系化合物で生じた「折れ点」が認められないことがわかる。すなわち、粉末1~粉末3では、イオン伝導度の温度依存性は、一本の直線で近似された。 Figure 7 shows that powders 1 to 3 do not exhibit the "bend point" observed in conventional CaTi 1-x Al x O 3 -type compounds. In other words, the temperature dependence of ionic conductivity for powders 1 to 3 was approximated by a single straight line.
またその結果、粉末1~粉末3では、従来のCaTi1-xAlxO3系化合物と比べて、700℃以下のような低温側においても、高い酸化物イオン伝導率を示すことがわかった。 Furthermore, the results showed that powders 1 to 3 exhibited higher oxide ion conductivity even at low temperatures below 700°C compared to conventional CaTi 1-x Al x O 3 -based compounds.
図8には、各粉末において図7の直線の傾きから得られた活性化エネルギーの値を示す。図8には、参考のため、従来のCaTi1-xAlxO3系化合物における活性化エネルギーも示されている。なお、「折れ点」が生じた従来のCaTi1-xAlxO3系化合物における活性化エネルギーは、低温側の近似直線から算出した。 Figure 8 shows the activation energy values for each powder, obtained from the slope of the straight line in Figure 7. For reference, Figure 8 also shows the activation energy for conventional CaTi 1-x Al x O 3 -type compounds. Note that the activation energy for the conventional CaTi 1-x Al x O 3 -type compounds, where a "bend point" occurred, was calculated from the approximate straight line on the low-temperature side.
図8から、粉末1~粉末3は、従来のCaTi1-xAlxO3系化合物に比べて、有意に小さい活性化エネルギーを有することがわかった。 Figure 8 shows that powders 1 to 3 have significantly lower activation energies compared to conventional CaTi 1-x Al x O 3 -based compounds.
このように、粉末1~粉末3では、温度とイオン伝導率の関係において、800℃~900℃の範囲に折れ点が生じない上、活性化エネルギーが比較的小さいことがわかった。 Thus, it was found that for powders 1 to 3, no inflection point in the relationship between temperature and ionic conductivity occurred in the range of 800°C to 900°C, and the activation energy was relatively small.
従って、粉末1~粉末3では、700℃以下のような低温側においても、有意に高いイオン伝導率を示すと言える。 Therefore, powders 1 to 3 exhibit significantly higher ionic conductivity even at low temperatures below 700°C.
(本発明の態様)
本発明は、以下の態様を有し得る:
(態様1)
固体電解質粉末であって、
ペロブスカイト型構造の化合物と、マイエナイト型構造の化合物とを含み、
前記ペロブスカイト型構造の化合物は、CaおよびTiを含み、
当該固体電解質粉末は、TiとAlの合計量に対するAlの含有量y(=Al/(Ti+Al))が、原子比で、0.05以上0.60未満である、固体電解質粉末。
(態様2)
前記ペロブスカイト型構造の化合物とマイエナイト型構造の化合物の合計に対するマイエナイト化合物の重量存在比は、0.1wt%~40wt%の範囲である、態様1に記載の固体電解質粉末。
(態様3)
前記ペロブスカイト型構造の化合物のTiサイトの一部は、Alで置換されており、
前記ペロブスカイト型構造の化合物の格子定数は、3.8020Å~3.8150Åの範囲である、態様1または2に記載の固体電解質粉末。
(態様4)
前記ペロブスカイト型構造の化合物の結晶構造は、立方晶である、態様1乃至3のいずれか一つに記載の固体電解質粉末。
(態様5)
遷移金属または遷移金属化合物の粉末と、
態様1乃至4のいずれか一つに記載の固体電解質粉末と、
を有する、固体酸化物形電解セルの燃料極部材用の粉末。
(態様6)
分散媒と、
態様5に記載の燃料極部材用の粉末と、
を有する、固体酸化物形電解セルの燃料極用のペースト。
(態様7)
分散媒と、
態様1乃至4のいずれか一つに記載の固体電解質粉末と、
を有する、固体酸化物形電解セルの固体電解質層用のペースト。
(態様8)
固体酸化物形電解セル用の燃料極用部材であって、
当該燃料極用部材は、遷移金属および固体電解質を有し、
該固体電解質は、ペロブスカイト型構造の化合物と、マイエナイト型構造の化合物とを含み、
前記ペロブスカイト型構造の化合物は、CaおよびTiを含み、
前記固体電解質は、TiとAlの合計量に対するAlの含有量y(=Al/(Ti+Al))が、原子比で、0.05以上0.60未満である、燃料極用部材。
(態様9)
固体酸化物形電解セル用の固体電解質層用部材であって、
当該固体電解質層用部材は、固体電解質を有し、
該固体電解質は、ペロブスカイト型構造の化合物と、マイエナイト型構造の化合物とを含み、
前記ペロブスカイト型構造の化合物は、CaおよびTiを含み、
前記固体電解質は、TiとAlの合計量に対するAlの含有量y(=Al/(Ti+Al))が、原子比で、0.05以上0.60未満である、固体電解質層用部材。
(態様10)
燃料極と、
酸素極と、
前記燃料極と前記酸素極との間に設置された固体電解質層と、
を有し、
前記燃料極は、態様8に記載の燃料極用部材で構成され、および/または前記固体電解質層は、態様9に記載の固体電解質層用部材で構成される、固体酸化物形電解セル。
(Aspects of the present invention)
The present invention may have the following embodiments:
(Aspect 1)
A solid electrolyte powder,
It contains compounds with a perovskite structure and compounds with a mayenite structure.
