固体中の高速イオン移動現象を利用した新規応用分野の開拓

1995 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 07239104
• Research Institution: Mie University
• Principal Investigator: 山本 治 三重大学, 工学部, 教授 (70023116)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 三浦 則雄 九州大学, 大学院・総合理工, 助教授 (70128099) ; 水崎 純一郎 東北大学, 科学計測研究所, 教授 (90092345) ; 岩原 弘育 名古屋大学, 理工科学総合研究センター, 教授 (80023125)
• Keywords: 燃料電池 / 安定化ジルコニア / 電子イオン混合導電体 / 化学センサー / 固体電解質 / ケミカルコジェネレーション

Research Abstract

高速イオン導電性固体及び高速イオン・電子混合導電体の新規応用分野としてエネルギー・環境分野への展開を目指し研究を遂行してきた結果、下記の様な特記すべき成果が得られた。
(1)次世代型高温固体酸化物燃料電池の低温化の基礎研究(山本担当):700-800℃での作動を目指し、低温でも高い酸化物イオン導電を示す酸化物としSc_2O_3-ZrO_2系に注目しその相平衡、導電性につき検討した。Sc_2O_311モル%-ZrO_289モル%に少量のAl_2O_3を添加することにより安定で高い酸化物イオン導電性を示す固体が得られた。さらに、低温においても優れた酸素還元特性を示す新規酸素電極として、Gd_<1-x>Sr_xCoO_3系酸化物を提案しその特性につき検討した。
(2)固体内の高速イオン移動現象を利用した物質変換・分離(岩原担当):酸化物イオン・電子混合導電体CaTi_<0.75>Fe_<0.25>O_3を隔壁とし、炭素源としてカーボンブラックを用いた重質炭素のガス化を試みた。1000℃での測定結果によると炭素のCOへの転換が認められた。COの発生量は隔壁の厚さが減少するとともに増大した。電解質としてY_2O_3安定化ZrO_2を、電極の一方を白金、他方を金としたシールレスセルでメタン-空気混合ガスを用いたケミカルコジェネレーションシステムを提案しその作動特性の基礎的検討を行った。電解質の表面に電子電導性を付与する事により特性の飛躍的向上が認められた。
(3)高速イオン・電子混合導電体の導電制御と応用(水崎担当):CeO_2-ZrO_2-CaO系固溶体の導電率を酸素分圧、温度、組成の関数として測定した。電子導電性はZrO_2の組成が0.2以下ではZrO_2の増大とともに増大した。この系の酸素透過能を酸素濃淡電池法により測定した結果、その値は導電率測求めた値と良く一致した。
(4)固体内高速イオンの移動機能を利用した化学センシング(三浦担当):安定化ジルコニアを電解質とし補助相を種々換えたSO_x、CO_2,NO_x用センサーの開発を試みた。CO_2センサーとしては補助相にLi_2CO_3を用いると500-600℃の温度範囲でNernst式の従う起電力を示した。SO_x用では補助相にLi_2CO_3-CaSO_4-SiO_2を、NO_x用にはBa(NO_3)_2-caCO_3を用いることにより優れたセンシング特性が得られた。

Research Products

• [Publications] 山本 治: "Electrical conductivity of stabilized zirconia with ytterbia and scandia" Solid State Ionics. 79. 137-142 (1995)
• [Publications] 岩原弘育: "Technological challenges in the application of proton conducting ceramics" Solid State Ionics. 77. 289-298 (1995)
• [Publications] 岩原弘育: "Electrocatalytic oxidation of methane by alternating current electrolysis using yttria-stabilized zironia" J. Electrochem. Soc. 142. 3262-3267 (1995)
• [Publications] 水崎純一郎: "Measurement of oxygen permeability in CeO_2 doped YSZ" Solid State Ionics. 79. 208-211 (1996)
• [Publications] 水崎純一郎: "Simple mathematical model for the electrical conductivity of highly porous ceramics" J. Amer. Ceram. Soc.79. 109-113 (1995)
• [Publications] 三浦則雄: "Solid state potentiometric CO_2 sensor using anion conductor and metal carbonate" Sensors and Actuators. B24/25. 260-265 (1995)
• [Publications] 山本 治: "Solid state electrochemistry Chap. 11 Applications" Cambridge University Press, 40 (1995)
• [Publications] 山本 治: "Handbook of Solid State Batteries and Capacitors Chapter 7 Copper Solid State Batteries" Word Scientific, 9 (1995)