JP2006054170A - Proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane electrolyte, and electrochemical device using the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To use a membrane even under an environment of mixed gas atmosphere containing CO<SB>2</SB>by overcoming fragility of AECeO<SB>3</SB>to CO<SB>2</SB>while maintaining proton conductivity of the AECeO<SB>3</SB>. <P>SOLUTION: This is composed of a composite membrane of a proton conductive oxide membrane 1 which has perovskite type oxide (ABO<SB>3</SB>) as the basic structure wherein barium (Ba) or strontium (Sr) is arranged at A site and rare-earth element cerium (Ce) at B site, and through which a proton (H+) is enabled to pass, and from which only hydrogen is separable in a gas 3 containing CO<SB>2</SB>, and a hydrogen permeable membrane 2 through which the proton (H+) is enabled to pass, and from which only hydrogen is separable in the gas 3 containing CO<SB>2</SB>. In a state that compound interfaces of these both membranes are continuously joined together, the hydrogen permeable membrane 2 is formed on the surface of at least the gas side of the proton conductive oxide membrane 1, and the composite membranes 1, 2 are furthermore supported by a porous support S. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、プロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質およびこれを用いた電気化学デバイスに関する。さらに詳述すると、本発明は、CO2を含むガス中におけるプロトン導電性酸化物電解質の脆弱性の回避法に関する。 The present invention relates to a proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane electrolyte and an electrochemical device using the same. More specifically, the present invention relates to a method for avoiding fragility of a proton conductive oxide electrolyte in a gas containing CO 2 .

本件出願人たる電力中央研究所においては、これまで、既存の4つの燃料電池(PAFC(リン酸型燃料電池)、MCFC(溶融炭酸塩型燃料電池)、SOFC(固体電解質型燃料電池)、PEFC(固体高分子型燃料電池))の性能を同一の評価手法で分析することにより燃料電池の出力電圧と運転温度との一般化された関係を明らかにする、という研究が続けられている。また、かかる燃料電池の研究により、プロトン(H+)移動型の電解質(つまり当該電解質中をプロトンが移動可能なもの)を用いて250〜500℃程度の中温域で作動する燃料電池を開発できれば、既存の燃料電池よりも性能面、材料面で優位な燃料電池になる可能性があることが示されている(特許文献1参照)。ここでいうプロトン移動型の電解質としては、溶融塩や水溶液系の電解質に可能性がある。しかし、これら電解質は、250℃〜500℃程度の中温域では化学的に不安定であったり、あるいは内在する他のイオンも電極反応に関わったりすることがあるため、燃料電池に適用できなかった。 In the Central Research Institute of Electric Power Company, the applicant of the present invention, four existing fuel cells (PAFC (phosphoric acid fuel cell), MCFC (molten carbonate fuel cell), SOFC (solid oxide fuel cell)) and PEFC have been developed so far. (Solid polymer fuel cells)) is being analyzed by the same evaluation method, and research on clarifying the generalized relationship between the output voltage and the operating temperature of the fuel cell continues. In addition, if a fuel cell that operates in the middle temperature range of about 250 to 500 ° C using a proton (H + ) transfer type electrolyte (that is, a proton that can move in the electrolyte) can be developed by researching such a fuel cell It has been shown that there is a possibility that the fuel cell is superior in terms of performance and material as compared with existing fuel cells (see Patent Document 1). The proton transfer electrolyte here may be a molten salt or an aqueous electrolyte. However, these electrolytes cannot be applied to fuel cells because they are chemically unstable in the middle temperature range of about 250 ° C to 500 ° C, or other ions may be involved in the electrode reaction. .

一方、プロトン移動型電解質のその他の具体例として、例えば「高温型プロトン導電体を用いた炭化水素改質ガス類から水素を分離する方法」が記載された特許文献2においてはプロトン導電性酸化物(プロトン導電性酸化物固体電解質)が開示されている(特許文献2参照)。このプロトン導電性酸化物は、当該酸化物がプロトン導電性機能を有していることから、ガス(例えば天然ガス改質ガス)中の水素を電気化学的に分離する技術、さらには種々の電気化学デバイスに関する技術に応用することが考えられあるいは期待されているものである(特許文献2参照)。   On the other hand, as another specific example of the proton transfer electrolyte, for example, Patent Document 2 in which “a method for separating hydrogen from hydrocarbon reformed gas using a high-temperature proton conductor” is described in Proton Conductive Oxide (Proton conductive oxide solid electrolyte) is disclosed (see Patent Document 2). Since this oxide has a proton conductive function, this proton conductive oxide has a technology for electrochemically separating hydrogen in a gas (for example, natural gas reformed gas), and various electric It is considered or expected to be applied to technology related to chemical devices (see Patent Document 2).

上述のプロトン導電性酸化物固体電解質の一例として、SrCeO3に代表されるペロブスカイト構造を持つ酸化物AECeO3(ただしAEはBa または Sr )が存在する。AECeO3は、図35に示すように水素気流中、中高温域において良好なプロトン導電性を示し、尚かつ高い導電率を示すことが知られている。このため、これら酸化物を、水素のみを用いた電気化学デバイス(例えば燃料電池、水素センサー、水素ポンプ)の電解質に適用した場合には、高い性能が発揮されるものと考えられる。 As an example of the above proton conductive oxide solid electrolyte, there is an oxide AECeO 3 (where AE is Ba or Sr) having a perovskite structure typified by SrCeO 3 . As shown in FIG. 35, AECeO 3 is known to exhibit good proton conductivity in a medium and high temperature region in a hydrogen stream and still exhibit high conductivity. For this reason, when these oxides are applied to an electrolyte of an electrochemical device (for example, a fuel cell, a hydrogen sensor, or a hydrogen pump) using only hydrogen, it is considered that high performance is exhibited.

例えば図36に示すプロトン導電性のSrCeO3膜101は、図中の改質ガス102のような水素や二酸化炭素などが混成したガスの流路に設けられて水素透過膜として機能する。この場合、1次側(この場合であれば改質ガス102側)の電極104と2次側(この場合であれば分離後の水素103側)の電極105との間の外部電圧106によって印加される電圧がプロトンH+の推進力(ドライビングフォース)となる。このようなプロトン導電性のSrCeO3膜(水素透過膜)101を用いた場合には、1次側圧力を固定しながら様々な2次側水素圧力を設定して供給することが可能になるという長所がある。また、常圧の改質ガス102を使用しながら加圧することが可能であるため、貯蔵水素用の昇圧装置やそのための設置スペースなどが不要だという長所もある。 For example, the proton-conducting SrCeO 3 film 101 shown in FIG. 36 is provided in a gas flow path mixed with hydrogen, carbon dioxide, or the like, such as the reformed gas 102 in the figure, and functions as a hydrogen permeable film. In this case, an external voltage 106 is applied between the electrode 104 on the primary side (in this case, the reformed gas 102 side) and the electrode 105 on the secondary side (in this case, the hydrogen 103 side after separation). The applied voltage becomes the driving force (driving force) of proton H + . When such a proton conductive SrCeO 3 membrane (hydrogen permeable membrane) 101 is used, it is possible to set and supply various secondary hydrogen pressures while fixing the primary pressure. There are advantages. In addition, since it is possible to pressurize while using the reformed gas 102 at normal pressure, there is an advantage that a boosting device for storing hydrogen and an installation space therefor are unnecessary.

特開2004−119077号公報JP 2004-119077 A 特開2003−2610号公報JP 2003-2610 A

しかしながら、通常、水素分離の対象となるガス(上述の例でいえば改質ガス102)は、CO2など他のガスも含まれている混合ガスである場合がほとんどであり、このことから、上述したSrCeO3膜101のようなペロブスカイト構造を持つ酸化物(AECeO3)を電気化学デバイスの電解質に適用すると特有の問題が生じてしまう。 However, usually, the gas to be subjected to hydrogen separation (the reformed gas 102 in the above example) is almost always a mixed gas containing other gases such as CO 2 . When an oxide (AECeO 3 ) having a perovskite structure such as the SrCeO 3 film 101 described above is applied to an electrolyte of an electrochemical device, a specific problem occurs.

すなわち、酸化物AECeO3には、CO2を含む雰囲気に曝されると、
AECeO3+CO2→AECO3+CeO2
というようにCO2と反応を起こし、容易に分解してしまうという性質がある。このため、例えば特許文献1に見られるように、CO2を含んだガスが流れる電気化学デバイス(例えば水素ポンプなど)の電解質にこの酸化物AECeO3を適用した場合、当初の段階では特許文献1にも記されているような初期の性能が発揮されるものの、長時間は耐用できない、つまりこのような混合ガス中のCO2に対して脆弱である、という点で問題がある(例えば、第27回電池討論会要旨集(3B10, p226-227)参照)。
That is, the oxide AECeO 3 when exposed to an atmosphere containing CO 2
AECeO 3 + CO 2 → AECO 3 + CeO 2
As such, it reacts with CO 2 and easily decomposes. For this reason, as shown in Patent Document 1, for example, when this oxide AECeO 3 is applied to an electrolyte of an electrochemical device (for example, a hydrogen pump) through which a gas containing CO 2 flows, Patent Document 1 is used at the initial stage. Although the initial performance as described above is exhibited, there is a problem in that it cannot be used for a long time, that is, it is vulnerable to CO 2 in such a mixed gas (for example, the first Summary of 27th Battery Discussion Meeting (3B10, p226-227)).

そこで、本発明は、かかる従来技術が有していた課題に鑑み、AECeO3のプロトン導電性は維持しつつも、当該AECeO3のCO2に対する脆弱性を克服してCO2を含むガス雰囲気下でも使用可能としたプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質およびこれを用いた電気化学デバイスを提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention provides such prior art view of the problems had, while maintaining proton conductivity of AECeO 3, under a gas atmosphere containing CO 2 to overcome the vulnerability to CO 2 of the AECeO 3 However, it is an object of the present invention to provide a proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane electrolyte that can be used, and an electrochemical device using the same.

かかる目的を達成するため、本発明者は種々の検討と実験を行った。かかる検討と実験の過程および概要について以下に説明する。   In order to achieve this object, the present inventor conducted various studies and experiments. The process and outline of such examination and experiment will be described below.

まず、本発明者は従来における別の水素分離法について検討した(図37参照)。水素分離に用いられる水素透過膜(Pd金属膜など、図中で符号201で示す)は、例えば改質ガスといったようなH2(水素)やCO2(二酸化炭素)などの混成ガス(図中、符号202で示す)の流路に設けられ、水素分子が分離した状態(つまりプロトン(H+)と電子(e-)になった状態)で透過させることが可能なもので、これにより、改質ガスから水素を分離することを可能としている(図37参照、分離後の水素を符号203で示す)。このような水素分離法の長所としては水素分離のための電力量が不要だという点が挙げられる。したがって推進力(ドライビングフォース)は水素分圧差のみである。ただし、効率のよい分離を行うためには非常に高い水素分圧差が必要になる(つまり、図37中に示す圧力High PH2と圧力Low PH2と間に高い分圧差が必要になる)。したがって、目的とする水素圧に応じて1次側(改質ガス側)と2次側(分離された水素側)の圧力が固定されることになるから貯蔵用昇圧装置が必要となってくる。また、常圧の改質ガスが使用できないという短所もある。 First, the present inventor examined another conventional hydrogen separation method (see FIG. 37). A hydrogen permeable membrane (Pd metal membrane, etc., indicated by reference numeral 201 in the figure) used for hydrogen separation is a hybrid gas (in the figure, such as reformed gas) such as H 2 (hydrogen) or CO 2 (carbon dioxide). , Indicated by reference numeral 202), and can be transmitted in a state where hydrogen molecules are separated (that is, in the state of protons (H + ) and electrons (e )). It is possible to separate hydrogen from the reformed gas (see FIG. 37, hydrogen after separation is indicated by reference numeral 203). The advantage of such a hydrogen separation method is that it does not require an amount of power for hydrogen separation. Therefore, the driving force (driving force) is only the hydrogen partial pressure difference. However, in order to perform efficient separation, a very high hydrogen partial pressure difference is required (that is, a high partial pressure difference is required between the pressure High P H2 and the pressure Low P H2 shown in FIG. 37). Accordingly, the pressure on the primary side (reformed gas side) and the secondary side (separated hydrogen side) are fixed in accordance with the target hydrogen pressure, so a storage booster is required. . In addition, there is a disadvantage in that normal pressure reformed gas cannot be used.

