ＳＯＣにおける電極材料としての使用に適した複合材料
本発明は、固体酸化物セルにおける電極材料としての使用に適した複合材料であって、少なくとも２つの非混和性の混合イオン電子伝導体からなる複合材料に関する。また、固体酸化物セルにおける電極材料としての使用に適した複合材料であって、（Ｇｄ１−ｘＳｒｘ）１−ｓＦｅ１−ｙＣｏｙＯ３−δ又は（Ｌｎ１−ｘＳｒｘ）１−ｓＦｅ１−ｙＣｏｙＯ３−δ１（ｓは０．０５以上）［式中、Ｌｎはランタニド元素、Ｓｃ又はＹである］に基づいており、非混和性である少なくとも２つの相を含み、グリシン硝酸塩燃焼方法によって得ることができる複合材料も提供する。前記複合材料を用いて、少なくとも二相系の形態の電極材料が約６００℃において約０．１Ωｃｍ２の非常に低い面積比抵抗を示すことを証明することができる。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［技術分野］
本発明は、固体酸化物セル（ＳＯＣ）、特に固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）又は固体酸化物電解槽セル（ＳＯＥＣ）における電極材料としての使用に適した複合材料に関する。ＳＯＦＣ又はＳＯＥＣは固体酸化物電解質及び２つの電極からできており、当該電極のうち少なくとも１つは前記複合材料を含む。
【０００２】
［背景技術］
固体酸化物セルとして、一般には、種々の用途のために設計されたセル、例えば、固体酸化物燃料電池又は固体酸化物電解槽セルが挙げられる。これらのタイプのセルは当該技術分野で公知である。典型的には、固体酸化物セルは２つの電極層に挟まれた電解質層を含む。動作の間、約４００℃〜約１１００℃の温度が用いられる。一方の電極は空気と接触しており、他方の電極は燃料ガスと接触している。
【０００３】
費用の理由から、セルの支持構造にはステンレス鋼などの安価な材料を使用することが望まれる。しかし、そのような材料は、８００℃未満でのみ長時間安定である。そのような温度では、ＬＳＭ（ストロンチウム置換ランタンマンガナイト）から形成される最も一般的なカソードが十分な活性を有さないため、他の材料が必要とされている。Ｗ．Ｇ．Ｗａｎｇ、Ｒ．Ｂａｒｆｏｄ、Ｐ．Ｈ．Ｌａｒｓｅｎ、Ｋ．Ｋａｍｍｅｒ、Ｊ．Ｊ．Ｂｅｎｔｚｅｎ、Ｐ．Ｖ．Ｈｅｎｄｒｉｋｓｅｎ、Ｍ．Ｍｏｇｅｎｓｅｎ、２００３年４月２７日〜５月２日、パリでの固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ−ＶＩＩＩ）についての第８回国際シンポジウムの声明、Ｓ．Ｃ．Ｓｉｎｇｈａｌ、Ｍ．Ｄｏｋｉｙａ（編）、ｐ．４００−４０８（Ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ、Ｐｅｎｎｉｎｇｔｏｎ、ＮＪ）（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｖｏｌｕｍｅ ＰＶ ２００３−０７）を参照のこと。
【０００４】
ＬＳＭより高い活性を有する他の電極材料が知られている。そのようなカソードの例は、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δとセリウムガドリニウム酸化物（ＣＧＯ）の複合体である。そのようなカソードの面積比抵抗（ＡＳＲ）は、６００℃で約０．３Ωｃｍ２である。Ｅ．Ｐ．Ｍｕｒｒａｙ、Ｍ．Ｊ．Ｓｅｖｅｒ、Ｓ．Ａ．Ｂａｒｎｅｔｔ、Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｉｏｎｉｃｓ、１４８ ２７（２００２）を参照のこと。Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δの円錐形電極について測定すると、ＡＳＲは、６００℃で約１００Ωｃｍ２である。Ｋ．Ｋａｍｍｅｒ、Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｉｏｎｉｃｓ、１７７ １０４７（２００６）を参照のこと。
【０００５】
Ｇｄ０．８Ｓｒ０．２Ｃｏ１−ｙＦｅｙＯ３−δ（０≦ｙ≦１．０）系の組成物では、安定な二相ペロブスカイト系を示すこともあり得る−前記材料は、固体酸化物燃料電池用に提案されている。Ｃ．Ｒ．Ｄｙｃｋ、Ｒ．Ｃ．Ｐｅｔｅｒｓｏｎ、Ｚ．Ｂ．Ｙｕ、Ｖ．Ｄ．Ｋｒｓｔｉｃ、Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｉｏｎｉｃｓ、１７６ １０３−１０８（２００５）を参照のこと。
【０００６】
Ｙｕａｎ Ｊｉ、Ｊｉａｎｇ Ｌｉｕ、Ｔｉａｎｍｉｎ Ｈｅ、Ｌｉｇｏｎｇ Ｃｏｎｇ、Ｊｉｎｘｉａ Ｗａｎｇ、Ｗｅｎｈｕｉ Ｓｕ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｌｌｏｙｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ、３５３ ２５７−２６２（２００３）は、単一の中温用ＳＯＦＣに関する。燃焼合成法であるグリセリン−硝酸塩プロセスを用いて、単一ＳＯＦＣで用いられる全てのナノサイズの材料を調製した。
【０００７】
ＣＧＯ電解質において６００℃で０．１９Ωｃｍ２及び７００℃で０．０２６Ωｃｍ２のＲｐが得られる高性能のＬＳＣＦ／ＣＧＯ複合体カソードが製造されてきた。Ｗｅｉ Ｇｕｏ Ｗａｎｇ、Ｍｏｇｅｎｓ Ｍｏｇｅｎｓｅｎ、Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｉｏｎｉｃｓ、１７６ ４５７−４６２（２００５）を参照のこと。
【０００８】
Ｇ．Ｃｈ．Ｋｏｓｔｏｇｌｏｕｄｉｓ、Ｇ．Ｔｓｉｎｉａｒａｋｉｓ、Ｃｈ．Ｆｔｉｋｏｓ、Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｉｏｎｉｃｓ、１３５ ５２９−５３５（２０００）は、ペロブスカイト酸化物であるＳＯＦＣカソードとイットリア安定化ジルコニアとの化学反応性に関する。
【０００９】
従来技術によって得ることができる複合体Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ／ＣＧＯのＡＳＲ値は常套のＬＳＭカソードの値の１／３未満であるが、６００℃でのＡＳＲは多くの用途にとって依然として高すぎるため、より低いＡＳＲ値を有する新規の電極を開発することが強く望まれる。
【００１０】
［発明の概要］
本発明は、ＳＯＣにおける電極材料として適した複合材料に関する。複合材料は、少なくとも２つの非混和性の混合イオン電子伝導体（ＭＩＥＣ）からなる。
【００１１】
本発明は、さらに、固体酸化物セルにおける電極材料としての使用に適した複合材料であって、（Ｇｄ１−ｘＳｒｘ）１−ｓＦｅ１−ｙＣｏｙＯ３−δ又は（Ｌｎ１−ｘＳｒｘ）１−ｓＦｅ１−ｙＣｏｙＯ３−δ（ｓは０．０５以上）［式中、Ｌｎはランタニド元素、Ｓｃ又はＹである］に基づいており、非混和性である少なくとも２つの相を含み、グリシン硝酸塩燃焼方法によって得ることができる複合材料に関する。
【００１２】
本発明は、第２の態様において、前記複合材料を含む、ＳＯＣでの使用に適した電極に関する。
【００１３】
第３の態様において、本発明は、ＳＯＣにおける電極材料のための前記複合材料の使用に関する。
【００１４】
第４の態様において、本発明は、前記複合材料の電極材料を含むＳＯＣに関する。
【００１５】
好ましい実施形態は、下位請求項及び以下の詳細な説明に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明による二相（Ｇｄ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ系複合電極の微細構造を示す。
【図２】円錐形電極の（Ｇｄ１−ｘＳｒｘ）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ系カソードのＡＳＲ値を６００℃において空気中で測定したｘの関数として示す。
【図３】６００℃において空気中で円錐形電極について測定した二相（Ｇｄ０．６Ｓｒ０．４）１−ｓＦｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δカソードのＡＳＲに対するＡ部位の非化学量論量の効果を示す。
