超高温用酸化物水素イオン(プロトン)導電性固体電解質の開発

1999 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09450278
• Research Institution: Nagoya Institute of Technology
• Principal Investigator: 武津 典彦 名古屋工業大学, 工学部, 助教授 (80029355)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大橋 照男 名古屋工業大学, 工学部, 教授 (70024263) ; 栗田 典明 名古屋工業大学, 工学部, 助手 (20292401)
• Keywords: アルミナ / 水素溶解 / プロトン伝導 / 固体電解質 / IR吸収 / 同位体効果 / 電気伝導度 / 酸化物

Research Abstract

昨年度の研究で超高温用プロトン導電体として最も有望であると判明したMgドープのアルファアルミナについて、本年度も引き続いてそのプロトン導電性について詳細に調査した。また、一昨年度の研究でプロトンは溶解するがプロトン伝導体とはならなかったAl過剰のスピネルについても、その優勢な電荷担体の同定を試みた。
Mgをドープしたアルファ・アルミナを水酸素火焔溶融法(ベルヌーイ法)で単結晶試料に作製し、詳細な赤外吸収スペクトル分析を行った。まず、偏光を用いた赤外吸収測定から水素の存在位置について検討をおこなった。吸収強度の結晶面と光軸および偏光角への依存性から3000カイザー付近に認められた大きな吸収はベーサル面には存在しない水素に関係するものであることが明確になった。主要な水素は2.62もしくは2.73Åの長さを持つ酸素八面体の稜に位置しており、両端の酸素と水素結合を構成してOH伸縮振動による吸収を生じさせているものと考えられる。この吸収は広い半値幅を示し、水素が可動であることを示している。
次に市販のアルミナ焼結体を用いて水素濃淡電池および酸素濃淡電池を構成し、その起電力を測定した。起電力は両端の水素ポテンシャル差に依存したが、酸素ポテンシャル差には殆ど依存せず、その値のポテンシャルさ依存性は主要な電荷担体をプロトンと電子性欠陥であるとしてリーゾナブルに説明できることが分かった。
昨年度測定した溶解度、拡散係数、電気伝導度と本年度の結果を総合すると、Mgドープのアルファ・アルミナは現時点で最も高温度で用いることができる高温用プロトン導電体であると結論できる。
また、水素を含んだAl過剰のスピネルについて、直流電圧を長時間印加した試料をX線マイクロアナライザーで分析した結果、陰極側にMgOの析出を認め、主要な電荷担体がMg^<2+>イオンであることが分かった。

Research Products

• [Publications] 栗田典明 他: "銅および銅亜鉛合金の凝固時における溶存ガスの挙動"資源・素材'99(京都) 企画発表資料. D-4. 97-100 (1999)
• [Publications] 栗田典明 他: "溶融銅用水素センサーの動作原理"資源・素材'99(京都) 企画発表資料. D-4. 101-104 (1999)
• [Publications] 栗田典明 他: "溶融銅用水素センサーの構造と評価試験"資源・素材'99(京都) 企画発表資料. D-4. 105-108 (1999)
• [Publications] 栗田典明 他: "溶融銅用水素センサーの現場試験のまとめと総合評価"資源・素材'99(京都) 企画発表資料. D-4. 124-128 (1999)
• [Publications] 栗田典明 他: "プロトン導電性固体電解質CaZr_<0.9>In_<0.1>O_<3-d>を用いた溶融銅用水素センサーの実用化試験"固体イオニクス討論会講演要旨集. 25. 23-24 (1999)
• [Publications] 藤原嗣典: "溶融銅中におけるFe基耐熱合金の耐食条件の決定"日本金属学会秋期大会講演概要集. 125. 518-518 (1999)