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

2003 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 九州大学, 大学院・工学研究院, 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 / LaGaO_3 / ナノサイズ効果 / 酸化物電解質燃料電池 / 超薄膜 / La_2GeO_5

研究概要

本研究では大きな酸素イオン伝導性を有する新規材料の開発とそれを用いる新しい概念の電気化学デバイスへの応用を目的としている。本年度は新規材料として従来より検討してきたLa(Sr)Ga(Fe,Mg)O_3系酸化物の酸素イオン伝導性を検討し、Feの添加量が多くなると、電子伝導性が顕著となるものの、添加量が少ない間は比較的大きな酸素イオン伝導性を有し、とくにLa_<0.8>Sr_<0.2>Ga_<0.75>Fe_<0.15>Mg_<0.1>O_3では酸素イオン輸率は0.8以上と高く、伝導度も500℃でlog(σ/Scm^<-1>)=-1.5程度と高いことがわかった。この材料を用いて燃料電池を構築したところ、開回路電力は1.0V程度と低くなったものの、大きな出力密度が得られ、厚さ0.5mmの電解質板を用いても、800および500℃での最大出力密度は1.3W/cm^2および78mW/cm^2に到達することがわかった。一方、従来の研究で見出した高酸素イオン伝導体のLa_2GeO_5系酸化物のナノレベルの薄膜をパルスレーザーアブレーション法で検討を行った。その結果、ターゲット組成を変化させ、ほぼ目的としたLa_<1.6>GeO_5の組成を有するナノレベルの薄膜をAl_2O_3基板上に得ることができ、得られた薄膜を800℃以上でポストアニールするとXRDではLa_2GeO_5相を与えた。得られた酸化物の超薄膜の電気伝導度は膜厚の低下とともに増加し、伝導に必要な見掛けの活性化エネルギーは低下することがわかった。伝導度はP_<02>=1〜10^<-21>atmにおいてほとんど酸素分圧に依存しなっかたので、向上した伝導度は電子伝導ではなく、酸素イオン伝導と考えられる。酸素濃淡電池においても酸素分圧に依存した起電力を示したことから、期待されたように膜厚の低減とともに酸素イオンのなだれ現象が発現し、極めて大きな酸素イオン伝導を発現できることを初めて実証した。

研究成果

• [文献書誌] M.Ando, 外3名: "Oxide Ion Conductivity in Lanthanum Oxide-Fluorides, LaO_<1-X>F_<1+2X>"Solid State Ionics Device III. PV.2002-26. 426-437 (2003)
• [文献書誌] S.Lee, 外5名: "Oxygen-permeating property of LaSrBFeO_3 (B=Co, Ga) perovskite membrane surface modified by LaSrCoO_3"Solid State Ionics. 158. 287-296 (2003)
• [文献書誌] T.Ishihara, 外5名: "Solid State Amperometric Hydrocarbon Sensor for Monitoring Exhaust Gas Using Oxigen Pumping Current"J.Electrochem.Soc.. 150. H241-H245 (2003)
• [文献書誌] T.Ishihara, 外5名: "Amperometoric Hydrocarbon Sensor Using Difference in Electrode Catalysis for Monitoring Exhaust Gas from International Combustion Engines."Electrochemistry. 71. 420-422 (2003)
• [文献書誌] T.Ishihara, 外5名: "Oxide ion and electronic conductivity in Co doped La_<0.8>Sr_<0.2>Ga_<0.8>Mg_<0.2>O_3 perovskite oxide"Phys.Chem.Chem.Phys.. 2003・5. 2257-2263 (2003)
• [文献書誌] T.Ishihara, 外5名: "La(Sr)Ga(Fe)O_3 Perovskite Oxide as a New Mixed Ionic-Electronic Conductor for Oxygen Permeating Membrane"J.Electrochem.Soc.. 150・1. 17-23 (2003)
• [文献書誌] T.Ishihara, 外3名: "High Temperature Solid Oxide Fuel Cells : Fundamentals, Design and Applications"Chapter4 : Electrolytes. 83-117 (2003)