【図４】６００℃において空気中で円錐形電極について測定した二相（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４）１−ｓＦｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δカソードのＡＳＲに対するＡ部位の非化学量論量の効果を示す。０．０５以上のｓを有する化合物は、少なくとも二相の化合物である。
【図５】６００℃において空気中で測定した（Ｇｄ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ／ＣＧＯ複合カソードの電気化学インピーダンススペクトルの例を示す。ＡＳＲは非常に低いことが分かる。
【図６】粒子状ペロブスカイト相（Ｐ）及び粒子状電解質相（Ｉ）を含む構造を模式的に示す。三相境界を追加の線によって示す。
【図７】２つの相の混合イオン電子伝導体（Ｐ１及びＰ２）を含む粒子状ペロブスカイトを含む本発明による構造を模式的に示す。三相境界を追加の線によって示す。
【００１７】
［発明の詳細な説明］
本発明は、固体酸化物セルにおける電極材料としての使用に適した複合材料であって、少なくとも２つの非混和性の混合イオン電子伝導体（ＭＩＥＣ）からなる複合材料に関する。本発明において、ＭＩＥＣは、ＳＯＦＣ電極動作条件下で１０−３Ｓ／ｃｍ以上の比イオン伝導率及び１０−２Ｓ／ｃｍ以上の比電子伝導率の両方を有する材料を意味する。
【００１８】
本発明の複合材料は、有利にも、約０．１Ωｃｍ２の非常に低い面積比抵抗を有し、約６００℃の低い動作温度でのＳＯＣにおける電極材料としての使用に特に適している。
【００１９】
したがって、本発明の複合材料の性能は従来技術から現在まで知られている材料の性能よりも優れており、また、有利にもＳＯＣの動作温度の低下を可能にするため、結果として長寿命のＳＯＣをもたらす。さらに、温度抵抗の要件が低くなるため、より多数の材料をＳＯＣに用いることができる。
【００２０】
本発明の複合材料は、当業者に周知されているグリシン硝酸塩燃焼方法によって得ることができる。一般に、前記方法において、前駆体溶液を各々の金属硝酸塩及びグリシンから調製し、次いで自己発火点まで加熱する。グリシンは燃焼用燃料及び錯化剤として機能して、燃焼前の個々の成分の不均一な沈殿を防止する。
【００２１】
グリシン硝酸塩燃焼方法についての詳細は、とりわけ、Ｌ．Ａ．Ｃｈｉｃｋ、Ｌ．Ｒ．Ｐｅｄｅｒｓｏｎ、Ｇ．Ｄ．Ｍａｕｐｉｎ、Ｊ．Ｌ．Ｂａｔｅｓ、Ｌ．Ｅ．Ｔｈｏｍａｓ、Ｇ．Ｊ．Ｅｘａｒｈｏｓ、Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、１０ ６（１９９０）；及びＬ．Ｒ．Ｐｅｄｅｒｓｏｎ、Ｇ．Ｄ．Ｍａｕｐｉｎ、Ｗ．Ｊ．Ｗｅｂｅｒ、Ｄ．Ｊ．ＭｃＲｅａｄｙ、Ｒ．Ｗ．Ｓｔｅｐｈｅｎｓ、Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、１０ ４３７（１９９１）に見出すことができる。
【００２２】
有利にも、本発明の複合材料において、少なくとも２つの相のうち第１の相が相対的に大きい粒径を有し、少なくとも２つの相のうち第２の相が相対的に小さい粒径を有することが見出された。第２の相のより小さい粒子は、第１の相の相対的により大きい粒子の表面に位置する。より具体的には、少なくとも２つの相のうち第１の相の粒径は、約０．５〜６０μｍ、好ましくは約１〜５０μｍ、より好ましくは約２〜４０μｍの粒径を有する。少なくとも２つの相のうち第２の相は０．５μｍ未満の粒径を有し、ここで、第２の相の粒子は第１の相の粒子の表面に位置する。
【００２３】
図６及び７に示すように、本発明の複合材料の特有の微細構造は三相境界の面積を増大させて、電極の電気化学性能の向上をもたらす。三相境界は、２つの固体混合イオン電子伝導体が互い及び気相に接する境界として定義される。また、酸素の還元に利用可能な活動面積は、第２の相の小さい粒径により増大する。
【００２４】
本発明をいずれの特定の理論にも限定することなく、本発明のカソードが少なくとも２つの相の混合伝導体を含む材料からなると考えられており、ここで、前記相のいずれも電子及びイオンの両方を伝導することができ、前記相の少なくとも２つは、プロトン又は酸化物イオンなどのイオン及び電子の優れた伝導体であり、また、微細構造が大きな三相接触表面及びより大きな表面積を与える。図６には、粒子状ペロブスカイト相（Ｐ）及び粒子状電解質相（Ｉ）を含む構造が示されており、また活性ペロブスカイト粒子の三相境界領域長さ及び幅も示している。
【００２５】
図７には、２つの相の混合伝導体（Ｐ１及びＰ２）を含む粒子状ペロブスカイトを含む構造が示されており、ここで、前記相のいずれも電子及びイオンの両方を伝導することができ、前記相の少なくとも２つは、プロトン又は酸化物イオンなどのイオン及び電子の優れた伝導体であり、また、活性ペロブスカイト粒子の三相境界領域長さ及び幅が図６に示す実施形態の三相接触表面より明らかに大きいことも示している。
【００２６】
好ましくは、少なくとも２つの非混和性の混合イオン電子伝導体のうち少なくとも２つが組成式（Ｇｄ１−ｘＳｒｘ）１−ｓＦｅ１−ｙＣｏｙＯ３−δを有する材料を含む。式中、ｘは好ましくは約０〜１、より好ましくは約０．１〜０．５、最も好ましくは０２．〜０．３である。Ｙは、好ましくは約０〜１、より好ましくは約０．１〜０．５、最も好ましくは０２．〜０．３である。
【００２７】
また、好ましくは、少なくとも２つの非混和性の混合イオン電子伝導体のうち少なくとも２つが組成式（Ｌｎ１−ｘＳｒｘ）１−ｓＦｅ１−ｙＣｏｙＯ３−δ［式中、Ｌｎはランタニド元素、Ｓｃ又はＹである］を有する材料を含む。式中、ｘは好ましくは約０〜１、より好ましくは約０．１〜０．５、最も好ましくは０２．〜０．３である。Ｙは、好ましくは約０〜１、より好ましくは約０．１〜０．５、最も好ましくは０２．〜０．３である。
【００２８】
本発明はまた、固体酸化物セルにおける電極材料としての使用に適した複合材料であって、（Ｇｄ１−ｘＳｒｘ）１−ｓＦｅ１−ｙＣｏｙＯ３−δ又は（Ｌｎ１−ｘＳｒｘ）１−ｓＦｅ１−ｙＣｏｙＯ３−δ（ｓは０．０５以上）［式中、Ｌｎはランタニド元素、Ｓｃ又はＹである］に基づいており、非混和性である少なくとも２つの相を含み、グリシン硝酸塩燃焼方法によって得ることができる複合材料も提供する。式中、ｘは好ましくは約０〜１、より好ましくは約０．１〜０．５、最も好ましくは０２．〜０．３である。Ｙは、好ましくは約０〜１、より好ましくは約０．１〜０．５、最も好ましくは０２．〜０．３である。
【００２９】
本発明の複合体を得るためにグリシン硝酸塩燃焼方法を使用することにより、上記に概説した特有の構造が得られる。
【００３０】
さらに好ましい実施形態において、複合材料は、（Ｇｄ１−ｘＳｒｘ）１−ｓＦｅ１−ｙＣｏｙＯ３−δ、より好ましくは（Ｇｄ０．６Ｓｒ４．４）１−ｓＦｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δに基づいている。
【００３１】
本発明による複合材料は、さらに好ましくは多孔質材料であってよい。このことは、高性能が望まれる場合に特に有利である。
【００３２】
また、複合材料が、ドープセリウムガドリニウム酸化物などの粒子状固体電解質材料をさらに含むことが好ましい。特に好ましい材料は、Ｃｅ０．９Ｇｄ０．１Ｏ１．９５（ＣＧＯ１０、ローディア（Ｒｈｏｄｉａ））である。
【００３３】
第２の態様において、本発明は、ＳＯＣ用電極として使用するための電極に関し、ここで、当該電極は、上記複合材料を含む。電極に複合材料を用いることにより、ＳＯＣの動作温度を６００℃又はさらに低い動作温度にまで低下させることができる。
【００３４】
また、本発明の特定の複合材料により、電極が、有利にも、各々２つ（又はそれより多く）の単相ペロブスカイトと比較して優れた電気化学性能を有する。したがって、本発明の複合材料の特有の微細構造は、ＳＯＣにおける酸素の還元又は水素の酸化に関して高い電気化学性能を達成するのに必須である。
【００３５】
別の態様において、本発明は、ＳＯＣ、特にＳＯＦＣ用の電極材料としての前記複合材料の使用に関する。
【００３６】