ここで検討した水素透過膜(Pd金属膜など)を利用した水素分離法(図37参照)には上述のように長所と短所とがあるが、かかる長所・短所を、ペロブスカイト構造を持つ酸化物(AECeO3)を利用した水素分離法の長所・短所と比較すると、両者が互いに入れ替わった関係(つまり一方が長所とする点が他方においては短所になっている関係)にあることがわかる。そこで、本発明者はかかる関係に着目しつつ、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、プロトン導電性酸化物(AECeO3)と水素透過膜(例えばPd金属)とを複合膜化した電解質を用いると、水素のみが(具体的にはプロトンの形で)Pd膜を透過しAECeO3膜に達するため、AECeO3のCO2に対する脆弱性を克服でき、CO2を含むガス環境下でも使用できる電気化学デバイスの電解質として使用可能となることを知見し、この電解質を用いればCO2を含むガス環境下でも上記課題を解決できることを見出した。 The hydrogen separation method (see FIG. 37) using a hydrogen permeable membrane (such as a Pd metal membrane) examined here has advantages and disadvantages as described above. These advantages and disadvantages are related to oxides having a perovskite structure. Compared with the advantages and disadvantages of the hydrogen separation method using (AECeO 3 ), it can be seen that the two are interchanged with each other (that is, the point where one is an advantage is the other is the disadvantage). Therefore, as a result of intensive studies to solve the above problems while paying attention to such a relationship, the present inventor has made a proton conductive oxide (AECeO 3 ) and a hydrogen permeable membrane (for example, Pd metal) into a composite membrane. When using an electrolyte, only hydrogen (specifically in the form of protons) permeates the Pd membrane and reaches the AECeO 3 membrane, so the vulnerability of AECeO 3 to CO 2 can be overcome and even in a gas environment containing CO 2 It has been found that it can be used as an electrolyte for usable electrochemical devices, and it has been found that the use of this electrolyte can solve the above problems even in a gas environment containing CO 2 .

本発明はかかる知見に基づくものであり、請求項1に記載の発明であるプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質は、バリウム(Ba)またはストロンチウム(Sr)をAサイトに配し、希土類元素セリウム(Ce)をBサイトに配するペロブスカイト型酸化物(ABO3)を基本構造とし、プロトン(H+)が通過可能でありCO2を含むガス中から水素のみを分離可能なプロトン導電性酸化物膜と、プロトン(H+)が通過可能でありCO2を含むガス中から水素のみを分離可能な水素透過膜との複合膜からなり、これら両膜の複合界面が連続接合した状態で、プロトン導電性酸化物膜の少なくともガス側の表面に水素透過膜が成膜され、尚かつ当該複合膜が多孔質支持体によって支持されているというものである。 The present invention is based on such knowledge, and the proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane electrolyte according to claim 1 arranges barium (Ba) or strontium (Sr) at the A site. The base structure is a perovskite oxide (ABO 3 ) with rare earth element cerium (Ce) distributed at the B site, allowing protons (H + ) to pass through and separating only hydrogen from a gas containing CO 2. Consisting of a composite membrane of a proton conductive oxide membrane and a hydrogen permeable membrane that allows protons (H + ) to pass through and separates only hydrogen from a gas containing CO 2 In this state, a hydrogen permeable film is formed on at least the gas side surface of the proton conductive oxide film, and the composite film is supported by the porous support.

本発明においては、上述した知見の下、水素分離に好適である新規な複合膜型電解質構造を構築している点が特徴的である。すなわち、プロトン導電性酸化物膜と水素透過膜とが互いの短所を補完し合う複合膜型構造とすることにより、AECeO3のプロトン導電性は維持しつつも、AECeO3のCO2に対する脆弱性を克服してCO2を含むガス雰囲気環境下でも使用することを可能としている。この複合膜型電解質はいわばセラミックス(AECeO3)と改質ガスとの間に別の膜が介在している状態、別の表現をするならばセラミックス(AECeO3)の表面に水素透過性の保護膜的要素が形成された状態にあり、このような複合膜型構造が、CO2によるセラミックス分解を防ぐ。 The present invention is characterized in that a new composite membrane electrolyte structure suitable for hydrogen separation is constructed based on the above-described knowledge. In other words, the AECeO 3 's vulnerability to CO 2 is maintained while maintaining the proton conductivity of the AECeO 3 by adopting a composite membrane structure in which the proton conductive oxide membrane and the hydrogen permeable membrane complement each other's disadvantages. Overcoming this, it is possible to use even in a gas atmosphere environment containing CO 2 . In other words, this composite membrane electrolyte is a state in which another membrane is interposed between the ceramic (AECeO 3 ) and the reformed gas. In other words, the hydrogen permeable protection is provided on the surface of the ceramic (AECeO 3 ). A film-like element is formed, and such a composite film structure prevents ceramic decomposition by CO 2 .

また、この複合膜型電解質構造においては、水素が固相から固相へと相間を移動する際に、水素元素ないしは水素分子として移動するのではなく、プロトンとして連続して移動する現象を呈することを利用している(図1参照)。この場合、水素透過膜(例えばPd膜)は、水素(H2)のみ選択的に透過させ、他の分子(N2, CO, CO2など)は透過させないという性質を持つことから、この水素透過膜をプロトン−電子混合導電体とみなすことができる(図1参照)。したがって、この水素透過膜が電極と電解質の役目を果たすことになる。上述の保護膜として水素透過膜をプロトン導電性酸化物膜の一部と見なすと、プロトン導電性酸化物膜に接触(あるいは通過)するガスは水素(H2)のみということになる。 Also, in this composite membrane electrolyte structure, when hydrogen moves from one solid phase to another, it does not move as a hydrogen element or hydrogen molecule, but exhibits a phenomenon in which it moves continuously as a proton. (See FIG. 1). In this case, the hydrogen permeable membrane (eg, Pd membrane) selectively permeates only hydrogen (H 2 ) and does not permeate other molecules (N 2 , CO, CO 2, etc.). The permeable membrane can be regarded as a proton-electron mixed conductor (see FIG. 1). Therefore, this hydrogen permeable membrane serves as an electrode and an electrolyte. If the hydrogen permeable membrane is regarded as a part of the proton conductive oxide film as the protective film, hydrogen (H 2 ) is the only gas that contacts (or passes) the proton conductive oxide film.

しかも、本発明にかかるプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質においては、プロトン導電性酸化物膜と水素透過膜とからなる複合膜が多孔質支持体によって支持されている。この場合における多孔質支持体は、ガス中から水素を分離するという複合膜の機能に影響を及ぼすものではない。要は、多孔質支持体は多孔質体であるので、水素が水素透過膜からプロトンとして膜中に入る際にこの反応を阻害しない程度にガスの拡散性に優れていればよい。しかも、この多孔質支持体が上記複合膜を強度的に支持する基材として働くことから、複合膜(プロトン導電性酸化物膜および水素透過膜)はそれ自体が基材に要する強度を有していなくても足りる。つまり、複合膜自体で所定の強度を確保する必要がなくなることから、この複合膜を構成するプロトン導電性酸化物膜と水素透過膜のそれぞれを必要十分な厚さにまで薄膜化することが可能となり設計の自由度が広がるという利点がある。また、プロトン導電性酸化物膜および水素透過膜の薄膜化によりコスト面でも有利となる。   Moreover, in the proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane electrolyte according to the present invention, a composite membrane comprising a proton conductive oxide membrane and a hydrogen permeable membrane is supported by a porous support. The porous support in this case does not affect the function of the composite membrane for separating hydrogen from the gas. In short, since the porous support is a porous body, it should be excellent in gas diffusibility to such an extent that hydrogen does not inhibit this reaction when entering the membrane as protons from the hydrogen permeable membrane. Moreover, since this porous support serves as a base material that strongly supports the composite membrane, the composite membrane (proton conductive oxide membrane and hydrogen permeable membrane) itself has the strength required for the base material. It is enough even if not. In other words, since it is not necessary to ensure a predetermined strength with the composite membrane itself, each of the proton conductive oxide film and the hydrogen permeable membrane constituting the composite membrane can be thinned to a necessary and sufficient thickness. There is an advantage that the degree of freedom of design is expanded. Further, it is advantageous in terms of cost by making the proton conductive oxide film and the hydrogen permeable film thinner.

また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質におけるプロトン導電性酸化物膜が、希土類元素セリウム(Ce)の一部が当該セリウム(Ce4+)とは異なる他の低原子価希土類元素で置換されている構造となっているというものである。低原子価元素で置換することにより、例えば、Ce4+→Yb3+とすると、結晶格子中の電気的中性が崩れ、これを補うため格子中の酸素1/2個が抜ける。そうすると格子中の電気的中性が保たれる。このように意図的に酸化物イオン空孔を生成させること(ドーピング)ができ、よりプロトンの生成が促進されることになる。 Further, in the invention described in claim 2, the proton conductive oxide film in the proton conductive oxide film-hydrogen permeable membrane composite membrane electrolyte described in claim 1 is a part of rare earth element cerium (Ce). The structure is substituted with another low-valent rare earth element different from the cerium (Ce 4+ ). By substituting with a low valence element, for example, when Ce 4+ → Yb 3+ , the electrical neutrality in the crystal lattice is broken, and in order to compensate for this, 1/2 oxygen in the lattice is lost. Then, the electrical neutrality in the lattice is maintained. In this manner, oxide ion vacancies can be intentionally generated (doping), and proton generation is further promoted.

請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質における他の希土類元素が、イッテリビウム(Yb)、イットリウム(Y)、ディスプロシウム(Dy)、ガドリニウム(Gd)、サマリウム(Sm)、ネオジム(Nd)からなる群より選ばれた1種の希土類元素であるであるというものである。   The invention according to claim 3 is characterized in that the other rare earth elements in the proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane electrolyte according to claim 1 or 2 are ytterbium (Yb), yttrium (Y), It is one kind of rare earth element selected from the group consisting of Sium (Dy), Gadolinium (Gd), Samarium (Sm) and Neodymium (Nd).

請求項4に記載の発明は、請求項1から3のいずれかひとつに記載のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質における水素透過膜が、水素透過性を示す金属または合金であるというものである。金属または合金のうち、水素透過性を示すものがこの発明における水素透過膜に適用される。   According to a fourth aspect of the present invention, the hydrogen permeable membrane in the proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane type electrolyte according to any one of the first to third aspects is a metal or alloy exhibiting hydrogen permeability. There is. Among metals or alloys, those showing hydrogen permeability are applied to the hydrogen permeable membrane in the present invention.