The compound having the perovskite structure comprises Ca and Ti,
The solid electrolyte powder is a solid electrolyte powder in which the Al content y (= Al / (Ti + Al)) relative to the total amount of Ti and Al is 0.05 or more and less than 0.60 in atomic ratio.
(Aspect 2)
The solid electrolyte powder according to embodiment 1, wherein the weight ratio of the mayenite compound to the total of the perovskite-type compound and the mayenite-type compound is in the range of 0.1 wt% to 40 wt%.
(Aspect 3)
A portion of the Ti site in the aforementioned perovskite-type compound is substituted with Al.
The solid electrolyte powder according to embodiment 1 or 2, wherein the lattice constant of the perovskite-type compound is in the range of 3.8020 Å to 3.8150 Å.
(Aspect 4)
The solid electrolyte powder according to any one of embodiments 1 to 3, wherein the crystal structure of the perovskite-type compound is cubic.
(Aspect 5)
A powder of a transition metal or a transition metal compound,
A solid electrolyte powder according to any one of embodiments 1 to 4,
A powder for fuel electrode material of a solid oxide type electrolytic cell, having the following properties.
(Aspect 6)
Dispersion medium and
The powder for the fuel electrode member described in embodiment 5,
A paste for the fuel electrode of a solid oxide electrolytic cell, having the following properties.
(Aspect 7)
Dispersion medium and
A solid electrolyte powder according to any one of embodiments 1 to 4,
A paste for the solid electrolyte layer of a solid oxide type electrolytic cell, having the following properties.
(Appendix 8)
A fuel electrode component for a solid oxide type electrolytic cell,
The fuel electrode component comprises a transition metal and a solid electrolyte.
The solid electrolyte comprises a compound with a perovskite structure and a compound with a mayenite structure.
The compound having the perovskite structure comprises Ca and Ti,
The solid electrolyte is a fuel electrode component in which the Al content y (= Al / (Ti + Al)) relative to the total amount of Ti and Al is 0.05 or more and less than 0.60 in atomic ratio.
(Aspect 9)
A component for the solid electrolyte layer of a solid oxide type electrolytic cell,
The solid electrolyte layer member has a solid electrolyte,
The solid electrolyte comprises a compound with a perovskite structure and a compound with a mayenite structure.
The compound having the perovskite structure comprises Ca and Ti,
The solid electrolyte is a component for a solid electrolyte layer, wherein the Al content y (= Al / (Ti + Al)) relative to the total amount of Ti and Al is 0.05 or more and less than 0.60 in atomic ratio.
(Aspect 10)
Fuel electrode and
Oxygen electrode and
A solid electrolyte layer is placed between the fuel electrode and the oxygen electrode,
It has,
A solid oxide electrolytic cell wherein the fuel electrode is composed of a fuel electrode member as described in embodiment 8, and/or the solid electrolyte layer is composed of a solid electrolyte layer member as described in embodiment 9.