本発明はまた、前記複合材料を含む電極を含むＳＯＣにも関する。有利なことに、本発明の複合材料を電極用材料として用いるとき、動作温度を低下させることができる。結果として、高温による材料の変性を低減することができる。さらに、複合材料は、他の要素のための材料の選択をより自由にし、低コスト材料の使用を容易にし、さらにセルの全体としてのコスト低減に寄与する。
【００３７】
以下、本発明を実施例によって説明するが、本発明がこれらに限定されることを意図していない。
【００３８】
材料及び方法
実施例１
本発明による「（Ｇｄ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ」ペロブスカイトの調製
組成（Ｇｄ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δを有する鉄コバルト系ペロブスカイトの粉末を、Ｌ．Ａ．Ｃｈｉｃｋ、Ｌ．Ｒ．Ｐｅｄｅｒｓｏｎ、Ｇ．Ｄ．Ｍａｕｐｉｎ、Ｊ．Ｌ．Ｂａｔｅｓ、Ｌ．Ｅ．Ｔｈｏｍａｓ、Ｇ．Ｊ．ＥｘａｒｈｏｓによってＭａｔｅｒｉａｌｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、１０ ６（１９９０）に開示されているグリシン硝酸塩燃焼経路を用いて調製した。
【００３９】
出発材料として金属硝酸塩の水溶液を用いた。用いた全ての硝酸塩は、９９％以上の純度を有した。適切な金属硝酸塩溶液を適切な比でビーカーにおいて混合し、次いで当該溶液にグリシンを添加した。次いで溶液が発火するまで溶液をホットプレート上で加熱した。最後に、得られた粉末を１１００℃／１２時間で焼成した。粉末ＸＲＤを実施して、ＣｕＫα放射によるＳｔｏｅ粉末回折計を用いて合成化合物の純度を検証した。
【００４０】
円錐形電極の調製
錐体の製造のために、１０ｍｍの直径を有するシリンダを、適切なダイを用いて単軸方向に押した。シリンダを６０〜６５トンの圧力で平衡に押した。その後シリンダを１２５０℃／１２時間で焼結した後、ダイヤモンド工具を用いることにより機械加工して錐体にした。焼結後のシリンダの密度をアルキメデスの方法によって決定した。シリンダの密度はＸＲＤから測定した値の９０％を超えた。
【００４１】
電気化学測定用の錐体を、ダイヤモンド工具でシリンダを機械加工することによって作製した。
【００４２】
電解質として、Ｃｅ０．９Ｇｄ０．１Ｏ１．９５（ＣＧＯ１０、ローディア）のペレットを用いた。ＣＧＯ１０ペレットを以下のように製造した：ＣＧＯ１０粉末をボールミルにおいてエタノールを用いてステアリン酸及びグリセリンと共に一晩混合した。混合物を乾燥させた後にダイで押した。ペレットを１５００℃／２時間で焼結させた。
【００４３】
対／参照電極として銀電極を用いた。電気化学測定には、ソーラートロン（Ｓｏｌａｒｔｒｏｎ）１２６０ゲインフェーズアナライザを用いた。
【００４４】
電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）により１ＭＨｚ〜０．０５Ｈｚの周波数範囲で１０進ごとに５点を測定して記録した。測定を、最も高い温度から始めて８００、７００及び６００℃で実施した。データの記録の前に、サンプルを所定の温度で２４時間平衡化した。ＥＩＳにより得られたデータをＰＣ−ＤＯＳプログラムｅｑｕｉｖｃｒｔ（Ｂ．Ａ．Ｂｏｕｋａｍｐ、「ｅｑｕｉｖｃｒｔ」、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｗｅｎｔｅ（１９９６））において処理した。高周波での切片から、接触面積をニューマン（Ｎｅｗｍａｎ）式（Ｊ．Ｎｅｗｍａｎ、Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．、１１３ ５０１（１９６６））：
【数１】
（式中、Ｒｓは高周波での実軸との切片であり、σ＊は、電解質の比伝導率である）を用いて決定した。円錐形電極の微細構造を、ＪＥＯＬ ＪＳＭ−８４０走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて調べた。
【００４５】
組成物の粉末Ｘ線回折（ＸＲＤ）を行い、（Ｇｄ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ化合物が少なくとも二相系であり、一方が斜方晶相、一方が立方ペロブスカイト相であることを示した。
【００４６】
この複合カソードの電気化学性能は、単相材料（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δの約１００Ωｃｍ２と比較して非常に高い、すなわち円錐形電極について空気中６００℃で測定して約０．８９Ωｃｍ２であることが見出された。
【００４７】
組成（Ｇｄ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δを有する錐体のＳＥＭ写真を図１に示す。得られた錐体は特有の微細構造を有しており、一方の相は相対的に大きい粒径を有し、他方の相は相対的に小さい粒径を有し、第２の相のより小さい粒子は、第１の相の相対的により大きい粒子の表面に位置する。２つの相はよく分離していることが分かる。
【００４８】
エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）を用いて２つの相の組成を決定した。２つの相の組成は、それぞれ以下の通りであった：Ｇｄ０．４９Ｓｒ０．５１Ｆｅ０．７９Ｃｏ０．２４Ｏ３−δ及びＧｄ０．７６Ｓｒ０．２４Ｆｅ０．７５Ｃｏ０．２２Ｏ３−δ。
【００４９】
２つの個々の相の電気化学性能を評価するために、純相を合成した。得られた２つの相は粉末ＸＲＤによって検証されるように単相材料であった。これら２つの相を合成した後、２つの相の電気化学性能を、ＡＳＲの決定により円錐形電極技術を用いて評価した。これら２つの相及び個々の組成を有する錐体の電気化学性能は、以下の表１に記載のＡＳＲ値から明らかであるように、複合カソードの性能よりもかなり低かった。
【００５０】
結果は、複合ペロブスカイトを作製するときに形成される特有の微細構造がこのタイプのＳＯＦＣカソードの優れた電気化学性能に必須であることを示す。
【００５１】
【表１】
【００５２】
得られたカソードが少なくとも２つのペロブスカイト相からなること及び複合カソードが２つの個々の相よりもかなり優れた特性を有することを検証することができ、二相系の特有の微細構造が、ＳＯＦＣにおける酸素の還元のための高い電気化学性能を得るのに必須であることを示している。
【００５３】
実施例２
本発明による鉄コバルト系ペロブスカイトの調製
実施例１のグリシン硝酸塩燃焼経路を用いて、以下の組成を有するさらなるペロブスカイト粉末を調製及び試験した。
粉末２：（Ｇｄ１−ｘＳｒｘ）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ（式中、ｘ＝０．２、０．３、０．４、０．５）
【００５４】
全てのサンプルの相純度を、粉末ＸＲＤを用いて検証した。
（Ｇｄ１−ｘＳｒｘ）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ系が二相系（２つのペロブスカイト相）であることが見出された。
【００５５】
実施例１で説明したように、測定を円錐形電極について実施した。結果は図２で見ることができる。図２は、円錐形電極の（Ｇｄ１−ｘＳｒｘ）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ系カソードのＡＳＲ値を６００℃において空気中で測定したｘの関数として示す。ＡＳＲ値は、全ての化合物について相対的に低い。
【００５６】
実施例３
本発明による鉄コバルト系ペロブスカイトの調製
実施例１のグリシン硝酸塩燃焼経路を用いて、以下の組成を有するさらなるペロブスカイト粉末を調製及び試験した。
粉末３：（Ｇｄ０．６Ｓｒ０．４）１−ｓＦｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ（式中、ｓ＝０．０１、０．０５、０．１、０．１５、０．２０）
【００５７】
全てのサンプルの相純度を、粉末ＸＲＤを用いて検証した。
（Ｇｄ０．６Ｓｒ０．４）１−ｓＦｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ系が二相系（２つのペロブスカイト相）であることが見出された。
【００５８】