請求項5に記載の発明は、請求項4に記載のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質における水素透過性を示す金属または合金が、パラジウム(Pd)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)からなる群より選ばれた1種または2種以上、あるいはそれらと銀(Ag)の合金を成分とするものである。   The invention according to claim 5 is the metal or alloy showing hydrogen permeability in the proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane type electrolyte according to claim 4, wherein palladium (Pd), niobium (Nb), One or more selected from the group consisting of tantalum (Ta), lanthanum (La), titanium (Ti), zirconium (Zr), copper (Cu), nickel (Ni), or silver and silver (Ag) These alloys are used as components.

請求項6に記載の発明は、請求項4もしくは5に記載のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質における水素透過性を示す金属または合金が、パラジウム(Pd)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)からなる群より選ばれた1種または2種以上、あるいはそれらと銀(Ag)の合金を成分として無電解めっき法により形成されることを特徴とするものである。   According to a sixth aspect of the present invention, the metal or alloy exhibiting hydrogen permeability in the proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane electrolyte according to the fourth or fifth aspect is palladium (Pd), niobium (Nb ), Tantalum (Ta), lanthanum (La), titanium (Ti), zirconium (Zr), copper (Cu), nickel (Ni), or one or two or more thereof and silver ( It is formed by an electroless plating method using an alloy of Ag) as a component.

請求項7に記載の発明は、請求項1から6のいずれかひとつに記載のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質において、多孔質支持体が複合膜のガス側の表面に形成されているというものである。   The invention according to claim 7 is the proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane type electrolyte according to any one of claims 1 to 6, wherein the porous support is formed on the gas side surface of the composite membrane. It is formed.

請求項8に記載の発明は、請求項7に記載のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質において、複合膜のガス側とは反対側の表面に多孔質カソードが形成されているというものである。   The invention according to claim 8 is the proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane type electrolyte according to claim 7, wherein a porous cathode is formed on the surface opposite to the gas side of the composite membrane. That is.

請求項9に記載の発明は、請求項8に記載のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質において、多孔質カソードが少なくともペロブスカイト構造を有する電子−酸化物イオン混合導電性酸化物および銀(Ag)のうちいずれか一つを含んでいることを特徴とするものである。   The invention according to claim 9 is the proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane type electrolyte according to claim 8, wherein the porous cathode has at least a perovskite structure. And any one of silver (Ag).

請求項10に記載の発明は、請求項7に記載のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質において、複合膜のガス側とは反対側の表面に、プロトン(H+)が通過可能な別の水素透過膜が形成されているというものである。 The invention according to claim 10 is the proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane type electrolyte according to claim 7, wherein protons (H + ) are present on the surface of the composite membrane opposite to the gas side. Another hydrogen permeable membrane that can pass is formed.

請求項11に記載の発明は、請求項10に記載のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質における別の水素透過膜が、水素透過性を示す金属または合金であるというものである。   The invention according to claim 11 is that the other hydrogen permeable membrane in the proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane type electrolyte according to claim 10 is a metal or alloy exhibiting hydrogen permeability. is there.

請求項12に記載の発明は、請求項11に記載のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質における別の水素透過膜を構成する水素透過性を示す金属または合金が、パラジウム(Pd)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)からなる群より選ばれた1種または2種以上、あるいはそれらと銀(Ag)の合金を成分とするものである。   The invention according to claim 12 is characterized in that the metal or alloy showing hydrogen permeability constituting another hydrogen permeable membrane in the proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane electrolyte according to claim 11 is palladium ( One or more selected from the group consisting of Pd), niobium (Nb), tantalum (Ta), lanthanum (La), titanium (Ti), zirconium (Zr), copper (Cu), nickel (Ni) Or an alloy of them and silver (Ag).

請求項13に記載の発明は、請求項11もしくは12に記載のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質における別の水素透過膜を構成する水素透過性を示す金属または合金が、パラジウム(Pd)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)からなる群より選ばれた1種または2種以上、あるいはそれらと銀(Ag)の合金を成分として無電解めっき法により形成されることを特徴とするものである。   The invention according to claim 13 is a metal or an alloy exhibiting hydrogen permeability constituting another hydrogen permeable membrane in the proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane type electrolyte according to claim 11 or 12. One or two selected from the group consisting of palladium (Pd), niobium (Nb), tantalum (Ta), lanthanum (La), titanium (Ti), zirconium (Zr), copper (Cu), nickel (Ni) It is characterized by being formed by an electroless plating method using at least a seed or an alloy of silver and silver (Ag) as a component.

請求項14に記載の発明は、請求項1から6のいずれかひとつに記載のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質において、多孔質支持体が、複合膜のガス側とは反対側の表面に形成された多孔質カソードであるというものである。   The invention according to claim 14 is the proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane type electrolyte according to any one of claims 1 to 6, wherein the porous support is a gas side of the composite membrane. It is a porous cathode formed on the opposite surface.

請求項15に記載の発明は、請求項1から6のいずれかひとつに記載のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質において、複合膜のガス側とは反対側の表面に多孔質カソードが形成され、さらに該多孔質カソードの表面に多孔質支持体が形成されているというものである。   The invention according to claim 15 is the proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane type electrolyte according to any one of claims 1 to 6, wherein the composite membrane is porous on the surface opposite to the gas side. A porous cathode is formed, and a porous support is formed on the surface of the porous cathode.

請求項16に記載の発明は、請求項1から6のいずれかひとつに記載のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質において、複合膜のガス側とは反対側の表面にプロトン(H+)が通過可能な別の水素透過膜が形成され、さらに該別の水素透過膜の表面に多孔質支持体が形成されているというものである。 The invention according to claim 16 is the proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane type electrolyte according to any one of claims 1 to 6, wherein the proton on the surface opposite to the gas side of the composite membrane. Another hydrogen permeable membrane through which (H + ) can pass is formed, and a porous support is formed on the surface of the other hydrogen permeable membrane.

請求項17に記載の発明は、請求項1から16のいずれかひとつに記載のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質を用いた電気化学デバイスであって、燃料電池、水素センサー、水素ポンプ、水蒸気センサーおよび排ガス浄化デバイスのいずれかに応用されるというものである。   An invention according to claim 17 is an electrochemical device using the proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane type electrolyte according to any one of claims 1 to 16, comprising a fuel cell, a hydrogen sensor It is applied to any of hydrogen pumps, water vapor sensors and exhaust gas purification devices.

この電気化学デバイスは、請求項18に記載のように少なくともH2とCO2とを含有する混合ガス中の水素濃度を定量できる水素センサーに適用することができる。 This electrochemical device can be applied to a hydrogen sensor capable of quantifying the hydrogen concentration in a mixed gas containing at least H 2 and CO 2 as described in claim 18.

また、電気化学デバイスは、請求項19に記載のように少なくともH2とCO2とを含有する混合ガス中から水素のみを分離できる水素ポンプに適用することもできる。 The electrochemical device can also be applied to a hydrogen pump that can separate only hydrogen from a mixed gas containing at least H 2 and CO 2 as described in claim 19.

さらに、電気化学デバイスは、請求項20に記載のように少なくとも水蒸気とCO2とを含有する混合ガス中から水蒸気濃度を定量できる水蒸気センサーに適用することもできる。 Furthermore, as described in claim 20, the electrochemical device can be applied to a water vapor sensor capable of determining a water vapor concentration from a mixed gas containing at least water vapor and CO 2 .

さらに、電気化学デバイスを、請求項21に記載のように、少なくとも水蒸気、CO2およびNOx を含有する排ガスからNOxを除去するための排ガス浄化用デバイスに適用することもできる。 Furthermore, as described in claim 21, the electrochemical device can be applied to an exhaust gas purification device for removing NOx from exhaust gas containing at least water vapor, CO 2 and NOx.

ここで、以下、金属/酸化物複合膜型電解質の概念について説明し、続いてAECeO3のCO2に対する脆弱性を克服することについての検討内容を説明することにより、本発明に係るプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質の内容について更に詳細に説明することとする。以下では、「1.ペロブスカイト型プロトン導電体酸化物について」、「2.水素透過膜について」、「3.水素透過膜とプロトン導電性酸化物を用いた燃料電池について」、そして「4.金属/酸化物複合膜型電解質を用いた燃料電池について」という項目順で説明していく。 Here, the concept of the metal / oxide composite membrane type electrolyte will be described below, and then the examination content on overcoming the vulnerability of AECeO 3 to CO 2 will be described, whereby the proton conductivity according to the present invention will be described. The contents of the oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane type electrolyte will be described in more detail. In the following, "1. Perovskite type proton conductor oxide", "2. Hydrogen permeable membrane", "3. Fuel cell using hydrogen permeable membrane and proton conductive oxide", and "4. Metal The fuel cell using the oxide composite membrane electrolyte will be described in the order of items.

1.ペロブスカイト型プロトン導電体酸化物について
従来技術の課題を解決するにあたり、本発明者はまずペロブスカイト構造を持つ酸化物AECeO3について検討した。例えば、中温域で作動する燃料電池には、当該中温域で高いプロトン導電率を有する電解質が必要であり、燃料電池として十分に作動するには、以下に示す化学式1,2の各電極反応が円滑に進行する必要がある。
1. Perovskite-type proton conductor oxide In order to solve the problems of the prior art, the present inventor first examined an oxide AECeO 3 having a perovskite structure. For example, a fuel cell that operates in an intermediate temperature range requires an electrolyte having a high proton conductivity in the intermediate temperature range, and in order to sufficiently operate as a fuel cell, the following electrode reactions of Formulas 1 and 2 are performed. It needs to proceed smoothly.

しかし、一般的に低温域で高いプロトン導電率を有する電解質は、中温域においては分解反応が進行するため、化学的安定性に欠けるという問題を有している。また、仮に中温域で安定に存在しても、実際に上述した化学式1,2のような燃料電池反応を発現する電解質は皆無である。   However, in general, an electrolyte having a high proton conductivity in a low temperature region has a problem of lacking chemical stability because a decomposition reaction proceeds in a middle temperature region. Moreover, even if it exists stably in the middle temperature range, there is no electrolyte that actually exhibits the fuel cell reaction as represented by the chemical formulas 1 and 2 described above.

一方、600℃以上の中高温域では、図35に示すようなSrCeO3やBaCeO3などの高いプロトン導電率を有するペロブスカイト型構造のセレイト系酸化物(AECeO3)が開示されている。また、前述のようなペロブスカイト型構造(ABO3)を持つ酸化物は、水素源が全くない高温雰囲気において、酸素分圧が高くなるほど正孔(ホール)による伝導(p型電子導電性)が増大することが知られている。この場合、導電率が酸素分圧の1/4乗に比例することから、酸化物イオン空格子点の関与した格子欠陥平衡にあるものと考えられている。 On the other hand, a perovskite-type structure-based oxide (AECeO 3 ) having a high proton conductivity such as SrCeO 3 and BaCeO 3 as shown in FIG. In addition, the oxide having the perovskite structure (ABO 3 ) as described above increases the conduction by holes (p-type electronic conductivity) as the oxygen partial pressure increases in a high temperature atmosphere without any hydrogen source. It is known to do. In this case, since the conductivity is proportional to the quarter power of the oxygen partial pressure, it is considered to be in lattice defect equilibrium involving oxide ion vacancies.

