新規な酸化物イオン導電性固体の開発と高温固体電解質燃料電池への応用

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高温固体電解質型燃料電池用固体電解質として、安定化ジルコニアに代わる、易焼結性で、高い酸化物イオン導電性を示す、新規な固体電解質の開発を行った。M_2O_3-CaO(M:Y,La,Gd,Dy)系およびLa_<2-X>-Sr_XMgZrO_<6-1/2X>系をゾル-ゲル法で合成し、焼結後その特性を検討した。金属酢酸塩または硝酸塩を所定の組成比で秤り取り、少量の蒸留水で溶解し、12時間攪拌後アンモニア水を添加しpH調整しゲル化させた。70℃で2〜3日間の予備乾燥後、100℃、300℃、900℃で各6時間仮焼した。微粉砕後-100meshふるいを通過したものを、直径13mm、厚さ1〜2mmの円板状に8ton/cm^2で静水圧プレスにより成型した。空気中で1350℃で、8時間焼成した。焼結体の両面に白金ペーストを焼き付け導電率および輸率測定試料とした。周波数応答特性測定器による交流インピーダンス測定から全導電率を求め、空気-酸素濃淡電池、水素-空気燃料電池の起電力から酸化物イオン輸率を測定した。粉末法X線回折(XRD)により、生成物の相と結晶構造を検討した。XRDにより、作製試料は2成分金属酸化物の単純混合相(M_2O_3-CaO)か、ランタニド酸化物の固溶体とCaOの混合相(M_<2-X>Ca_XO_<3-X/2>-CaO)であることがわかった。各系の空気中で測定した500℃以上での導電率はLa_2CaO_4>Dy_2CaO_4>Gd_2-CaO_4>Y_2CaO_4の順になり、800℃での値はそれぞれ1.34×10^<-4>,2.91×10^<-5>,1.12×10^<-5>,8.54×10^<-7>S/cmであった。導電の活性化エネルギーは600〜900℃の範囲でそれぞれ81.6,109,87.8,156kJ/molであった。La_2CaO_4の酸化物イオン輸率は、低酸素雰囲気となる水素-空気燃料電池の起電力からはほぼ1であった。ペロブスカイト構造をとることが報告されているLa_2Mg-ZrO_6をゾル-ゲル法で合成し、さらにLa^<3+>の一部をSr^<2+>で置換し、酸素空孔を導入したLa_<2-X>-Sr_XMgZrO_<6-1/2X>系試料を作製し、導電率測定の結果、La_2MgZrO_6の導電率はかなり小さかったが、Sr^<2+>の置換により向上がみられた。XRDで、この系はXの広い範囲でペロブスカイト構造をとることがわかった。