実施例１で説明したように、測定を円錐形電極について実施した。結果は図３で見ることができる。全ての組成物が、単相化合物（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δのＡＳＲをはるかに下回って低いＡＳＲを有することが観測される。しかしながら、強いＡ部位の不完全なペロブスカイトは、ｓ＝０．０１を有するペロブスカイトより高いＡＳＲを有した。
【００５９】
図３は、６００℃において空気中で円錐形電極について測定した二相（Ｇｄ０．６Ｓｒ０．４）１−ｓＦｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δカソードのＡＳＲに対するＡ部位の非化学量論量の効果を示す。ＡＳＲは当該材料のＡ部位の非化学量論量に非常に敏感であり、ＡＳＲはｓ＝０．０１を有する化合物について最も低い。しかしながら、全ての化合物のＡＳＲ値は、単相化合物（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δのＡＳＲ値より低い。
【００６０】
実施例４
本発明による鉄コバルト系ペロブスカイトの調製
実施例１のグリシン硝酸塩燃焼経路を用いて、以下の組成を有するさらなるペロブスカイト粉末を調製及び試験した。
粉末４：（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４）１−ｓＦｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ（式中、ｓ＝０．０１、０．０５、０．１０、０．１５、０．２０）
【００６１】
全てのサンプルの相純度を、粉末ＸＲＤを用いて検証した。
（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４）１−ｓＦｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ系が、ｓが０．０５以上の二相系（２つのペロブスカイト相）であることが見出された。
【００６２】
実施例１で説明したように、測定を円錐形電極について実施した。結果は図４で見ることができる。全ての組成が、単相化合物（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δのＡＳＲをはるかに下回って低いＡＳＲを有することが観測される。しかしながら、強いＡ部位の不完全なペロブスカイトは、ｓ＝０．０５を有するペロブスカイトより高いＡＳＲを有した。
【００６３】
図４は、６００℃において空気中で円錐形電極について測定した二相（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４）１−ｓＦｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δカソードのＡＳＲに対するＡ部位の非化学量論量の効果を示す。ｓが０．０５以上である化合物は、少なくとも二相の化合物である。これらの化合物は、単相化合物（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δのＡＳＲ値より低いＡＳＲ値を有することが分かる。
【００６４】
実施例５
本発明による鉄コバルト系ペロブスカイトの調製
実施例１のグリシン硝酸塩燃焼経路を用いて、以下の組成を有するさらなるペロブスカイト粉末を調製及び試験した。
粉末５：（Ｇｄ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ
【００６５】
全てのサンプルの相純度を、粉末ＸＲＤを用いて検証した。
（Ｇｄ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ系が二相系（２つのペロブスカイト相）であることが見出された。
【００６６】
（Ｇｄ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δとＣＧＯ１０との混合物を含む対称セルを以下のように調製した。前記ペロブスカイト及びＣＧＯ１０の粉末をボールミルにおいて溶媒及び有機化合物と混合した。得られたスラリーをＣＧＯ１０テープの両側に噴霧し、加熱炉で焼結させた。
【００６７】
得られたサンプルの測定を以下のように実施した。Ｐｔペーストを集まった電流としてセルの両側に添加した。次いでセルを、Ｐｔメッシュを有する装置（ｓｅｔｕｐ）に置き、ばねで荷重をかけた。次いで実施例１に説明したように測定を開始した。
【００６８】
図５に、（Ｇｄ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ／ＣＧＯ１０複合カソードにおいて６００℃で記録したインピーダンススペクトルを示す。ＡＳＲは約０．１６Ωｃｍ２であり、さらにより低い値が他の組成の（Ｇｄ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ／ＣＧＯ１０複合カソードについて見られた。これは、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ／ＣＧＯ１０カソードのＡＳＲより低い。
【００６９】
図５は、６００℃において空気中で測定した（Ｇｄ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ／ＣＧＯ複合カソードの電気化学インピーダンススペクトルの例を示す。ＡＳＲが非常に低いことが分かる。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［技術分野］
本発明は、固体酸化物セル（ＳＯＣ）、特に固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）又は固体酸化物電解槽セル（ＳＯＥＣ）における電極材料としての使用に適した複合材料に関する。ＳＯＦＣ又はＳＯＥＣは固体酸化物電解質及び２つの電極からできており、当該電極のうち少なくとも１つは前記複合材料を含む。
【０００２】
［背景技術］
固体酸化物セルとして、一般には、種々の用途のために設計されたセル、例えば、固体酸化物燃料電池又は固体酸化物電解槽セルが挙げられる。これらのタイプのセルは当該技術分野で公知である。典型的には、固体酸化物セルは２つの電極層に挟まれた電解質層を含む。動作の間、約４００℃〜約１１００℃の温度が用いられる。一方の電極は空気と接触しており、他方の電極は燃料ガスと接触している。
【０００３】
費用の理由から、セルの支持構造にはステンレス鋼などの安価な材料を使用することが望まれる。しかし、そのような材料は、８００℃未満でのみ長時間安定である。そのような温度では、ＬＳＭ（ストロンチウム置換ランタンマンガナイト）から形成される最も一般的なカソードが十分な活性を有さないため、他の材料が必要とされている。Ｗ．Ｇ．Ｗａｎｇ、Ｒ．Ｂａｒｆｏｄ、Ｐ．Ｈ．Ｌａｒｓｅｎ、Ｋ．Ｋａｍｍｅｒ、Ｊ．Ｊ．Ｂｅｎｔｚｅｎ、Ｐ．Ｖ．Ｈｅｎｄｒｉｋｓｅｎ、Ｍ．Ｍｏｇｅｎｓｅｎ、２００３年４月２７日〜５月２日、パリでの固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ−ＶＩＩＩ）についての第８回国際シンポジウムの声明、Ｓ．Ｃ．Ｓｉｎｇｈａｌ、Ｍ．Ｄｏｋｉｙａ（編）、ｐ．４００−４０８（Ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ、Ｐｅｎｎｉｎｇｔｏｎ、ＮＪ）（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｖｏｌｕｍｅ ＰＶ ２００３−０７）を参照のこと。
【０００４】
ＬＳＭより高い活性を有する他の電極材料が知られている。そのようなカソードの例は、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δとセリウムガドリニウム酸化物（ＣＧＯ）の複合体である。そのようなカソードの面積比抵抗（ＡＳＲ）は、６００℃で約０．３Ωｃｍ２である。Ｅ．Ｐ．Ｍｕｒｒａｙ、Ｍ．Ｊ．Ｓｅｖｅｒ、Ｓ．Ａ．Ｂａｒｎｅｔｔ、Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｉｏｎｉｃｓ、１４８ ２７（２００２）を参照のこと。Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δの円錐形電極について測定すると、ＡＳＲは、６００℃で約１００Ωｃｍ２である。Ｋ．Ｋａｍｍｅｒ、Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｉｏｎｉｃｓ、１７７ １０４７（２００６）を参照のこと。
