低温作動型燃料電池のための酸素イオン・混合伝導体の高圧合成法による探索

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12750615
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 高村 仁 東北大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (30250715)
• Keywords: 超高圧合成 / パイロクロア型構造 / 混合導電性 / 錯体重合法 / 酸素透過 / La-Ti系酸化物 / Gd-Ti系酸化物

Research Abstract

昨年度の研究では、構成元素の分極率が大きく従来の化合物より高いイオン伝導特性を発揮すると期待されるものの常圧合成では立方晶パイロクロア型として存在できないLa-Ti-O系に着目し、錯体重合法と高圧合成を組み合わせることにより立方晶パイロクロア型化合物の作製を試みた。結果として立方晶構造への相変態は確認できなかったが、錯体重合法を適用することにより低温焼成されたLa_2Ti_2O_7においてアクセプタードープなしでも構造中の酸素欠陥を可動とし、イオン導電性の発現が可能であることを見い出した。イオン導電率は700℃において3.4×10^<-6>S/cmであったが、この温度で緻密化が可能であればさらなる向上が期待される。
本年度はもうーつの研究対象である混合導電体の探索を試みた。昨年度の結果を踏まえ、高いイオン導電率を有するパイロクロア型酸化物を対象とし、種々の遷移金属ドープにより電子伝導性の付与を試みた。配合組成は5mol%Ca添加Gd_2Ti_2O_7(以下GCTと略記)を基本組成として、TiサイトにCo,Feドープを試みた。試料の作製は、昨年度と同様に錯体重合法を適用した。焼成条件は1450℃、2hとした。混合導電性は酸素透過特性評価により行った。試料はパイレックスガラスによりシールされ、片側に空気、もう一方にHeガスを20,40 72.5sccmで供給し、He側に透過してくる酸素量をガスクロマトグラフ装置およびガス質量分析計により定量した。
Co及びFe置換GCTにおいて、CoおよびFeはTiサイトに5mol%まで置換可能であることがX線回折法により確認された。なお、Co置換試料ではTi : Co比を1 : 1まで増加させるとペロブスカイト型構造単相となることが判明した。酸素透過特性は、1000℃において5mol%Co置換試料が5.6×10^<-9>mol\cm^<-2>\s^<-1>なる値を示した。四端子法によって試料の電気伝導度の酸素分圧依存性を測定したところ、Co及びFe置換試料ともにイオン伝導に起因するプラトー部が観察されたことから、酸素透過特性はより低い電子導電率によって制限されていると推察された。従って、さらなる電子導電率の増加によって混合導電性の向上が可能であると考えられる。

Research Products

• [Publications] M.Kawai et al.: "Mixed Ionic and Electronic Conduction of Ce-TM-based Ceramics(TM=Fe,Co)"Proceedings of the Fourth Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing (PRICM4). 2861-2864 (2001)
• [Publications] k.Enomoto et al.: "Electrical Conductivity of La_2Ti_2O_7 Prepared by Citrate Process"Proceedings of the Fourth Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing(PRICM4). 2865-2868 (2001)