2相から成る高速酸素イオン伝導性固体電解質の合成と評価

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固体電解質燃料電池(SOFC)の実用化を目指して従来のジルコニア系電解質よりも200℃以上低温で作動可能と期待されるセリア系電解質が注目されているが、強還元条件下で生じる混合導電性の克服が課題となっている。本研究では、セリア-ジルコニア系など混合導電体と純イオン伝導体を組み合わせた2相固体電解質により、電子伝導経路を局所的に切断して純粋な高速酸素イオン伝導を引出す可能性を検討した。混合導電性電解質材料として、還元雰囲気下で電子伝導性を生じるCe0.8Sm0.2O1.9(SDC)、酸素雰囲気下でホール伝導性を生じるLa0.9Ca0.1AlO2.95(LCA)、電子・酸素イオン導電率がともに十分に高いLa0.6Sr0.4CoO3(LSC)を用いた。これらに純イオン伝導体を圧着して電子伝導を部分的に抑制した酸素濃淡電池の実験から、いずれの混合導電体でもアノード側のみの電子ブロックでほぼ理論値に近い開回路電圧を取り出すことができ、平均のイオン輸率はほぼ1が得られることがわかった。カソード側での電子ブロックの効果はほとんどないことから、界面での電極反応なども考慮する必要があると思われる。さらに、セリア-安定化ジルコニア系2相電解質の界面付近の高分解能TEM像から、ジルコニア相の界面から10nm程度までの領域では、多数の欠陥を生じつつセリア相と格子が整合するように結晶方位が偏向していた。SBM/EDX分析から、反応後は界面よりジルコニア側で組成が大きく変化しており、さらにセリア側ではKirkendall viodが生成するなど、セリア相中のCe原子が優先的に立方晶ジルコニア相へ拡散固溶するという非対称な物質移動が確認された。また、界面での生成相の導電率は母相よりも最大一桁以上低下していると予想され、このような高抵抗相の生成を抑制することが重要と考えられる。