【０００５】
Ｇｄ０．８Ｓｒ０．２Ｃｏ１−ｙＦｅｙＯ３−δ（０≦ｙ≦１．０）系の組成物では、安定な二相ペロブスカイト系を示すこともあり得る−前記材料は、固体酸化物燃料電池用に提案されている。Ｃ．Ｒ．Ｄｙｃｋ、Ｒ．Ｃ．Ｐｅｔｅｒｓｏｎ、Ｚ．Ｂ．Ｙｕ、Ｖ．Ｄ．Ｋｒｓｔｉｃ、Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｉｏｎｉｃｓ、１７６ １０３−１０８（２００５）を参照のこと。
【０００６】
Ｙｕａｎ Ｊｉ、Ｊｉａｎｇ Ｌｉｕ、Ｔｉａｎｍｉｎ Ｈｅ、Ｌｉｇｏｎｇ Ｃｏｎｇ、Ｊｉｎｘｉａ Ｗａｎｇ、Ｗｅｎｈｕｉ Ｓｕ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｌｌｏｙｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ、３５３ ２５７−２６２（２００３）は、単一の中温用ＳＯＦＣに関する。燃焼合成法であるグリセリン−硝酸塩プロセスを用いて、単一ＳＯＦＣで用いられる全てのナノサイズの材料を調製した。
【０００７】
ＣＧＯ電解質において６００℃で０．１９Ωｃｍ２及び７００℃で０．０２６Ωｃｍ２のＲｐが得られる高性能のＬＳＣＦ／ＣＧＯ複合体カソードが製造されてきた。Ｗｅｉ Ｇｕｏ Ｗａｎｇ、Ｍｏｇｅｎｓ Ｍｏｇｅｎｓｅｎ、Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｉｏｎｉｃｓ、１７６ ４５７−４６２（２００５）を参照のこと。
【０００８】
Ｇ．Ｃｈ．Ｋｏｓｔｏｇｌｏｕｄｉｓ、Ｇ．Ｔｓｉｎｉａｒａｋｉｓ、Ｃｈ．Ｆｔｉｋｏｓ、Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｉｏｎｉｃｓ、１３５ ５２９−５３５（２０００）は、ペロブスカイト酸化物であるＳＯＦＣカソードとイットリア安定化ジルコニアとの化学反応性に関する。
【０００９】
従来技術によって得ることができる複合体Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ／ＣＧＯのＡＳＲ値は常套のＬＳＭカソードの値の１／３未満であるが、６００℃でのＡＳＲは多くの用途にとって依然として高すぎるため、より低いＡＳＲ値を有する新規の電極を開発することが強く望まれる。
【００１０】
［発明の概要］
本発明は、ＳＯＣにおける電極材料として適した複合材料に関する。複合材料は、少なくとも２つの非混和性の混合イオン電子伝導体（ＭＩＥＣ）からなる。
【００１１】
本発明は、さらに、固体酸化物セルにおける電極材料としての使用に適した複合材料であって、（Ｇｄ１−ｘＳｒｘ）１−ｓＦｅ１−ｙＣｏｙＯ３−δ又は（Ｌｎ１−ｘＳｒｘ）１−ｓＦｅ１−ｙＣｏｙＯ３−δ（ｓは０．０５以上）［式中、Ｌｎはランタニド元素、Ｓｃ又はＹである］に基づいており、非混和性である少なくとも２つの相を含み、グリシン硝酸塩燃焼方法によって得ることができる複合材料に関する。
【００１２】
本発明は、第２の態様において、前記複合材料を含む、ＳＯＣでの使用に適した電極に関する。
【００１３】
第３の態様において、本発明は、ＳＯＣにおける電極材料のための前記複合材料の使用に関する。
【００１４】
第４の態様において、本発明は、前記複合材料の電極材料を含むＳＯＣに関する。
【００１５】
好ましい実施形態は、下位請求項及び以下の詳細な説明に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明による二相（Ｇｄ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ系複合電極の微細構造を示す。
【図２】円錐形電極の（Ｇｄ１−ｘＳｒｘ）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ系カソードのＡＳＲ値を６００℃において空気中で測定したｘの関数として示す。
【図３】６００℃において空気中で円錐形電極について測定した二相（Ｇｄ０．６Ｓｒ０．４）１−ｓＦｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δカソードのＡＳＲに対するＡ部位の非化学量論量の効果を示す。
【図４】６００℃において空気中で円錐形電極について測定した二相（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４）１−ｓＦｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δカソードのＡＳＲに対するＡ部位の非化学量論量の効果を示す。０．０５以上のｓを有する化合物は、少なくとも二相の化合物である。
【図５】６００℃において空気中で測定した（Ｇｄ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ／ＣＧＯ複合カソードの電気化学インピーダンススペクトルの例を示す。ＡＳＲは非常に低いことが分かる。
【図６】粒子状ペロブスカイト相（Ｐ）及び粒子状電解質相（Ｉ）を含む構造を模式的に示す。三相境界を追加の線によって示す。
【図７】２つの相の混合イオン電子伝導体（Ｐ１及びＰ２）を含む粒子状ペロブスカイトを含む本発明による構造を模式的に示す。三相境界を追加の線によって示す。
【００１７】
［発明の詳細な説明］
本発明は、固体酸化物セルにおける電極材料としての使用に適した複合材料であって、少なくとも２つの非混和性の混合イオン電子伝導体（ＭＩＥＣ）からなる複合材料に関する。本発明において、ＭＩＥＣは、ＳＯＦＣ電極動作条件下で１０−３Ｓ／ｃｍ以上の比イオン伝導率及び１０−２Ｓ／ｃｍ以上の比電子伝導率の両方を有する材料を意味する。
【００１８】
本発明の複合材料は、有利にも、約０．１Ωｃｍ２の非常に低い面積比抵抗を有し、約６００℃の低い動作温度でのＳＯＣにおける電極材料としての使用に特に適している。
【００１９】
したがって、本発明の複合材料の性能は従来技術から現在まで知られている材料の性能よりも優れており、また、有利にもＳＯＣの動作温度の低下を可能にするため、結果として長寿命のＳＯＣをもたらす。さらに、温度抵抗の要件が低くなるため、より多数の材料をＳＯＣに用いることができる。
【００２０】
本発明の複合材料は、当業者に周知されているグリシン硝酸塩燃焼方法によって得ることができる。一般に、前記方法において、前駆体溶液を各々の金属硝酸塩及びグリシンから調製し、次いで自己発火点まで加熱する。グリシンは燃焼用燃料及び錯化剤として機能して、燃焼前の個々の成分の不均一な沈殿を防止する。
【００２１】
グリシン硝酸塩燃焼方法についての詳細は、とりわけ、Ｌ．Ａ．Ｃｈｉｃｋ、Ｌ．Ｒ．Ｐｅｄｅｒｓｏｎ、Ｇ．Ｄ．Ｍａｕｐｉｎ、Ｊ．Ｌ．Ｂａｔｅｓ、Ｌ．Ｅ．Ｔｈｏｍａｓ、Ｇ．Ｊ．Ｅｘａｒｈｏｓ、Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、１０ ６（１９９０）；及びＬ．Ｒ．Ｐｅｄｅｒｓｏｎ、Ｇ．Ｄ．Ｍａｕｐｉｎ、Ｗ．Ｊ．Ｗｅｂｅｒ、Ｄ．Ｊ．ＭｃＲｅａｄｙ、Ｒ．Ｗ．Ｓｔｅｐｈｅｎｓ、Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、１０ ４３７（１９９１）に見出すことができる。
【００２２】
有利にも、本発明の複合材料において、少なくとも２つの相のうち第１の相が相対的に大きい粒径を有し、少なくとも２つの相のうち第２の相が相対的に小さい粒径を有することが見出された。第２の相のより小さい粒子は、第１の相の相対的により大きい粒子の表面に位置する。より具体的には、少なくとも２つの相のうち第１の相の粒径は、約０．５〜６０μｍ、好ましくは約１〜５０μｍ、より好ましくは約２〜４０μｍの粒径を有する。少なくとも２つの相のうち第２の相は０．５μｍ未満の粒径を有し、ここで、第２の相の粒子は第１の相の粒子の表面に位置する。
【００２３】