このような酸化物を水素ガスや水蒸気のような水素源を含む雰囲気に曝すとプロトン導電性が発現する。このことは、これら酸化物が雰囲気中の水素源から水素を取り込み、水素がプロトンの形で存在することを意味する。このような酸化物の格子欠陥とプロトン生成の関係を模式的に図2に示す。図2において、(a)は化学量論組成を、(b)は湿潤酸素中におけるプロトン又はホール伝導機構を、(c)は乾燥酸素中におけるホール電子伝導機構を、(d)は水素中におけるプロトン伝導機構を示している。尚、図2中における正方形(□)は酸化物イオン空孔を表している。ここでは、格子欠陥が直接プロトンを生成するわけではない。まず雰囲気中の酸素と空孔が欠陥反応式(図中の式参照)に従いホール(h)を生成し、これらが平衡になっているところへ水素が導入されるとホールと水素とが反応してプロトンが生成する。つまり、酸化物イオン空孔が多数存在しなければプロトン導電性は発現しない。ただ、導電率はプロトンの濃度と易動度に比例するので、酸化物イオン空孔濃度が高い(=プロトン濃度が高い)からといって導電率が高くなるわけではない。高い濃度と易動度の両方が揃ってはじめて高い導電率を得ることができる。   When such an oxide is exposed to an atmosphere containing a hydrogen source such as hydrogen gas or water vapor, proton conductivity is exhibited. This means that these oxides take in hydrogen from the hydrogen source in the atmosphere and hydrogen is present in the form of protons. FIG. 2 schematically shows the relationship between lattice defects of such an oxide and proton generation. In FIG. 2, (a) is the stoichiometric composition, (b) is the proton or hole conduction mechanism in wet oxygen, (c) is the hole electron conduction mechanism in dry oxygen, and (d) is in hydrogen. The proton conduction mechanism is shown. Note that the square (□) in FIG. 2 represents oxide ion vacancies. Here, lattice defects do not directly generate protons. First, oxygen and vacancies in the atmosphere generate holes (h) according to the defect reaction equation (see the equation in the figure), and when hydrogen is introduced into the equilibrium, holes and hydrogen react. Proton is generated. That is, proton conductivity does not appear unless a large number of oxide ion vacancies exist. However, since the conductivity is proportional to the proton concentration and mobility, just because the oxide ion vacancy concentration is high (= proton concentration is high) does not mean that the conductivity is high. High conductivity can be obtained only when both high concentration and mobility are obtained.

これまで多くの研究から、母体酸化物のみではプロトン導電性を示さず、プロトン導電性の発現には三価カチオンによるBサイトへのドーピングが必須であることが確認されている。例えばSrCeO3のBサイトカチオンのCe4+の一部をYb3+で置換固溶させると、結晶内では電気的中性条件を満たすため酸化物イオン空格子点を生じる。 Many studies so far have confirmed that the base oxide alone does not exhibit proton conductivity, and that doping of the B site with a trivalent cation is essential for the development of proton conductivity. For example, when a part of Ce 4+ of the B site cation of SrCeO 3 is substituted and dissolved with Yb 3+ , oxide neutral vacancies are generated in the crystal because the electrical neutral condition is satisfied.

この空格子点は高温において正孔(化学式4中においては、右肩に傍点が付された記号hで示す)および雰囲気酸素と化学式4に示す平衡関係にある。したがって、水素源のない雰囲気ではp型電子導電性のみを示すことになる。これに対して、水素源、例えば水蒸気を雰囲気に導入すると、水蒸気分子と正孔または酸化物イオン空格子点との間に化学式5,6に示す平衡関係が化学式4とともに成立し、水素が酸化物中に取り込まれてプロトン導電性が発現する。   These vacancies are in an equilibrium relationship shown in Chemical Formula 4 with holes (indicated by symbol h with a right shoulder on the right shoulder) and atmospheric oxygen at high temperature. Therefore, only the p-type electron conductivity is exhibited in an atmosphere without a hydrogen source. On the other hand, when a hydrogen source, for example, water vapor is introduced into the atmosphere, the equilibrium relationship shown in Chemical Formulas 5 and 6 is established between the water vapor molecules and holes or oxide ion vacancies together with Chemical Formula 4, and hydrogen is oxidized. Proton conductivity is expressed by being taken into the product.

ここで、K1,K2,K3は化学式4〜6中のそれぞれにおける平衡定数である。化学式4、化学式5および化学式6はそれぞれ独立ではなく、化学式7によって関係づけられているのでこれら化学式のうちの二つの式を用いて平衡関係を表すことができる。 Here, K 1 , K 2 , and K 3 are equilibrium constants in the chemical formulas 4 to 6, respectively. Since chemical formula 4, chemical formula 5 and chemical formula 6 are not independent of each other and are related by chemical formula 7, two of these chemical formulas can be used to express an equilibrium relationship.

しかし、アルカリ土類金属をAサイト、CeをBサイトに配するペロブスカイト型酸化物(AECeO3)は、プロトン導電性を有する一方で、雰囲気中にCO2が存在すると、熱力学的平衡により化学式8のようにCeO2とACO3とに容易に分解してしまうというように化学的安定性に欠ける。このため、SrCeO3やBaCeO3を電気化学デバイスに用いるには雰囲気中のCO2に注意を要する。 However, the perovskite oxide (AECeO 3 ), which has alkaline earth metal at the A site and Ce at the B site, has proton conductivity, but when CO 2 is present in the atmosphere, the chemical formula can be expressed by thermodynamic equilibrium. As shown in FIG. 8, the chemical stability is lacking as it is easily decomposed into CeO 2 and ACO 3 . For this reason, attention must be paid to CO 2 in the atmosphere in order to use SrCeO 3 or BaCeO 3 for electrochemical devices.

また、仮にCO2を含む雰囲気でもSrCeO3やBaCeO3を電解質として利用するためには、電解質膜表面を雰囲気中のCO2から遮断する必要がある。 Further, in order to use SrCeO 3 or BaCeO 3 as an electrolyte even in an atmosphere containing CO 2 , it is necessary to shield the electrolyte membrane surface from CO 2 in the atmosphere.

2.水素透過膜について
水素がプロトンとして金属膜を透過する現象はパラジウム(Pd)膜において見いだされている。Pdおよびその合金膜の水素透過機構は、定性的には図3に示すような原理によって水素が透過する機構になっていると考えられている。水素透過能を有するPd膜の両側において水素分圧差が生じると、高水素分圧側の水素分子が金属表面で解離し水素原子となる(図3参照)。水素原子は、Pdによって電子を奪われプロトンとなり、濃度勾配によりプロトンとして金属中を拡散する。拡散したプロトンは、低水素分圧側で自由電子と再結合し水素原子となり、さらにPdの触媒能によってこれら水素原子が会合して分子となり、最終的に水素分子として低水素分圧側に放出される。このように金属Pd膜は、プロトンと電子を導電する一種の混合導電体と見なすことができる。本発明者は、特にPd膜において顕著なこのような機能を利用することとした。尚、Pd膜単独では、水素脆化が生じる虞があるため、PdとAgを合金化したものがより好適である。
2. Hydrogen Permeation Membrane A phenomenon in which hydrogen permeates a metal membrane as a proton has been found in a palladium (Pd) membrane. The hydrogen permeation mechanism of Pd and its alloy film is qualitatively considered to be a mechanism through which hydrogen permeates according to the principle shown in FIG. When a hydrogen partial pressure difference occurs on both sides of the Pd film having hydrogen permeability, hydrogen molecules on the high hydrogen partial pressure side dissociate on the metal surface and become hydrogen atoms (see FIG. 3). Hydrogen atoms are deprived of electrons by Pd and become protons, and diffuse in the metal as protons due to the concentration gradient. The diffused protons recombine with free electrons on the low hydrogen partial pressure side to become hydrogen atoms, and these hydrogen atoms associate to become molecules due to the catalytic ability of Pd, and finally released as hydrogen molecules to the low hydrogen partial pressure side. . Thus, the metal Pd film can be regarded as a kind of mixed conductor that conducts protons and electrons. The present inventor decided to utilize such a remarkable function particularly in the Pd film. Since the Pd film alone may cause hydrogen embrittlement, an alloy of Pd and Ag is more preferable.

3.水素透過膜とプロトン導電性酸化物を用いた燃料電池について
上述の「2.水素透過膜について」で述べた水素透過能を持つ金属PdをAECeO3とガス雰囲気の間に配置できれば、CO2を含むガス環境下においてもAECeO3を使用することができると考えられる。これは、図4に示すように、CO2を含むガス(例えば改質ガス)側からH2がPd膜を透過することにより、酸化物(AECeO3)の膜側ではH2のみを燃料ガスとして利用できるようになるためである。
3. Fuel cell using hydrogen permeable membrane and proton conductive oxide If the metal Pd with hydrogen permeability described in “2. About hydrogen permeable membrane” can be placed between AECeO 3 and gas atmosphere, CO 2 will be It is considered that AECeO 3 can be used even in a gas environment. This is because, as shown in FIG. 4, H 2 permeates the Pd film from the CO 2 -containing gas (for example, reformed gas) side, so that only H 2 is used as the fuel gas on the oxide (AECeO 3 ) film side. Because it becomes available as

ただし、このような二重膜構造(Pd膜およびAECeO3膜からなる二重構造)が構成された場合(図4参照)、以下の点があることが判った。すなわち、第一に、Pd膜を透過してきた水素によって水素分圧が極度に高くなり、酸化物中のCe4+がCe3+へと容易に還元されてしまうことがある。これに対しては例えば室温飽和程度の水蒸気を加えれば水蒸気との平衡によって水素分圧が若干低下し、Ce4+が還元されるのを防止することが可能となると考えられた。ただし、この場合、水蒸気はPd膜に阻害され酸化物膜まで届かないということが生じる。第二に、例えばPd膜を厚くするとコストに大きく影響することから、ある程度薄膜化する必要があるが、Pd金属等の水素透過膜単独の薄膜化は強度的に問題があると考えられた。 However, when such a double membrane structure (double structure consisting of a Pd film and an AECeO 3 film) was constructed (see FIG. 4), it was found that there were the following points. That is, first, hydrogen partial pressure may be extremely increased by hydrogen that has permeated through the Pd film, and Ce 4+ in the oxide may be easily reduced to Ce 3+ . On the other hand, for example, it was considered that the addition of water vapor at about room temperature saturation slightly reduced the hydrogen partial pressure due to the equilibrium with water vapor, thereby preventing Ce 4+ from being reduced. However, in this case, water vapor is inhibited by the Pd film and does not reach the oxide film. Secondly, for example, thickening the Pd film greatly affects the cost, so it is necessary to reduce the film thickness to some extent. However, it was considered that the thinning of the hydrogen permeable film such as Pd metal alone has a problem in strength.

