成果報告書詳細
管理番号20170000000035
タイトル平成27年成果報告書 希少金属代替省エネ材料開発プロジェクト 新規希少金属プロジェクトのための事前検討(平成27年度) 高効率電解での物質変換向け電気化学セルに用いる新規機能性セリア系材料合成及び組織化プロセス・デバイス化技術の検討
公開日2017/2/24
報告書年度2015 - 2015
委託先名阿南化成株式会社 国立研究開発法人産業技術総合研究所 一般財団法人電力中央研究所
プロジェクト番号P08023
部署名材料・ナノテクノロジー部
和文要約 本開発では固体酸化物形燃料電池(SOFC)および電解セル(SOEC)においてGd等の重希土の使用量を低減し、Ce,Y,La等の軽希土の用途拡大に向けた検討を行った。

 Ce0.9Gd0.1O1.95のGdをYやLaで置換したCe0.9Y0.1O1.95やCe0.9La0.1O1.95において、50 m2/gを超える比表面積を有する粉末合成に成功した。また、阿南化成独自の製法(特許4162599)をCe0.9Y0.1O1.95にも適用し、電気デバイスに適用した際にもCe0.9Gd0.1O1.95と同様の緻密膜が得られることを確認した。

 Ce1-xRExO2-δ(RE = Gd ,Y, La)の結晶構造は、x ≦ 0.1で蛍石構造、x ≧ 0.2でパイロクロア構造であることがX線回折およびRaman分光により示唆された。酸化物イオン導電率は、いずれの添加元素においてもx = 0.1で最大になった。また、Ce0.9Y0.1O1.95やCe0.9La0.1O1.95の導電率はCe0.9Gd0.1O1.95の7割であったが、コドープしたCe0.9Gd0.075Y0.025O1.95はほぼ同じであった。これは、Ce0.9RE0.1O1.95電解質の性能を維持しながら、Gdの使用量を従来のCe0.9Gd0.1O1.95より25 %削減できることを意味する。

 Ce0.9Gd0.1O1.95やCe0.9Y0.1O1.95をSOFCやSOECの電解質として用いたところ、電子伝導性によって起電力が理論値より100 mV程度低下し、発電効率や水素製造能が低下することを確認した。電解質/燃料極間の内部短絡抑制層として、BaCe0.8Y0.2O3-δをPt上で焼成することによって、開回路起電力が50―60 mV上がり、セリア系電解質がSOFCやSOECに適用可能であることを実証した。
英文要約 In the present work, a widespread use of light rare earth elements such as Ce, Y, La, and a reduced use of heavy elements such as Gd were investigated for solid oxide fuel cells (SOFCs) and electrolysis cells (SOECs).

The synthesis of powder with a large specific surface area more than 50 m2/g was succeeded for Ce0.9Y0.1O1.95 and Ce0.9La0.1O1.95 by substitution of Gd in Ce0.9Gd0.1O1.95 with Y and La. A dense Ce0.9Y0.1O1.95 electrolyte thin-film can be obtained using the powder synthesized by Anan’s unique technique (JP Patent 4162599).

The crystal structure of Ce1-xRExO2-δ (RE = Gd ,Y, La) was confirmed to be fluorite-type at x ≦ 0.1, and pyrochlore-type at x ≧ 0.2 by X-ray diffraction and Raman spectroscopy. The oxide ionic conductivity was the maximum at x = 0.1 for Ce1-xRExO2-δ. Although the conductivities of Ce0.9Y0.1O1.95 and Ce0.9La0.1O1.95 were 30 % lower than that of Ce0.9Gd0.1O1.95, the conductivity of Ce0.9Gd0.075Y0.025O1.95 was almost the same. It means that 25 % of Gd can be substituted with Y without a decrease in performance for the cells with Ce0.9RE0.1O1.95 electrolyte.

The power generation efficiency of SOFC and the hydrogen production ability of SOEC decreased for the cells with Ce0.9Gd0.1O1.95 and Ce0.9Y0.1O1.95 electrolytes, because open circuit voltage (OCV) decreased by 100 mV from the theoretical value due to current leakage. The OCV was confirmed to raise 50-60 mV by the insertion of current blocking layer of BaCe0.8Y0.2O3-δ, which was sintered on Pt, between the ceria-based electrolyte and Ni-based fuel electrode for SOFC and SOEC.
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