図６及び７に示すように、本発明の複合材料の特有の微細構造は三相境界の面積を増大させて、電極の電気化学性能の向上をもたらす。三相境界は、２つの固体混合イオン電子伝導体が互い及び気相に接する境界として定義される。また、酸素の還元に利用可能な活動面積は、第２の相の小さい粒径により増大する。
【００２４】
本発明をいずれの特定の理論にも限定することなく、本発明のカソードが少なくとも２つの相の混合伝導体を含む材料からなると考えられており、ここで、前記相のいずれも電子及びイオンの両方を伝導することができ、前記相の少なくとも２つは、プロトン又は酸化物イオンなどのイオン及び電子の優れた伝導体であり、また、微細構造が大きな三相接触表面及びより大きな表面積を与える。図６には、粒子状ペロブスカイト相（Ｐ）及び粒子状電解質相（Ｉ）を含む構造が示されており、また活性ペロブスカイト粒子の三相境界領域長さ及び幅も示している。
【００２５】
図７には、２つの相の混合伝導体（Ｐ１及びＰ２）を含む粒子状ペロブスカイトを含む構造が示されており、ここで、前記相のいずれも電子及びイオンの両方を伝導することができ、前記相の少なくとも２つは、プロトン又は酸化物イオンなどのイオン及び電子の優れた伝導体であり、また、活性ペロブスカイト粒子の三相境界領域長さ及び幅が図６に示す実施形態の三相接触表面より明らかに大きいことも示している。
【００２６】
好ましくは、少なくとも２つの非混和性の混合イオン電子伝導体のうち少なくとも２つが組成式（Ｇｄ１−ｘＳｒｘ）１−ｓＦｅ１−ｙＣｏｙＯ３−δを有する材料を含む。式中、ｘは好ましくは約０〜１、より好ましくは約０．１〜０．５、最も好ましくは０２．〜０．３である。Ｙは、好ましくは約０〜１、より好ましくは約０．１〜０．５、最も好ましくは０２．〜０．３である。
【００２７】
また、好ましくは、少なくとも２つの非混和性の混合イオン電子伝導体のうち少なくとも２つが組成式（Ｌｎ１−ｘＳｒｘ）１−ｓＦｅ１−ｙＣｏｙＯ３−δ［式中、Ｌｎはランタニド元素、Ｓｃ又はＹである］を有する材料を含む。式中、ｘは好ましくは約０〜１、より好ましくは約０．１〜０．５、最も好ましくは０２．〜０．３である。Ｙは、好ましくは約０〜１、より好ましくは約０．１〜０．５、最も好ましくは０２．〜０．３である。
【００２８】
本発明はまた、固体酸化物セルにおける電極材料としての使用に適した複合材料であって、（Ｇｄ１−ｘＳｒｘ）１−ｓＦｅ１−ｙＣｏｙＯ３−δ又は（Ｌｎ１−ｘＳｒｘ）１−ｓＦｅ１−ｙＣｏｙＯ３−δ（ｓは０．０５以上）［式中、Ｌｎはランタニド元素、Ｓｃ又はＹである］に基づいており、非混和性である少なくとも２つの相を含み、グリシン硝酸塩燃焼方法によって得ることができる複合材料も提供する。式中、ｘは好ましくは約０〜１、より好ましくは約０．１〜０．５、最も好ましくは０２．〜０．３である。Ｙは、好ましくは約０〜１、より好ましくは約０．１〜０．５、最も好ましくは０２．〜０．３である。
【００２９】
本発明の複合体を得るためにグリシン硝酸塩燃焼方法を使用することにより、上記に概説した特有の構造が得られる。
【００３０】
さらに好ましい実施形態において、複合材料は、（Ｇｄ１−ｘＳｒｘ）１−ｓＦｅ１−ｙＣｏｙＯ３−δ、より好ましくは（Ｇｄ０．６Ｓｒ４．４）１−ｓＦｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δに基づいている。
【００３１】
本発明による複合材料は、さらに好ましくは多孔質材料であってよい。このことは、高性能が望まれる場合に特に有利である。
【００３２】
また、複合材料が、ドープセリウムガドリニウム酸化物などの粒子状固体電解質材料をさらに含むことが好ましい。特に好ましい材料は、Ｃｅ０．９Ｇｄ０．１Ｏ１．９５（ＣＧＯ１０、ローディア（Ｒｈｏｄｉａ））である。
【００３３】
第２の態様において、本発明は、ＳＯＣ用電極として使用するための電極に関し、ここで、当該電極は、上記複合材料を含む。電極に複合材料を用いることにより、ＳＯＣの動作温度を６００℃又はさらに低い動作温度にまで低下させることができる。
【００３４】
また、本発明の特定の複合材料により、電極が、有利にも、各々２つ（又はそれより多く）の単相ペロブスカイトと比較して優れた電気化学性能を有する。したがって、本発明の複合材料の特有の微細構造は、ＳＯＣにおける酸素の還元又は水素の酸化に関して高い電気化学性能を達成するのに必須である。
【００３５】
別の態様において、本発明は、ＳＯＣ、特にＳＯＦＣ用の電極材料としての前記複合材料の使用に関する。
【００３６】
本発明はまた、前記複合材料を含む電極を含むＳＯＣにも関する。有利なことに、本発明の複合材料を電極用材料として用いるとき、動作温度を低下させることができる。結果として、高温による材料の変性を低減することができる。さらに、複合材料は、他の要素のための材料の選択をより自由にし、低コスト材料の使用を容易にし、さらにセルの全体としてのコスト低減に寄与する。
【００３７】
以下、本発明を実施例によって説明するが、本発明がこれらに限定されることを意図していない。
【００３８】
材料及び方法
実施例１
本発明による「（Ｇｄ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ」ペロブスカイトの調製
組成（Ｇｄ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δを有する鉄コバルト系ペロブスカイトの粉末を、Ｌ．Ａ．Ｃｈｉｃｋ、Ｌ．Ｒ．Ｐｅｄｅｒｓｏｎ、Ｇ．Ｄ．Ｍａｕｐｉｎ、Ｊ．Ｌ．Ｂａｔｅｓ、Ｌ．Ｅ．Ｔｈｏｍａｓ、Ｇ．Ｊ．ＥｘａｒｈｏｓによってＭａｔｅｒｉａｌｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、１０ ６（１９９０）に開示されているグリシン硝酸塩燃焼経路を用いて調製した。
【００３９】
出発材料として金属硝酸塩の水溶液を用いた。用いた全ての硝酸塩は、９９％以上の純度を有した。適切な金属硝酸塩溶液を適切な比でビーカーにおいて混合し、次いで当該溶液にグリシンを添加した。次いで溶液が発火するまで溶液をホットプレート上で加熱した。最後に、得られた粉末を１１００℃／１２時間で焼成した。粉末ＸＲＤを実施して、ＣｕＫα放射によるＳｔｏｅ粉末回折計を用いて合成化合物の純度を検証した。
【００４０】
円錐形電極の調製
錐体の製造のために、１０ｍｍの直径を有するシリンダを、適切なダイを用いて単軸方向に押した。シリンダを６０〜６５トンの圧力で平衡に押した。その後シリンダを１２５０℃／１２時間で焼結した後、ダイヤモンド工具を用いることにより機械加工して錐体にした。焼結後のシリンダの密度をアルキメデスの方法によって決定した。シリンダの密度はＸＲＤから測定した値の９０％を超えた。
【００４１】
電気化学測定用の錐体を、ダイヤモンド工具でシリンダを機械加工することによって作製した。
【００４２】
電解質として、Ｃｅ０．９Ｇｄ０．１Ｏ１．９５（ＣＧＯ１０、ローディア）のペレットを用いた。ＣＧＯ１０ペレットを以下のように製造した：ＣＧＯ１０粉末をボールミルにおいてエタノールを用いてステアリン酸及びグリセリンと共に一晩混合した。混合物を乾燥させた後にダイで押した。ペレットを１５００℃／２時間で焼結させた。
【００４３】
対／参照電極として銀電極を用いた。電気化学測定には、ソーラートロン（Ｓｏｌａｒｔｒｏｎ）１２６０ゲインフェーズアナライザを用いた。
【００４４】
電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）により１ＭＨｚ〜０．０５Ｈｚの周波数範囲で１０進ごとに５点を測定して記録した。測定を、最も高い温度から始めて８００、７００及び６００℃で実施した。データの記録の前に、サンプルを所定の温度で２４時間平衡化した。ＥＩＳにより得られたデータをＰＣ−ＤＯＳプログラムｅｑｕｉｖｃｒｔ（Ｂ．Ａ．Ｂｏｕｋａｍｐ、「ｅｑｕｉｖｃｒｔ」、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｗｅｎｔｅ（１９９６））において処理した。高周波での切片から、接触面積をニューマン（Ｎｅｗｍａｎ）式（Ｊ．Ｎｅｗｍａｎ、Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．、１１３ ５０１（１９６６））：
【数１】
