高速酸素イオン移動を実現する新規酸化物の開発と新しい電気化学デバイス

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11102006
• 研究機関: 大分大学
• 研究代表者: 滝田 祐作 大分大学, 工学部, 教授 (30038054)
• 研究分担者: 伊藤 正実 大分大学, 地域共同研究センター, 助教授 (60274742) ; 井上 高教 大分大学, 工学部, 助教授 (40243969) ; 石原 達己 大分大学, 工学部, 助教授 (80184555) ; 西口 宏泰 大分大学, 工学部, 助手 (10274739)
• キーワード: 酸素イオン伝導体 / ペロブスカイト型構造 / 燃料電池 / 膜型反応器 / 空気分離 / 電極材料

研究概要

La_2GeO_5系酸化物において、低原子価カチオンの添加効果を検討し、Laサイトへの添加物として、アルカリ土類が適し、伝導度はCa>Mg>Sr>Baとなることを見出した。これらの添加物はとくに低温での伝導度の向上に有効であることがわかった。LaGaO_3への添加物効果について検討し、FeまたはCoの添加が酸素イオン伝導度としては最も有効であることがわかった。Feの添加を検討したところ、La_<0.7>Sr_<0.3>Ga_<0.6>Fe_<0.4>O_3という組成で、伝導度は金属的な高い伝導度が得られ、酸素の透過速度も最も高くなることがわかった。La_2GeO_5系酸化物の結晶構造をリートベルト法で解析した。その結果、結晶構造はPC2_1であることがわかった。また、この構造に基づいて、密度汎関数法を用いて、格子場ポテンシャルを計算して、最適化できた。
低温でも優れた活性を有するカソード電極に付いて検討を行い、安価なLaCoO_3系酸化物のCoサイトにCuを少量添加するとSmCoO_3系酸化物に匹敵する優れた電極性能が発現することを見い出した。また、新規なカソード酸化物について検討し、BaCoO_3系酸化物がすぐれた性能を有し、Ba_<0.6>La_<0.4>CoO_3が低温まで、優れた酸素解離活性を有するので、低温まで電極過電圧が小さいことを見出した。新たに開発したFe添加LaGaO_3系酸化物をCH_4部分酸化へ応用し、大きな転化率で合成ガスが得られることを示した。電解質表面活性は十分高くないので、大きな酸素の透過を実現するためには表面への触媒成分の添加が必要であり、触媒の性能を向上させると、さらに大きな酸素の透過を実現できる可能性があることを明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] T.Ishihara,T.Shibayama,M.Honda,H.Nishiguti,Y.Takita,: "Transition Metal Doped LaGaO_3 Perovskite Fast Oxide Ion Conductor and Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel cell"Mat.Res.Soc.Symp.Proc.. 575. 283-294 (2000)
• [文献書誌] T.Ishihara,T.Shibayama,M.Honda,H.Nishiguchi,Y.Takita: "Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cells Using LaGaO_3 Electrolyte II.Improvement of Oxide Ion Conductivity and Power Density by Doping Fe for Ga Site of LaGaO_3"J.Electrochemical Society. 147.4. 1322-1337 (2000)
• [文献書誌] T.Ishihara,K.Simose,T.Kudo,H.Nishiguchi,T.Akbay,Y.Takita,: "Preparation of Yttria-Stabilized Zirconia Thin Films on Storontium-Doped LaMnO_3 Cathode Substrates via Electrophoretic Deposition for Solid Oxide Fuel Cells,"J.American Ceramic Society. 83.8. 1921-1927 (2000)
• [文献書誌] T.Ishihara,T.Shibayama,H.Nishiguchi,Y.Takita: "Nickel-Gd-doped CeO_2 cermet anode for intermediate temperature operating solid oxide fuel cells using LaGaO_3-based perovskite electrolyte"Solid State Ionics. 132. 209-216 (2000)
• [文献書誌] K.Kuroda,I.Hashimoto,K.Adachi,J.Akikusa,Y.Tamou,N.Komada,T.Ishihara,Y.Takita,: "Characterization of solid oxide fuel cell using doped lanthanum gallate"Solid State Ionics. 132. 199-208 (2000)
• [文献書誌] Y.Tsuruta,T.Yamada,T.Ishihara,H.Nishiguchi,and Y.Takita,: "New Internal Reforming LaGaO_3 Solid Oxide Fuel Cell Based on Partial Oxidation of CH_4"Proc. 4^<th> European Solid Oxide Fuel Cell Forum. 221-230 (2000)
• [文献書誌] 石原達己: "季刊化学総説No.48「新型電池の材料化学」"日本化学会(印刷中).