4.金属/酸化物複合膜型電解質を用いた燃料電池について
種々の検討と実験の結果、上述のようなプロトン導電性酸化物膜および水素透過膜の両者を例えば燃料電池に適用するにあたっては、図5に示すような金属/酸化物複合膜型電解質、すなわち金属Pd膜と酸化物AECeO3膜とが重ね合わされた状態で複合した形態の電解質とすることが望ましいという知見が得られた(図5参照)。このように金属(Pd)膜と酸化物(AECeO3)膜とを接合して複合化することにより、CO2を含むガス環境から酸化物(AECeO3)を保護することが可能となる。ここで、図4に示した「水素透過膜とプロトン導電性セラミックスを用いた燃料電池」と比較すると、図5に示す電解質においては、バルク(この場合、Pd膜→AECeO3膜へと続く一連の部分のこと)内をプロトンがPd膜→AECeO3膜というように直接的かつ連続的に通過することができるという点が特徴的である。この場合、Pd膜と酸化物(AECeO3)膜の界面で電子の授受(電極反応)が生じないため、酸化物(AECeO3)は発生したHまたはH2によって還元されるということがなくなる。つまり、プロトン導電性を維持しつつ、CO2に対する脆弱性を克服することが可能となる。
4). Fuel Cell Using Metal / Oxide Composite Membrane Type Electrolyte As a result of various examinations and experiments, in applying both the proton conductive oxide membrane and the hydrogen permeable membrane as described above to a fuel cell, for example, FIG. The metal / oxide composite membrane type electrolyte as shown in FIG. 1, that is, it was desirable to make the composite in a state where the metal Pd film and the oxide AECeO 3 film were superposed (see FIG. 5). ). Thus, by joining and compounding a metal (Pd) film and an oxide (AECeO 3 ) film, the oxide (AECeO 3 ) can be protected from a gas environment containing CO 2 . Here, in comparison with the “fuel cell using a hydrogen permeable membrane and proton conductive ceramics” shown in FIG. 4, the electrolyte shown in FIG. 5 has a series of bulk (in this case, Pd membrane → AECeO 3 membrane). This is characterized in that protons can pass directly and continuously through the Pd membrane → AECeO 3 membrane. In this case, since no electron transfer (electrode reaction) occurs at the interface between the Pd film and the oxide (AECeO 3 ) film, the oxide (AECeO 3 ) is not reduced by the generated H or H 2 . In other words, it is possible to overcome the vulnerability to CO 2 while maintaining proton conductivity.

以上のように金属(Pd)膜と酸化物(AECeO3)膜とを接合して理想的界面を作成するにあたっては、以下のような手法によるコーティングが考えられる。 As described above, in order to create an ideal interface by joining a metal (Pd) film and an oxide (AECeO 3 ) film, coating by the following method can be considered.

まず、酸化物(AECeO3)膜に金属(Pd)膜を成膜する方法としては、以下の方法が挙げられる。
(1) 化学的…無電解めっき法、電解めっき法、MOD法、CVD法、スラリーコート法、スピンコーティング法、ディップ法
(2) 物理的…PVD法{スパッタ、蒸着、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法、プラズマ溶射法、プラズマスプレー法}
上記の中で、無電解めっき法は、緻密薄膜を均一に作製可能で、酸化物(AECeO3)膜と金属(Pd)膜の複合界面の連続接合性を向上させる上で好適な方法である。また、プラズマ溶射法およびプラズマスプレー法も、緻密薄膜を作製可能である。本発明においては、緻密膜を複合する必要があるため、工業的に量産化をターゲットにおけば、自動成膜化が容易なプラズマ溶射法およびプラズマスプレー法が複合膜を成膜することに好適である。
First, as a method for forming a metal (Pd) film on an oxide (AECeO 3 ) film, the following methods may be mentioned.
(1) Chemical: Electroless plating method, electrolytic plating method, MOD method, CVD method, slurry coating method, spin coating method, dip method
(2) Physical… PVD method {sputtering, vapor deposition, MBE (Molecular Beam Epitaxy) method, plasma spraying method, plasma spraying method}
Among the above, the electroless plating method is capable of producing a dense thin film uniformly, and is a preferable method for improving the continuous bondability of the composite interface between the oxide (AECeO 3 ) film and the metal (Pd) film. . In addition, a dense thin film can also be produced by plasma spraying and plasma spraying. In the present invention, since it is necessary to combine a dense film, the plasma spraying method and the plasma spray method, which are easy to form an automatic film, are suitable for forming a composite film if industrial production is targeted. It is.

また、多孔質支持体上に酸化物(AECeO3)膜を薄く成膜する方法としては、以下の方法が挙げられる。
(1) 化学的…スラリーコート法、スピンコーティング法、ディップ法
(2) 物理的…PVD法{スパッタ、蒸着、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法、プラズマ溶射法、プラズマスプレー法}
上記の方法を採用することで、酸化物(AECeO3)膜の薄膜化が可能となり、さらに、多孔質支持体上に酸化物(AECeO3)薄膜を成膜し、さらにその上に金属(Pd)薄膜を成膜することで低コスト化につながる。
Examples of a method for forming a thin oxide (AECeO 3 ) film on the porous support include the following methods.
(1) Chemical… Slurry coating method, spin coating method, dipping method
(2) Physical… PVD method {sputtering, vapor deposition, MBE (Molecular Beam Epitaxy) method, plasma spraying method, plasma spraying method}
By adopting the above method, it is possible to reduce the thickness of the oxide (AECeO 3 ) film. Furthermore, an oxide (AECeO 3 ) thin film is formed on the porous support, and further a metal (Pd ) The cost is reduced by forming a thin film.

なお、ここではPdやPd-Ag合金を例に検討したが、上述したような水素の透過形態からすると、複合する膜として、水素を透過するPd以外の金属(例えばニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)など)の膜、これらの元素のうち2種以上からなる合金膜、あるいは酸化物(例えばSrZrO3、BaZrO3)の膜等を適用した場合にも同様の効果が得られると考えられた。中でも、金属膜あるいは合金膜を用いる場合には、それ自体がプロトン−電子混合導電体と見なすことができるため、電極が不必要となる利点がある。 Here, Pd or Pd-Ag alloy was examined as an example, but from the hydrogen permeation form as described above, as a composite film, a metal other than Pd that permeates hydrogen (for example, niobium (Nb), tantalum ( Ta), lanthanum (La), titanium (Ti), zirconium (Zr), copper (Cu), nickel (Ni), etc.) films, alloy films composed of two or more of these elements, or oxides (for example, It is considered that the same effect can be obtained when a film of SrZrO 3 , BaZrO 3 ) or the like is applied. In particular, when a metal film or an alloy film is used, there is an advantage that an electrode is unnecessary because the metal film or the alloy film itself can be regarded as a proton-electron mixed conductor.

また、Pd膜を使用することから、コスト的にある程度薄膜化する必要があるが、Pd膜等の水素透過膜単独の薄膜化は強度的に問題があるという点に関しては、以下のように考えた。すなわち、まずPd膜自体を厚くして当該Pd膜自体を基材としても機能させることを検討してみたが、コスト面を考慮すると到底実用的ではない(Pdの使用量が実用レベルを超える)と考えられた。そうすると、このように複合膜自体で強度を確保するよりも、水素透過に影響を及ぼさない材質によって基材(支持体)を構成することが目的に適うと考えられた。具体的には、プロトン導電性酸化物膜と水素透過膜とからなる複合膜を多孔質支持体によって支持するという構造が適すると考えられた。この場合における多孔質支持体は、ガス中から水素を分離するという複合膜の機能に影響を及ぼすものではない。しかも、この多孔質支持体が上記複合膜を強度的に支持する基材として働くことから、複合膜自体で所定の強度を確保する必要がなくなることから、この複合膜を構成するプロトン導電性酸化物膜と水素透過膜のそれぞれを必要十分な厚さにまで薄膜化することが可能となる。   In addition, since a Pd film is used, it is necessary to reduce the thickness to some extent in terms of cost. However, regarding the point that the reduction of the thickness of a hydrogen permeable membrane such as a Pd film alone is problematic in terms of strength, the following is considered. It was. In other words, we first tried to thicken the Pd film itself and make the Pd film itself function as a base material, but it was not practical in view of cost (the amount of Pd used exceeds the practical level) It was considered. In this case, it was considered that the base material (support) is made of a material that does not affect hydrogen permeation rather than ensuring the strength with the composite membrane itself. Specifically, it was considered that a structure in which a composite membrane composed of a proton conductive oxide membrane and a hydrogen permeable membrane is supported by a porous support is suitable. The porous support in this case does not affect the function of the composite membrane for separating hydrogen from the gas. In addition, since the porous support serves as a base material that strongly supports the composite membrane, it is not necessary to secure a predetermined strength with the composite membrane itself. Each of the material film and the hydrogen permeable film can be thinned to a necessary and sufficient thickness.

ここまで説明したように、本発明にかかるプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質は燃料電池における電解質として特有の効果を奏しうるものであるが、適用可能な電気化学デバイスはこれに限らない。以下に発明者による実験結果を実施例1として示すように、水素センサー、水素ポンプ、水蒸気センサーといった電気化学デバイスにも好適なものである。さらには、以下に説明するように、排ガス浄化用電気化学デバイスにおける電解質としてもきわめて好適なものである。   As described above, the proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane type electrolyte according to the present invention can exhibit a unique effect as an electrolyte in a fuel cell. Not limited to. As shown in Example 1 below, the results of experiments by the inventors are suitable for electrochemical devices such as hydrogen sensors, hydrogen pumps, and water vapor sensors. Furthermore, as described below, it is also very suitable as an electrolyte in an exhaust gas purifying electrochemical device.

すなわち、本発明者は、水素センサー、水素ポンプ、水蒸気センサー以外にも、本発明に係るプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質の適用の可能性について検討した。一例として、具体的には、このプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質を排ガス浄化用電気化学デバイスとして適用することについて詳細な検討をした。その背景は以下のとおりである。   That is, the present inventor examined the possibility of applying the proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane electrolyte according to the present invention in addition to the hydrogen sensor, hydrogen pump, and water vapor sensor. As an example, specifically, detailed examination was made on the application of the proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane electrolyte as an electrochemical device for exhaust gas purification. The background is as follows.

すなわち、従来、自動車など内燃機関の排気ガス中に含まれる窒素酸化物(NOx)の除去方法としては、活性成分として貴金属を担持した触媒による接触還元法が用いられてきている。つまり、上記した自動車排気ガス浄化用の触媒として、白金やロジウムなどの貴金属を比表面積の大きいアルミナなどの担体に担持した触媒が用いられている。また、ボイラなどの各種プラントの排ガス中に含まれる窒素酸化物(NOx)は、NH3 添加による無触媒脱硝法、触媒を用いたNH3 による選択接触還元法によってN2 およびO2 に変換され、無害化されている。しかし、このような従来の窒素酸化物の除去方法には下記(1)、(2) の問題点がある。 That is, conventionally, as a method for removing nitrogen oxide (NOx) contained in the exhaust gas of an internal combustion engine such as an automobile, a catalytic reduction method using a catalyst supporting a noble metal as an active component has been used. That is, a catalyst in which a noble metal such as platinum or rhodium is supported on a carrier such as alumina having a large specific surface area is used as a catalyst for purifying automobile exhaust gas. Furthermore, the nitrogen oxides contained in the exhaust gas of various plants, such as boiler (NOx) is, NH 3 uncatalyzed denitration method by addition, is converted into N 2 and O 2 by the selective catalytic reduction method using NH 3 with a catalyst Has been detoxified. However, this conventional method for removing nitrogen oxide has the following problems (1) and (2).