（式中、Ｒｓは高周波での実軸との切片であり、σ＊は、電解質の比伝導率である）を用いて決定した。円錐形電極の微細構造を、ＪＥＯＬ ＪＳＭ−８４０走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて調べた。
【００４５】
組成物の粉末Ｘ線回折（ＸＲＤ）を行い、（Ｇｄ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ化合物が少なくとも二相系であり、一方が斜方晶相、一方が立方ペロブスカイト相であることを示した。
【００４６】
この複合カソードの電気化学性能は、単相材料（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δの約１００Ωｃｍ２と比較して非常に高い、すなわち円錐形電極について空気中６００℃で測定して約０．８９Ωｃｍ２であることが見出された。
【００４７】
組成（Ｇｄ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δを有する錐体のＳＥＭ写真を図１に示す。得られた錐体は特有の微細構造を有しており、一方の相は相対的に大きい粒径を有し、他方の相は相対的に小さい粒径を有し、第２の相のより小さい粒子は、第１の相の相対的により大きい粒子の表面に位置する。２つの相はよく分離していることが分かる。
【００４８】
エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）を用いて２つの相の組成を決定した。２つの相の組成は、それぞれ以下の通りであった：Ｇｄ０．４９Ｓｒ０．５１Ｆｅ０．７９Ｃｏ０．２４Ｏ３−δ及びＧｄ０．７６Ｓｒ０．２４Ｆｅ０．７５Ｃｏ０．２２Ｏ３−δ。
【００４９】
２つの個々の相の電気化学性能を評価するために、純相を合成した。得られた２つの相は粉末ＸＲＤによって検証されるように単相材料であった。これら２つの相を合成した後、２つの相の電気化学性能を、ＡＳＲの決定により円錐形電極技術を用いて評価した。これら２つの相及び個々の組成を有する錐体の電気化学性能は、以下の表１に記載のＡＳＲ値から明らかであるように、複合カソードの性能よりもかなり低かった。
【００５０】
結果は、複合ペロブスカイトを作製するときに形成される特有の微細構造がこのタイプのＳＯＦＣカソードの優れた電気化学性能に必須であることを示す。
【００５１】
【表１】
【００５２】
得られたカソードが少なくとも２つのペロブスカイト相からなること及び複合カソードが２つの個々の相よりもかなり優れた特性を有することを検証することができ、二相系の特有の微細構造が、ＳＯＦＣにおける酸素の還元のための高い電気化学性能を得るのに必須であることを示している。
【００５３】
実施例２
本発明による鉄コバルト系ペロブスカイトの調製
実施例１のグリシン硝酸塩燃焼経路を用いて、以下の組成を有するさらなるペロブスカイト粉末を調製及び試験した。
粉末２：（Ｇｄ１−ｘＳｒｘ）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ（式中、ｘ＝０．２、０．３、０．４、０．５）
【００５４】
全てのサンプルの相純度を、粉末ＸＲＤを用いて検証した。
（Ｇｄ１−ｘＳｒｘ）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ系が二相系（２つのペロブスカイト相）であることが見出された。
【００５５】
実施例１で説明したように、測定を円錐形電極について実施した。結果は図２で見ることができる。図２は、円錐形電極の（Ｇｄ１−ｘＳｒｘ）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ系カソードのＡＳＲ値を６００℃において空気中で測定したｘの関数として示す。ＡＳＲ値は、全ての化合物について相対的に低い。
【００５６】
実施例３
本発明による鉄コバルト系ペロブスカイトの調製
実施例１のグリシン硝酸塩燃焼経路を用いて、以下の組成を有するさらなるペロブスカイト粉末を調製及び試験した。
粉末３：（Ｇｄ０．６Ｓｒ０．４）１−ｓＦｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ（式中、ｓ＝０．０１、０．０５、０．１、０．１５、０．２０）
【００５７】
全てのサンプルの相純度を、粉末ＸＲＤを用いて検証した。
（Ｇｄ０．６Ｓｒ０．４）１−ｓＦｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ系が二相系（２つのペロブスカイト相）であることが見出された。
【００５８】
実施例１で説明したように、測定を円錐形電極について実施した。結果は図３で見ることができる。全ての組成物が、単相化合物（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δのＡＳＲをはるかに下回って低いＡＳＲを有することが観測される。しかしながら、強いＡ部位の不完全なペロブスカイトは、ｓ＝０．０１を有するペロブスカイトより高いＡＳＲを有した。
【００５９】
図３は、６００℃において空気中で円錐形電極について測定した二相（Ｇｄ０．６Ｓｒ０．４）１−ｓＦｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δカソードのＡＳＲに対するＡ部位の非化学量論量の効果を示す。ＡＳＲは当該材料のＡ部位の非化学量論量に非常に敏感であり、ＡＳＲはｓ＝０．０１を有する化合物について最も低い。しかしながら、全ての化合物のＡＳＲ値は、単相化合物（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δのＡＳＲ値より低い。
【００６０】
実施例４
本発明による鉄コバルト系ペロブスカイトの調製
実施例１のグリシン硝酸塩燃焼経路を用いて、以下の組成を有するさらなるペロブスカイト粉末を調製及び試験した。
粉末４：（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４）１−ｓＦｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ（式中、ｓ＝０．０１、０．０５、０．１０、０．１５、０．２０）
【００６１】
全てのサンプルの相純度を、粉末ＸＲＤを用いて検証した。
（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４）１−ｓＦｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ系が、ｓが０．０５以上の二相系（２つのペロブスカイト相）であることが見出された。
【００６２】
実施例１で説明したように、測定を円錐形電極について実施した。結果は図４で見ることができる。全ての組成が、単相化合物（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δのＡＳＲをはるかに下回って低いＡＳＲを有することが観測される。しかしながら、強いＡ部位の不完全なペロブスカイトは、ｓ＝０．０５を有するペロブスカイトより高いＡＳＲを有した。
【００６３】
図４は、６００℃において空気中で円錐形電極について測定した二相（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４）１−ｓＦｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δカソードのＡＳＲに対するＡ部位の非化学量論量の効果を示す。ｓが０．０５以上である化合物は、少なくとも二相の化合物である。これらの化合物は、単相化合物（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δのＡＳＲ値より低いＡＳＲ値を有することが分かる。
【００６４】
実施例５
本発明による鉄コバルト系ペロブスカイトの調製
実施例１のグリシン硝酸塩燃焼経路を用いて、以下の組成を有するさらなるペロブスカイト粉末を調製及び試験した。
粉末５：（Ｇｄ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ
【００６５】
全てのサンプルの相純度を、粉末ＸＲＤを用いて検証した。
（Ｇｄ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ系が二相系（２つのペロブスカイト相）であることが見出された。
