報告書番号

W00042

タイトル（和文）

ランタンクロマイト系SOFCセパレータの組成適正化研究(3) -－熱膨張課題を解決したSOFCセパレータの緻密焼結法の開発－-

タイトル（英文）

Application Techniques of Lanthanum Strontium Chromites for A High-Temperature SOFC Separator

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

当研究所が開発した新ランタンクロマイト粉体をPechini法を用いて合成する技術を確立した。また、それら粉体の焼結機構を解明した。Pechini法によりランタンクロマイトは800℃、1時間の焼成条件で単一相が合成でき、平均粒子径約0.24μm、比表面積3.5m2/gの微粒子であることが判った。2モル％Coを置換することによりクロムの蒸発を抑制することができ、蒸発－凝縮機構から体積拡散機構に焼結機構が変化するため、緻密化を促進させることができると考えられる。Coを含んだランタンクロマイトに関しては、試料表面のCo成分の蒸発するので、Bサイト不足ランタンクロマイトの組成になり、焼結が促進される。試料内部に関しては、表面が先に緻密に焼結するので閉気孔が残り、焼結が進行しない。このため、焼結体に著しい変形も観察される。これらを防ぐため、不定比組成を導入した。緻密に焼結したLa0.9Sr0.1Cr0.95Al0.02Co0.02O3は試料の変形もない。また定比組成La0.9Sr0.1Cr0.96Al0.02Co0.02O3の熱膨張挙動よりもイットリア安定化ジルコニア電解質の挙動に近いことが判った。また、当研究所は分子設計技術を用いてLa0.8Sr0.2Cr0.9Ti0.1Oを設計・開発し、これらの熱膨張課題を全て解決した。しかしながら、ランタンクロマイト特有の難焼結性が大きな課題として残っていた。本La0.8Sr0.2Cr0.9Ti0.1O3においてはバナジウムを焼結元素として僅か1 mol%をランタンクロマイト中のクロムと置き換えることによって、焼結性が大きく向上することが判った。また、V置換は還元膨張も抑制することを見出した。

概要 （英文）

Because of high chemical stability in the both oxidizing and reducing environments at an operating temperature of approximately 1000C, AE-doped lanthanum chromite perovskites with stoichiometric compositions are considered the most promising materials for use as separators in the SOFC. From the viewpoint of thermal expansion mismatch and air sinterability characteristics, La0.9Sr0.1Cr0.96Al0.02Co0.02O3 perovskite has been designed as a separator in high-temperature type solid oxide fuel cells (SOFC) with Y2O3 stabilized ZrO2 electrolyte (YSZ). The average linear thermal expansion coefficient of this material is nearly equal to that of YSZ electrolyte under the SOFC operating conditions, and it showed no anomalous thermal expansion behavior, due to a phase transformation from orthorhombic to rhombohedral. The fine La0.9Sr0.1Cr0.96Al0.02Co0.02O3 powder with average particle size 0.24 m was synthesized using a Pechini method, and attained a relative density of 86 % after heating at 1600 C for 20 h in air. The particles on the surface were densely packed without pores, although large radiated pores inside the sample remained. As reported previously, the sintering characteristics have a tendency to increase with increasing chromium-deficiency in the perovskites. A relative density of 94 % was attained for La0.9Sr0.1Cr0.95Al0.02Co0.02O3 after heating at 1600C for 20 h. The La0.9Sr0.1Cr0.95Al0.02Co0.02O3 sample showed a linear thermal expansion behavior and its TEC value was in good agreement with that observed for YSZ electrolyte. CRIEPI has selected Sr-dopant on the A-site to increase the TEC and Ti-dopant on the B-site to prevent the reducing expansion. La0.8Sr0.2Cr0.9Ti0.1O3 perovskite designed is the best material as the SOFC separator. Air-sintering characteristics is a key requirement for a successful material as the separator, La0.8Sr0.2Cr0.9Ti0.1O3 perovskite shows quite poor air-sintering characteristics. Transition metal ions in LaCrO3-based perovskites often provide high air-sintering characteristics. It is found that a small amount of vanadium ions in the perovskite improves the air-sintering, and the dense La0.8Sr0.2Cr0.88Ti0.1V0.02O3 sample is obtained after heating at 1600C for 10 h. This result suggests that La0.8Sr0.2Cr0.88Ti0.1V0.02O3 is one of appropriate SOFC separators.

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