(1) 自動車排気ガス浄化用触媒の問題点
自動車排気ガス浄化用の貴金属を担持した触媒は、貴金属の埋蔵量が少なく、価格が高く、さらに貴金属は、価格変動が大きく、安定して確保することが難しい問題がある。近年の自動車はリーンバーン域での燃焼にシフトする方向にあり、この結果、不完全燃焼を伴い、NOx が増加する傾向にあり、貴金属担持量の増加を伴うことなくNOx 除去率を向上することが可能な技術開発が必要である。なお、窒素酸化物の他の分解法として、アンモニアによる還元法が挙げられ、この方法は貴金属を必要としない点で優れているが、アンモニアを供給するための設備を必要とし、自動車のようにスペースに余裕がない場合、アンモニアを供給するためのボンベなどの装置を自動車に搭載することは困難である。
(1) Problems with catalysts for automobile exhaust gas purification Catalysts carrying noble metals for automobile exhaust gas purification have low precious metal reserves and high prices, and precious metals have large price fluctuations and are secured stably. There is a difficult problem. Recent automobiles tend to shift to combustion in the lean burn region. As a result, NOx tends to increase with incomplete combustion, and the NOx removal rate can be improved without increasing the amount of precious metal supported. Technology development that can As another decomposition method of nitrogen oxides, there is a reduction method using ammonia. This method is excellent in that no precious metal is required, but it requires equipment for supplying ammonia, like an automobile. When there is not enough space, it is difficult to mount a device such as a cylinder for supplying ammonia in an automobile.

(2) ボイラなど各種プラントにおけるアンモニアを用いた還元法の問題点
ボイラなどの各種プラントにNOx のアンモニアによる還元法を適用する場合、未反応のアンモニアが、排ガス中に僅かに含まれるSOx と反応し、硫安類を生成し、ボイラの熱回収装置である熱交換器の内部の低温部に付着し、熱交換器の圧力損失が経時的に増加する問題があり、アンモニア添加量の低減が望まれる。
(2) Problems with the reduction method using ammonia in various plants such as boilers When applying the NOx ammonia reduction method to various plants such as boilers, unreacted ammonia reacts with SOx contained slightly in the exhaust gas. However, it produces ammonium sulfate and adheres to the low temperature part of the heat exchanger, which is the heat recovery device of the boiler, and the pressure loss of the heat exchanger increases over time. It is.

以上の問題に鑑み本発明者は本発明にかかるプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質が排ガス浄化用電気化学デバイスに適用された場合に特有の効果を奏することを知見するに至った。すなわち、本発明に係るプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質は、基本的には水素ポンプの動作原理により、雰囲気中の水蒸気から化学式4〜7で示される欠陥平衡によってプロトンを取り込み、カソード側に水素を生成する。この生成された水素によってNOxが以下の化学式9,10に基づいて還元される。さらに、このNOxの還元反応は、デバイスに通電する電流量によって制御することができるので、NOxセンサーによるフィードバック制御により、よりきめ細かいNOx還元が実現できる。   In view of the above problems, the present inventors have found that the proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane electrolyte according to the present invention has a specific effect when applied to an exhaust gas purification electrochemical device. It came. That is, the proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane electrolyte according to the present invention basically generates protons from water vapor in the atmosphere by the defect equilibrium represented by the chemical formulas 4 to 7, based on the operating principle of the hydrogen pump. Captures and produces hydrogen on the cathode side. The produced hydrogen reduces NOx based on the following chemical formulas 9 and 10. Furthermore, since this NOx reduction reaction can be controlled by the amount of current applied to the device, finer NOx reduction can be realized by feedback control using a NOx sensor.

例えば自動車の排気ガス中には水蒸気が存在し、走行中における排ガス浄化用触媒の温度は数百度にも達する。このような状況下におかれた自動車の排ガス浄化用電気化学デバイスは、排ガス中の水蒸気を分解し、排ガス中にNOx の還元剤である水素を供給し、化学式9,10に基づいてNOx を分解する。   For example, water vapor exists in the exhaust gas of an automobile, and the temperature of the exhaust gas purifying catalyst during traveling reaches several hundred degrees. Under such circumstances, an automobile exhaust gas purification electrochemical device decomposes water vapor in exhaust gas, supplies hydrogen, which is a reducing agent of NOx, into the exhaust gas, and converts NOx based on chemical formulas 9 and 10 Decompose.

また、上述したボイラなど各種プラントにおける排ガスも多くが水蒸気を含有しているため、これら各種プラントにおけるアンモニアによる無触媒脱硝もしくは触媒を用いたNOx のアンモニア選択接触還元においても、ボイラの高温部に本発明に係る排ガス浄化用電気化学デバイスを配設することによって、排ガス中に水素を供給することが可能となり、還元剤としてのアンモニアを低減できる。   In addition, since many of the exhaust gases in various plants such as the boilers mentioned above contain water vapor, the non-catalytic denitration with ammonia in these various plants or the selective catalytic reduction of ammonia with NOx using the catalyst is also performed in the high temperature part of the boiler. By disposing the electrochemical device for purifying exhaust gas according to the invention, hydrogen can be supplied into the exhaust gas, and ammonia as a reducing agent can be reduced.

以上のように、請求項1のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質によると、AECeO3のプロトン導電性は維持しつつも、AECeO3のCO2に対する脆弱性を克服してCO2を含む混合ガス雰囲気環境下でも使用することが可能となる。 As described above, according to the proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane type electrolyte of claim 1, the proton conductivity of AECeO 3 is maintained, but the vulnerability of AECeO 3 to CO 2 is overcome. It can be used even in a mixed gas atmosphere containing CO 2 .

また、請求項2のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質は、希土類元素セリウム(Ce)の一部を当該セリウム(Ce4+)とは異なる他の低原子価希土類元素で置換したというもので、AECeO3のプロトン導電性は維持しつつもAECeO3のCO2に対する脆弱性を克服することができる。低原子価元素で置換することにより、例えば、Ce4+→Yb3+とすると、結晶格子中の電気的中性が崩れ、これを補うため格子中の酸素1/2個が抜ける。そうすると格子中の電気的中性が保たれる。このように意図的に酸化物イオン空孔を生成させること(ドーピング)ができ、よりプロトンの生成が促進されることになる。また、他の希土類元素としては、請求項3に記載のようにイッテリビウム(Yb)、イットリウム(Y)、ディスプロシウム(Dy)、ガドリニウム(Gd)、サマリウム(Sm)、ネオジム(Nd)からなる群より選ばれた1種の希土類元素を用いることができる。 Further, in the proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane type electrolyte according to claim 2, a part of the rare earth element cerium (Ce) is made of another low valence rare earth element different from the cerium (Ce 4+ ). those that were replaced, the proton conductivity of AECeO 3 can overcome vulnerability to CO 2 of AECeO 3 while maintaining. By substituting with a low valence element, for example, when Ce 4+ → Yb 3+ , the electrical neutrality in the crystal lattice is broken, and in order to compensate for this, 1/2 oxygen in the lattice is lost. Then, the electrical neutrality in the lattice is maintained. In this manner, oxide ion vacancies can be intentionally generated (doping), and proton generation is further promoted. The other rare earth elements are ytterbium (Yb), yttrium (Y), dysprosium (Dy), gadolinium (Gd), samarium (Sm), neodymium (Nd) as described in claim 3. One kind of rare earth element selected from the group can be used.

水素透過膜が金属または合金である請求項4のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質の場合、当該金属膜自体をプロトン−電子混合導電体と見なすことができるため燃料極が不必要になるという利点がある。この場合、水素透過性を示す金属または合金としては、請求項5に記載のごとくパラジウム(Pd)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)からなる群より選ばれた1種または2種以上、あるいはそれらと銀(Ag)の合金を成分とするものを用いることができる。尚、請求項7に記載したように、これらの金属または合金を無電解めっき法によりプロトン導電性酸化物膜表面に成膜することで、より緻密かつ均一な膜が成膜可能となり、プロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質における複合界面の連続接合性が向上し、AECeO3のCO2に対する脆弱性を克服しつつ、アノード過電圧を低減することが可能となる。 5. The proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane type electrolyte according to claim 4, wherein the hydrogen permeable membrane is a metal or an alloy. Since the metal membrane itself can be regarded as a proton-electron mixed conductor, the fuel electrode There is an advantage that it becomes unnecessary. In this case, the metal or alloy exhibiting hydrogen permeability is palladium (Pd), niobium (Nb), tantalum (Ta), lanthanum (La), titanium (Ti), zirconium (Zr) as described in claim 5. One or two or more selected from the group consisting of copper (Cu) and nickel (Ni), or an alloy thereof with silver (Ag) can be used. In addition, as described in claim 7, by depositing these metals or alloys on the surface of the proton conductive oxide film by an electroless plating method, a denser and more uniform film can be formed. As a result, the continuous bonding property of the composite interface in the composite oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite electrolyte is improved, and the anode overvoltage can be reduced while overcoming the vulnerability of AECeO 3 to CO 2 .

また、多孔質支持体が複合膜のガス側の表面に形成されている請求項7のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質によると、水素透過を妨げることなくPd等の水素透過膜単独の薄膜化が可能となることから、各種電気化学デバイスとして好適な膜厚を設定することが可能となる。請求項8のように複合膜のガス側とは反対側の表面に多孔質カソードが形成されている場合においても同様である。さらに、請求項9に記載したように多孔質カソードに銀(Ag)を含むことにより、カソード過電圧を低減することが可能となる。   According to the proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane electrolyte of claim 7, wherein the porous support is formed on the gas side surface of the composite membrane, hydrogen such as Pd without interfering with hydrogen permeation. Since it is possible to reduce the thickness of the permeable membrane alone, it is possible to set a film thickness suitable for various electrochemical devices. The same applies to the case where the porous cathode is formed on the surface opposite to the gas side of the composite membrane as in the eighth aspect. Furthermore, the cathode overvoltage can be reduced by including silver (Ag) in the porous cathode as described in claim 9.

また、複合膜のガス側とは反対側の表面にプロトン(H+)が通過可能な別の水素透過膜が形成されている請求項10のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質は、プロトン導電性酸化物膜の両面に保護膜が形成された状態となっている。したがって、カソード側を流れるガス(酸化剤ガス)中にCO2が含まれていても、プロトン導電性酸化物膜(AECeO3)のCO2に対する脆弱性を克服してCO2を含むガス雰囲気環境下でも使用することが可能となる。別の水素透過膜が金属または合金である請求項11のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質の場合、当該金属膜自体をプロトン−電子混合導電体と見なすことができるため電極が不必要になるという利点がある。この場合、水素透過性を示す金属または合金としては、請求項11に記載のごとくパラジウム(Pd)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)からなる群より選ばれた1種または2種以上、あるいはそれらと銀(Ag)の合金をを成分とするものを用いることができる。尚、請求項13に記載したように、これらの金属または合金を無電解めっき法によりプロトン導電性酸化物膜表面に成膜することで、より緻密かつ均一な膜が成膜可能となり、プロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質における複合界面の連続接合性が向上し、AECeO3のCO2に対する脆弱性を克服することができる 11. The proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane type according to claim 10, wherein another hydrogen permeable membrane capable of allowing protons (H + ) to pass through is formed on the surface opposite to the gas side of the composite membrane. The electrolyte is in a state in which protective films are formed on both sides of the proton conductive oxide film. Therefore, even if CO 2 is contained in the gas flowing on the cathode side (oxidant gas), the gas atmosphere environment containing CO 2 overcomes the vulnerability of proton conductive oxide film (AECeO 3 ) to CO 2 It can also be used below. 12. The proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane type electrolyte according to claim 11, wherein the other hydrogen permeable membrane is a metal or an alloy, so that the metal membrane itself can be regarded as a proton-electron mixed conductor. There is an advantage that becomes unnecessary. In this case, the metal or alloy exhibiting hydrogen permeability is palladium (Pd), niobium (Nb), tantalum (Ta), lanthanum (La), titanium (Ti), zirconium (Zr) as described in claim 11. One or two or more selected from the group consisting of copper (Cu) and nickel (Ni), or an alloy of these with silver (Ag) can be used. As described in claim 13, by depositing these metals or alloys on the surface of the proton conductive oxide film by an electroless plating method, a denser and more uniform film can be formed. Can improve the continuous bondability of the composite interface in the porous oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane electrolyte and overcome the vulnerability of AECeO 3 to CO 2

多孔質支持体が、複合膜のガス側とは反対側の表面に形成された多孔質カソードである請求項14のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質によると、多孔質カソードが基材としても機能し、複合膜を強度的に支持する。したがってこの場合においても水素透過を妨げることなくPd等の水素透過膜単独の薄膜化が可能となることから、各種電気化学デバイスとして好適な膜厚を設定することが可能となる。   15. The proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane type electrolyte according to claim 14, wherein the porous support is a porous cathode formed on the surface opposite to the gas side of the composite membrane. Also functions as a base material and supports the composite membrane in strength. Accordingly, even in this case, it is possible to reduce the thickness of a single hydrogen permeable film such as Pd without interfering with hydrogen permeation, so that it is possible to set a film thickness suitable for various electrochemical devices.