【００６６】
（Ｇｄ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δとＣＧＯ１０との混合物を含む対称セルを以下のように調製した。前記ペロブスカイト及びＣＧＯ１０の粉末をボールミルにおいて溶媒及び有機化合物と混合した。得られたスラリーをＣＧＯ１０テープの両側に噴霧し、加熱炉で焼結させた。
【００６７】
得られたサンプルの測定を以下のように実施した。Ｐｔペーストを集まった電流としてセルの両側に添加した。次いでセルを、Ｐｔメッシュを有する装置（ｓｅｔｕｐ）に置き、ばねで荷重をかけた。次いで実施例１に説明したように測定を開始した。
【００６８】
図５に、（Ｇｄ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ／ＣＧＯ１０複合カソードにおいて６００℃で記録したインピーダンススペクトルを示す。ＡＳＲは約０．１６Ωｃｍ２であり、さらにより低い値が他の組成の（Ｇｄ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ／ＣＧＯ１０複合カソードについて見られた。これは、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ／ＣＧＯ１０カソードのＡＳＲより低い。
【００６９】
図５は、６００℃において空気中で測定した（Ｇｄ０．６Ｓｒ０．４）０．９９Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３−δ／ＣＧＯ複合カソードの電気化学インピーダンススペクトルの例を示す。ＡＳＲが非常に低いことが分かる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物セルにおける電極材料としての使用に適した複合材料であって、少なくとも２つの非混和性の混合イオン電子伝導体からなる複合材料。
【請求項２】
少なくとも２つの非混和性の混合イオン電子伝導体のうち少なくとも２つが、組成式（Ｇｄ１−ｘＳｒｘ）１−ｓＦｅ１−ｙＣｏｙＯ３−δ（ｓは０．０５以上）を有する材料を含む、請求項１に記載の複合材料。
【請求項３】
少なくとも２つの非混和性の混合イオン電子伝導体のうち少なくとも２つが、組成式（Ｌｎ１−ｘＳｒｘ）１−ｓＦｅ１−ｙＣｏｙＯ３−δ（ｓは０．０５以上）［式中、Ｌｎはランタニド元素、Ｓｃ又はＹである］を有する材料を含む、請求項１に記載の複合材料。
【請求項４】
固体酸化物セルにおける電極材料としての使用に適した複合材料であって、（Ｇｄ１−ｘＳｒｘ）１−ｓＦｅ１−ｙＣｏｙＯ３−δ又は（Ｌｎ１−ｘＳｒｘ）１−ｓＦｅ１−ｙＣｏｙＯ３−δ（ｓは０．０５以上）［式中、Ｌｎはランタニド元素、Ｓｃ又はＹである］に基づいており、非混和性である少なくとも２つの相を含み、グリシン硝酸塩燃焼方法によって得ることができる複合材料。
【請求項５】
少なくとも２つの相のうち第１の相が０．５〜６０μｍの粒径を有し、少なくとも２つの相のうち第２の相が０．５μｍ未満の粒径を有し、ここで、第２の相の粒子が第１の相の粒子の表面に位置する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の複合材料。
【請求項６】
粒子状固体電解質材料をさらに含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の複合材料。
【請求項７】
電解質材料が、ドープセリウムガドリニウム酸化物である、請求項６に記載の複合材料。
【請求項８】
多孔質である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の複合材料。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の複合材料を含む、固体酸化物セル用電極。
【請求項１０】
固体酸化物セル用電極材料としての請求項１〜８のいずれか一項に記載の複合材料の使用。
【請求項１１】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の複合材料を含む電極を含む固体酸化物燃料電池。
【請求項１】
固体酸化物セルにおける電極材料としての使用に適した複合材料であって、少なくとも２つの非混和性の混合イオン電子伝導体からなる複合材料。
【請求項２】
少なくとも２つの非混和性の混合イオン電子伝導体のうち少なくとも２つが、組成式（Ｇｄ１−ｘＳｒｘ）１−ｓＦｅ１−ｙＣｏｙＯ３−δ（ｓは０．０５以上）を有する材料を含む、請求項１に記載の複合材料。
【請求項３】
少なくとも２つの非混和性の混合イオン電子伝導体のうち少なくとも２つが、組成式（Ｌｎ１−ｘＳｒｘ）１−ｓＦｅ１−ｙＣｏｙＯ３−δ（ｓは０．０５以上）［式中、Ｌｎはランタニド元素、Ｓｃ又はＹである］を有する材料を含む、請求項１に記載の複合材料。
【請求項４】
固体酸化物セルにおける電極材料としての使用に適した複合材料であって、（Ｇｄ１−ｘＳｒｘ）１−ｓＦｅ１−ｙＣｏｙＯ３−δ又は（Ｌｎ１−ｘＳｒｘ）１−ｓＦｅ１−ｙＣｏｙＯ３−δ（ｓは０．０５以上）［式中、Ｌｎはランタニド元素、Ｓｃ又はＹである］に基づいており、非混和性である少なくとも２つの相を含み、グリシン硝酸塩燃焼方法によって得ることができる複合材料。
【請求項５】
少なくとも２つの相のうち第１の相が０．５〜６０μｍの粒径を有し、少なくとも２つの相のうち第２の相が０．５μｍ未満の粒径を有し、ここで、第２の相の粒子が第１の相の粒子の表面に位置する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の複合材料。
【請求項６】
粒子状固体電解質材料をさらに含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の複合材料。
【請求項７】
電解質材料が、ドープセリウムガドリニウム酸化物である、請求項６に記載の複合材料。
【請求項８】
多孔質である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の複合材料。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の複合材料を含む、固体酸化物セル用電極。
【請求項１０】
固体酸化物セル用電極材料としての請求項１〜８のいずれか一項に記載の複合材料の使用。
【請求項１１】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の複合材料を含む電極を含む固体酸化物燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公表番号】特表２０１０−５１７２４６（Ｐ２０１０−５１７２４６Ａ）
【公表日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５４７５８３（Ｐ２００９−５４７５８３）
【出願日】平成２０年１月２５日（２００８．１．２５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００８／０００５９８
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０９２６０８
【国際公開日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【出願人】（５０７０１８８３８）テクニカル ユニヴァーシティー オブ デンマーク (11)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月２５日（２００８．１．２５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００８／０００５９８
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０９２６０８
【国際公開日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【出願人】（５０７０１８８３８）テクニカル ユニヴァーシティー オブ デンマーク (11)
【Ｆターム（参考）】
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