100 SOEC
110 酸素極
120 燃料極
130 固体電解質層
150 外部電源
100 SOEC
110 Oxygen electrode 120 Fuel electrode 130 Solid electrolyte layer 150 External power supply
Claims (10)
ペロブスカイト型構造の化合物と、マイエナイト型構造の化合物とを含み、
前記ペロブスカイト型構造の化合物は、Ca、TiおよびAlを含み、
当該固体電解質粉末は、TiとAlの合計量に対するAlの含有量y(=Al/(Ti+Al))が、原子比で、0.05以上0.60未満である、固体電解質粉末。 A solid electrolyte powder,
It contains compounds with a perovskite structure and compounds with a mayenite structure.
The compound having the perovskite structure comprises Ca , Ti , and Al .
The solid electrolyte powder is a solid electrolyte powder in which the Al content y (= Al / (Ti + Al)) relative to the total amount of Ti and Al is 0.05 or more and less than 0.60 in atomic ratio.
前記ペロブスカイト型構造の化合物の格子定数は、3.8020Å~3.8150Åの範囲である、請求項1または2に記載の固体電解質粉末。 A portion of the Ti site in the aforementioned perovskite-type compound is substituted with Al.
The solid electrolyte powder according to claim 1 or 2, wherein the lattice constant of the perovskite-type compound is in the range of 3.8020 Å to 3.8150 Å.
請求項3に記載の固体電解質粉末と、
を有する、固体酸化物形電解セルの燃料極部材用の粉末。 A powder of a transition metal or a transition metal compound,
The solid electrolyte powder according to claim 3,
A powder for fuel electrode material of a solid oxide type electrolytic cell, having the following properties.
請求項5に記載の燃料極部材用の粉末と、
を有する、固体酸化物形電解セルの燃料極用のペースト。 Dispersion medium and
The powder for the fuel electrode member according to claim 5,
A paste for the fuel electrode of a solid oxide electrolytic cell, having the following properties.
請求項3に記載の固体電解質粉末と、
を有する、固体酸化物形電解セルの固体電解質層用のペースト。 Dispersion medium and
The solid electrolyte powder according to claim 3,
A paste for the solid electrolyte layer of a solid oxide type electrolytic cell, having the following properties.
当該燃料極用部材は、遷移金属および固体電解質を有し、
該固体電解質は、ペロブスカイト型構造の化合物と、マイエナイト型構造の化合物とを含み、
前記ペロブスカイト型構造の化合物は、Ca、TiおよびAlを含み、
前記固体電解質は、TiとAlの合計量に対するAlの含有量y(=Al/(Ti+Al))が、原子比で、0.05以上0.60未満である、燃料極用部材。 A fuel electrode component for a solid oxide type electrolytic cell,
The fuel electrode component comprises a transition metal and a solid electrolyte.
The solid electrolyte comprises a compound with a perovskite structure and a compound with a mayenite structure.
The compound having the perovskite structure comprises Ca , Ti , and Al .
The solid electrolyte is a fuel electrode component in which the Al content y (= Al / (Ti + Al)) relative to the total amount of Ti and Al is 0.05 or more and less than 0.60 in atomic ratio.
当該固体電解質層用部材は、固体電解質を有し、
該固体電解質は、ペロブスカイト型構造の化合物と、マイエナイト型構造の化合物とを含み、
前記ペロブスカイト型構造の化合物は、Ca、TiおよびAlを含み、
前記固体電解質は、TiとAlの合計量に対するAlの含有量y(=Al/(Ti+Al))が、原子比で、0.05以上0.60未満である、固体電解質層用部材。 A component for the solid electrolyte layer of a solid oxide type electrolytic cell,
The solid electrolyte layer member has a solid electrolyte,
The solid electrolyte comprises a compound with a perovskite structure and a compound with a mayenite structure.
The compound having the perovskite structure comprises Ca , Ti , and Al .
The solid electrolyte is a component for a solid electrolyte layer, wherein the Al content y (= Al / (Ti + Al)) relative to the total amount of Ti and Al is 0.05 or more and less than 0.60 in atomic ratio.
酸素極と、
前記燃料極と前記酸素極との間に設置された固体電解質層と、
を有し、
前記燃料極は、請求項8に記載の燃料極用部材で構成され、および/または前記固体電解質層は、請求項9に記載の固体電解質層用部材で構成される、固体酸化物形電解セル。 Fuel electrode and
Oxygen electrode and
A solid electrolyte layer is placed between the fuel electrode and the oxygen electrode,
It has,
A solid oxide electrolytic cell wherein the fuel electrode is composed of the fuel electrode member described in claim 8, and/or the solid electrolyte layer is composed of the solid electrolyte layer member described in claim 9.
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