複合膜のガス側とは反対側の表面に多孔質カソードが形成され、さらに該多孔質カソードの表面に多孔質支持体が形成されている請求項15のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質によっても、水素透過を妨げることなくPd等の水素透過膜単独の薄膜化が可能となることから、各種電気化学デバイスとして好適な膜厚を設定することが可能となる。   16. The proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane according to claim 15, wherein a porous cathode is formed on the surface opposite to the gas side of the composite membrane, and further a porous support is formed on the surface of the porous cathode. Even with the composite membrane type electrolyte, it is possible to reduce the thickness of a hydrogen permeable membrane such as Pd alone without interfering with hydrogen permeation, so that it is possible to set a film thickness suitable for various electrochemical devices.

また、複合膜のガス側とは反対側の表面にプロトン(H+)が通過可能な別の水素透過膜が形成され、さらに該別の水素透過膜の表面に多孔質支持体が形成されている請求項16のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質は、プロトン導電性酸化物膜の両面に保護膜が形成された状態となっている。したがって、カソード側を流れるガス(酸化剤ガス)中にCO2が含まれていても、プロトン導電性酸化物膜(AECeO3)のCO2に対する脆弱性を克服してCO2を含むガス雰囲気環境下でも使用することが可能となる。 Further, another hydrogen permeable membrane through which protons (H + ) can pass is formed on the surface opposite to the gas side of the composite membrane, and a porous support is formed on the surface of the other hydrogen permeable membrane. The proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane electrolyte according to claim 16 is in a state in which protective films are formed on both sides of the proton conductive oxide membrane. Therefore, also contain CO 2 in the gas (oxidant gas) flowing in the cathode side, the proton conductive oxide film (AECeO 3) gas atmosphere environment containing CO 2 to overcome the vulnerability to CO 2 of It can also be used below.

また請求項17の発明によれば、燃料装置等の各種装置において、AECeO3のプロトン導電性は維持しつつもAECeO3のCO2に対する脆弱性を克服してCO2を含む混合ガス雰囲気環境下で使用することが可能となる。例えば、請求項18のように水素センサーに適用したり、請求項19のように水素ポンプに適用したり、請求項20のように水蒸気センサーに適用したりすることができる。あるいは、請求項21のように排ガス浄化用デバイスに適用することもできる。 Further, according to the invention of claim 17, in various devices such as a fuel device, the proton conductivity of AECeO 3 is maintained, but the vulnerability of AECeO 3 to CO 2 is overcome and the mixed gas atmosphere environment containing CO 2 is maintained. Can be used. For example, the present invention can be applied to a hydrogen sensor as in claim 18, applied to a hydrogen pump as in claim 19, or applied to a water vapor sensor as in claim 20. Alternatively, the present invention can be applied to an exhaust gas purifying device as in the twenty-first aspect.

以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the drawings.

本発明にかかるプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質は、図1に示すようにCO2を含むガス3中から水素を分離可能な水素透過性あるいはプロトン(H+)透過性の電解質であって、プロトン(H+)が通過可能なプロトン導電性酸化物膜1と、プロトン(H+)が通過可能な水素透過膜2との複合膜からなり、これら両膜の界面が連続接合した状態で、プロトン導電性酸化物膜1の少なくともガス3側の表面に水素透過膜2が形成されているものである。 The proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane electrolyte according to the present invention has hydrogen permeability or proton (H + ) permeability capable of separating hydrogen from a gas 3 containing CO 2 as shown in FIG. a electrolyte, and protons (H +) proton conductive oxide film 1 can pass through the proton (H +) is a composite film of a hydrogen permeable membrane 2 can pass, the interface of both membranes The hydrogen permeable membrane 2 is formed on the surface of at least the gas 3 side of the proton conductive oxide film 1 in a continuously bonded state.

プロトン導電性酸化物膜1としては、バリウム(Ba)またはストロンチウム(Sr)をAサイトに配し、希土類元素セリウム(Ce)をBサイトに配するペロブスカイト型酸化物(ABO3)を基本構造としたものを採用できる。 The proton conductive oxide film 1 has a basic structure of perovskite oxide (ABO 3 ) in which barium (Ba) or strontium (Sr) is arranged at the A site and rare earth element cerium (Ce) is arranged at the B site. Can be adopted.

Aサイト元素は、電解質抵抗低減の観点からバリウム(Ba)を採用することがより好ましい。   As the A-site element, it is more preferable to employ barium (Ba) from the viewpoint of reducing electrolyte resistance.

また、酸化物イオン空格子点を発生させてプロトン導電性を発現させるために、Bサイトのセリウム(Ce)はイッテリビウム(Yb)、イットリウム(Y)、ディスプロシウム(Dy)、ガドリニウム(Gd)、サマリウム(Sm)、ネオジム(Nd)からなる群より選ばれた1種の希土類元素で一部置換することが好ましいが、これらの元素に限定されるものではなく、セリウム(Ce)とは異なる他の低原子価希土類元素を採用することも可能である。   In addition, in order to generate oxide ion vacancies to express proton conductivity, cerium (Ce) at the B site is ytterbium (Yb), yttrium (Y), dysprosium (Dy), gadolinium (Gd). It is preferable to partially substitute with one kind of rare earth element selected from the group consisting of samarium (Sm) and neodymium (Nd), but is not limited to these elements and is different from cerium (Ce) It is also possible to employ other low-valent rare earth elements.

尚、本発明のプロトン導電性酸化物膜のような固体電解質は、焼結性が低減するほど電解質抵抗は高くなる。かかる観点から、焼結性を高めることが好ましい。焼結性を高めるための手法としては、焼結温度を上昇させる、最終成形時に成形加重を増大する等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。好ましい焼結度としては90%以上、さらに好ましくは95%以上である。   Note that the solid electrolyte such as the proton conductive oxide film of the present invention has higher electrolyte resistance as the sinterability decreases. From such a viewpoint, it is preferable to improve the sinterability. Examples of the technique for increasing the sinterability include, but are not limited to, increasing the sintering temperature and increasing the molding load during final molding. The degree of sintering is preferably 90% or more, more preferably 95% or more.

水素透過膜2は、プロトン(H+)が通過可能でありCO2を含むガス中から水素のみを分離可能な膜であり、パラジウム(Pd)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)からなる群より選ばれた1種または2種以上、あるいはそれらと銀(Ag)の合金を成分とすることが好ましいが、これらに限定されるものではなく、プロトン(H+)が通過可能でありCO2を含むガス中から水素のみを分離可能な材料であれば、金属もしくは合金等に限らず、酸化物等の材料も採用することが可能である。尚、水素脆化を抑える効果のあるAgと合金化したものがより好適である。 The hydrogen permeable membrane 2 is a membrane through which protons (H + ) can pass and only hydrogen can be separated from a gas containing CO 2. Palladium (Pd), niobium (Nb), tantalum (Ta), lanthanum ( One or more selected from the group consisting of La), titanium (Ti), zirconium (Zr), copper (Cu), nickel (Ni), or an alloy of these and silver (Ag) However, the present invention is not limited to these, and any material that can pass protons (H + ) and can separate only hydrogen from a gas containing CO 2 is not limited to metals or alloys, but is oxidized. It is also possible to employ materials such as objects. It is more preferable to alloy with Ag which has an effect of suppressing hydrogen embrittlement.

ここで、金属もしくは合金膜を水素透過膜として採用する場合には、それ自体がプロトン−電子混合導電体とみなせるため電極として作用する。したがって、燃料極を必要としなくなるという観点から金属もしくは合金膜を採用することが好ましい。尚、酸化物等の材料を用いる場合には、燃料極を併用すれば良く、また、金属もしくは合金膜を用いた水素透過膜が薄いために電極としてうまく作用しない場合にも燃料極を併用すればよい。   Here, when a metal or alloy membrane is employed as the hydrogen permeable membrane, the membrane itself can be regarded as a proton-electron mixed conductor and thus acts as an electrode. Therefore, it is preferable to employ a metal or alloy film from the viewpoint of eliminating the need for a fuel electrode. When materials such as oxides are used, a fuel electrode may be used in combination, and when the hydrogen permeable membrane using a metal or alloy film is thin, it does not work well as an electrode. That's fine.

燃料極としては、燃料ガスを透過させ、かつ電極として作用する材料が好ましく、例えば多孔質金属、格子状に形成した電極もしくはガスを透過させるための穴を複数あけた電極等を採用することができる。水素透過膜が酸化膜の場合には酸化膜をガス側に配置し、燃料極をプロトン導電性酸化物に接触させて用いるようにすればよい。また、水素透過膜が金属もしくは合金の場合には、燃料極をプロトン導電性酸化物に接触させて用いるようにしてもよいし、水素透過膜をプロトン導電性酸化物に接触させ、ガス側で燃料極を水素透過膜に接触させるようにしても良い。   The fuel electrode is preferably made of a material that allows fuel gas to pass therethrough and acts as an electrode. For example, a porous metal, an electrode formed in a lattice shape, or an electrode having a plurality of holes for allowing gas to pass therethrough may be employed. it can. When the hydrogen permeable membrane is an oxide membrane, the oxide membrane is disposed on the gas side, and the fuel electrode may be used in contact with the proton conductive oxide. When the hydrogen permeable membrane is a metal or alloy, the fuel electrode may be used in contact with the proton conductive oxide, or the hydrogen permeable membrane may be contacted with the proton conductive oxide and The fuel electrode may be brought into contact with the hydrogen permeable membrane.

次に、本発明にかかるプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質においては、アノード過電圧を低減させるために、複合界面が連続接合させることを特徴とするものである。   Next, the proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane electrolyte according to the present invention is characterized in that the composite interface is continuously joined in order to reduce the anode overvoltage.

複合界面の連続接合は、プロトン導電性酸化物膜を基材として緻密膜な水素透過膜を形成するか、もしくは水素透過膜を基材として緻密膜なプロトン導電性酸化物膜を形成することにより達成される。本発明では、プロトン導電性酸化物膜を基材として緻密膜な水素透過膜を形成している。   The continuous bonding of the composite interface is achieved by forming a dense hydrogen permeable membrane using a proton conductive oxide film as a base material, or by forming a dense proton conductive oxide film using a hydrogen permeable film as a base material. Achieved. In the present invention, a dense hydrogen permeable membrane is formed using a proton conductive oxide film as a base material.

