アルミナをベースとした超高温用水素イオン(プロトン)導電性固体電解質の開発

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13450308
• 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: α-アルミナ / プロトン電導 / 水素溶解度 / 固体電解質 / 水素センサー / プロトン伝導体 / 水素濃淡電池 / OH伸縮振動

Research Abstract

本研究ではまず他のドーパントの可能性について検討した。クロム、イットリウム、ボロンをドープした単結晶を作製し、これらのドーパントによる影響をIRと伝導度の酸素分圧依存性から調べた。イットリウム、ボロンをドープした場合には低酸素分圧側で伝導度の増加が認められたが、水素の影響は認められず、伝導度の増加はプロトン電導ではなく電子電導によるものと思われる。高酸素分圧側ではイットリウムドープでは正孔電導が認められたが、ボロンドープでは伝導度の増加は認められなかった。クロムドープの場合には低酸素分圧側で弱いプロトン電導が認められ、高酸素分圧側では正孔電導による伝導度増加が認められた。この系についての詳細は現在測定中である。
最も溶解度が高いと考えられるマグネシウムドープのアルミナについて、IRで水素溶解の詳細を調べた。偏光した赤外線の吸収強度と結晶への入射方向との関係を解析することにより水素の位置は酸素-酸素間の距離が272pmの酸素八面体の稜であることを確認した。また、単結晶試料についてIRの吸収強度の時間依存性から拡散速度を、水蒸気高酸素雰囲気下でプロトンの電気伝導度を結晶方位を変えて測定した。これらの結果はともに異方性を示し、その変化は先に求めた水素の位置と矛盾しない結果となった。
次にマグネシウムを不純物として含む多結晶のアルミナ焼結体を電解質膜とした水素濃淡電池を構成し、その起電力の水素分圧依存性について調べた。その結果、起電力は1500℃程度までは水素分圧差にのみ依存し、酸素分圧差には殆ど依存しないことが認められた。さらに起電力は一定の正孔電導を含めた理論式と良く一致し、電導のパラメータは試料の違いに関わらずほぼ一致することが明らかとなった。またそのセンサーを溶融銅に浸潰して測定し、銅用水素センサーとして利用する上での問題点についても検討した。

Research Products

• [Publications] N. Fukatsu et al.: "Incorporation of Hydrogen into Magnesium Aluminate Spinel"Extended Abstract of International Conference on Solid State Ionics, SSI 2001. 200-200 (2001)
• [Publications] 栗田典明 他: "プロトン導電体としてのα-アルミナ"日本金属学会講演概要(2001年秋季大会). 129巻. 256-256 (2001)
• [Publications] 栗田典明 他: "α-アルミナを固体電解質とした溶融銅用水素センサーの開発"資源・素材2001(札幌) 一般発表(C)、(D) 講演資料. 195-196 (2001)
• [Publications] 武津典彦: "プロトン導電性酸化物とその高温物理化学への応用"溶融塩および高温化学. 44巻3号. 167-185 (2001)
• [Publications] 栗田典明 他: "α-アルミナを電解質としたガルバニ電池型水素センサーの開発"日本金属学会2002年春季大会. 130回(発表予定). (2002)