緻密膜を形成するための方法としてペースト法が挙げられる。この場合には、ペースト材料の粒子径が大きいため、ペーストを基板に塗布した後に高温処理することで、基材との密着性が向上し、アノード過電圧を低減することが可能となる。   An example of a method for forming a dense film is a paste method. In this case, since the particle diameter of the paste material is large, the adhesiveness with the base material is improved and the anode overvoltage can be reduced by applying a high temperature treatment after applying the paste to the substrate.

ペースト剤には、例えば、パラジウム(Pd)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)のうち1つもしくは2つ以上の元素を粒子状にしたものを含ませて、良好な水素透過性を示す膜を形成することが好ましい。
尚、水素脆化を抑える効果のある銀(Ag)を含ませることがより好ましい。
Examples of the paste include one of palladium (Pd), niobium (Nb), tantalum (Ta), lanthanum (La), titanium (Ti), zirconium (Zr), copper (Cu), and nickel (Ni). Alternatively, it is preferable to form a film showing good hydrogen permeability by including particles of two or more elements.
It is more preferable to include silver (Ag) that has an effect of suppressing hydrogen embrittlement.

また、ペースト法を用いる場合、金属レジネートをペースト剤に添加して基材との密着性を向上させることが好ましい。これにより基板とペースト法により形成した膜が剥離するのを防ぐことが可能となる。   Moreover, when using a paste method, it is preferable to add metal resinate to a paste agent and to improve adhesiveness with a base material. As a result, it is possible to prevent the film formed by the paste method from peeling off from the substrate.

金属レジネートは、金属樹脂酸塩であり、金属レジネートを含まない金属を直接熱処理する場合と比べて、樹脂が熱処理中に燃えることにより細かい金属が発生するようになる。この細かい金属がセラミックスへミクロ的に食い込む、すなわち、セラミックスへのアンカー効果を期待して配合されるものであり、例えば、硫化テレピネオールPdを挙げることができるが、これに限定されるものではない。   The metal resinate is a metal resinate, and a fine metal is generated by burning the resin during the heat treatment as compared with the case where the metal containing no metal resinate is directly heat-treated. This fine metal bites into the ceramic microscopically, that is, it is blended in anticipation of an anchoring effect on the ceramic, and examples thereof include, but are not limited to, terpineol sulfide Pd.

基板に金属レジネートを含むペースト剤を塗布した後、熱処理をおこなうとポア(穴)が発生する。このポアは、CO2を通過させてしまい、CO2に対して脆弱な本発明のプロトン導電性酸化物膜をCO2に曝すことになるため好ましくない。そこで、当該ポアを埋めるために、金属レジネートを含まないペーストをさらに重ね塗りして前記熱処理温度よりも高温で熱処理して水素透過膜をより緻密にすることが好ましい。 When a paste containing a metal resinate is applied to the substrate and then heat treatment is performed, pores (holes) are generated. The pores, will be passed through the CO 2, it is not preferable because that would expose the proton conductive oxide film of the fragile present invention CO 2 relative to CO 2. Therefore, in order to fill the pores, it is preferable to further coat a paste containing no metal resinate and heat-treat the paste at a temperature higher than the heat treatment temperature to make the hydrogen permeable film more dense.

Pd-Ag合金膜を形成する場合を例に挙げて説明すると以下のようになる。まず金属レジネートを含むペーストを基板に塗布し、200℃程度でペースト剤に含まれるバインダーを焼失させる。次いで、熱処理を行う。熱処理温度は900℃程度ではポアが無数に発生し、熱処理温度を上昇させるにつれてポア数は減少する。ただし、1300℃以上ではPd-Agが焼結し始めてポア径が増加する。よって、熱処理温度をxとすると、900℃<x<1300℃であればよいが、1100℃<x<1300℃であることが好ましく、最も好ましくはx≒1200℃である。   The case where a Pd—Ag alloy film is formed will be described below as an example. First, a paste containing a metal resinate is applied to a substrate, and the binder contained in the paste is burned off at about 200 ° C. Next, heat treatment is performed. An infinite number of pores are generated at a heat treatment temperature of about 900 ° C., and the number of pores decreases as the heat treatment temperature is raised. However, above 1300 ° C, Pd-Ag begins to sinter and the pore diameter increases. Therefore, if the heat treatment temperature is x, 900 ° C. <x <1300 ° C. may be satisfied, but 1100 ° C. <x <1300 ° C. is preferable, and x≈1200 ° C. is most preferable.

上記の最も好ましい熱処理温度である1200℃で熱処理を施してもポアは発生する。そこで、当該ポアを埋めるため、ペーストを重ね塗りする。ここで、重ね塗りをおこなうためのペーストとしてはポアが発生しにくい金属レジネートを含まないペーストが好ましい。これを一層目の膜を熱処理した温度よりも高温の1300℃程度で熱処理することにより、ポアが焼失し、かつ緻密な膜を形成することが可能となる。   Even when heat treatment is performed at 1200 ° C., which is the most preferable heat treatment temperature, pores are generated. Therefore, in order to fill the pores, the paste is repeatedly applied. Here, as the paste for performing the overcoating, a paste not containing a metal resinate that is less likely to generate pores is preferable. When this is heat-treated at a temperature of about 1300 ° C., which is higher than the temperature at which the first film is heat-treated, the pores are burned out and a dense film can be formed.

次に、さらに緻密な膜を形成して複合界面の連続接合状態をより良好なものとするための好ましい手段としては、物理堆積法(PVD法)、化学堆積法(CVD法)、放電重合法、ゾル−ゲル法、電解めっき法、無電解めっき法、スクリーン法等が挙げられるが、コスト面、成膜簡易性および成膜均一性の観点から、無電解めっき法を採用することが最も好ましい。   Next, as a preferable means for forming a denser film and improving the continuous bonding state of the composite interface, physical deposition method (PVD method), chemical deposition method (CVD method), discharge polymerization method Sol-gel method, electroplating method, electroless plating method, screen method, etc., but from the viewpoint of cost, film formation simplicity and film formation uniformity, it is most preferable to employ the electroless plating method. .

ここで、プロトン導電性酸化物膜はプロトン導電性は有するものの、電子導電性は有しないため、めっきされにくい。そこで無電解めっき処理を施す前に基板にめっき反応に対する活性を付与する必要がある。非導電性基板に無電解めっきを施す方法としては、湿式法による代表的な活性触媒化前処理である二液法(センシタイゼーション−アクチベーション法)を採用して、基板にめっき反応に対する活性を付与する触媒活性化前処理を行うようにすればよいが、めっき反応に対する活性を付与できるならば、この方法に限られるものではない。   Here, although the proton conductive oxide film has proton conductivity, it does not have electronic conductivity, and thus is difficult to be plated. Therefore, it is necessary to impart an activity to the plating reaction to the substrate before performing the electroless plating treatment. As a method of applying electroless plating to a non-conductive substrate, a two-component method (sensitization-activation method), which is a typical pretreatment for the activation of a catalyst by a wet method, is adopted, and the substrate is activated for the plating reaction. The pretreatment for catalyst activation to be imparted may be performed, but it is not limited to this method as long as the activity for the plating reaction can be imparted.

ここで、無電解めっき法の採用にあたって、プロトン導電性酸化物膜上に膜形成するためにめっき浴を準備する必要がある。当該めっき浴中には、パラジウム(Pd)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、銀(Ag)等を含ませることで、目的とする水素透過膜の構成成分がめっきされて膜形成が可能となる。   Here, in adopting the electroless plating method, it is necessary to prepare a plating bath in order to form a film on the proton conductive oxide film. In the plating bath, palladium (Pd), niobium (Nb), tantalum (Ta), lanthanum (La), titanium (Ti), zirconium (Zr), copper (Cu), nickel (Ni), silver (Ag ) And the like, the constituent components of the target hydrogen permeable membrane are plated, and the film can be formed.

例として、Pd-Ag合金を無電解めっき法により形成する方法について説明する。プロトン導電性酸化物膜を基板としてめっき反応に対する活性を付与する。具体的にはSnCl2塩酸溶液とPdCl2塩酸溶液それぞれの溶液に基板を交互に浸漬し、Pd核を発生させる。次に、Pdめっき浴として、[Pd(NH3)4]Cl2・H2Oを含むアルカリ性溶液中にめっき反応に対する活性を付与した基板を浸漬し、Pd核を触媒としてその周囲にPdを析出させる。次に、Agめっき浴として[Pd(NH3)4]Cl2、AgNO3を含む溶液中にPdを析出させた基板を浸漬し、Agを析出させる。最後に、N2雰囲気にて熱処理することでプロトン導電性酸化物膜1と非常に良好に連続接合したPd-Ag緻密合金膜を得ることができる。 As an example, a method for forming a Pd—Ag alloy by an electroless plating method will be described. The proton conductive oxide film is used as a substrate to impart activity to the plating reaction. Specifically, the substrate is alternately immersed in each of the SnCl 2 hydrochloric acid solution and the PdCl 2 hydrochloric acid solution to generate Pd nuclei. Next, a Pd plating bath is immersed in an alkaline solution containing [Pd (NH 3 ) 4 ] Cl 2 .H 2 O so that the plating reaction is activated. Pd nucleus is used as a catalyst to surround Pd. Precipitate. Next, the substrate on which Pd is deposited is immersed in a solution containing [Pd (NH 3 ) 4 ] Cl 2 and AgNO 3 as an Ag plating bath to precipitate Ag. Finally, a Pd—Ag dense alloy film that is continuously bonded very well to the proton conductive oxide film 1 can be obtained by heat treatment in an N 2 atmosphere.

次に、プロトン導電性酸化物膜を薄膜化することがコスト低減の観点から好ましい。プロトン導電性酸化物薄膜を成膜する方法としてはスラリーコート法、スピンコーティング法、ディップ法、物理堆積法(PVD法)が挙げられるが、薄膜を形成することが可能であればこれらに限定されるものではない。尚、プロトン導電性酸化物膜はコストな問題を考えた場合、その厚さを50μm以下にするのがよく、35μm以下にするのがより好ましく、20μm以下にするのがさらに好ましい。ただし、プロトン導電性酸化物膜をここまで薄膜化すると電解質自立型構造をとることが難しくなるので、多孔質支持型構造とすることが好ましい。具体的には、多孔質支持体にプロトン導電性酸化物薄膜を成膜し、さらに水素透過薄膜を形成する。これにより低コストな電気化学デバイスの作製が可能となる。   Next, it is preferable to reduce the thickness of the proton conductive oxide film from the viewpoint of cost reduction. Examples of the method for forming a proton conductive oxide thin film include a slurry coating method, a spin coating method, a dip method, and a physical deposition method (PVD method). However, if a thin film can be formed, it is limited to these methods. It is not something. In view of cost problems, the proton conductive oxide film should have a thickness of 50 μm or less, more preferably 35 μm or less, and even more preferably 20 μm or less. However, if the proton conductive oxide film is thinned so far, it becomes difficult to have an electrolyte self-supporting structure, and therefore a porous support structure is preferable. Specifically, a proton conductive oxide thin film is formed on the porous support, and further a hydrogen permeable thin film is formed. This makes it possible to produce a low-cost electrochemical device.

尚、コスト面を考えた場合の水素透過膜の好適な膜厚は、1μm以下、より好ましくは0.5μm以下、さらに好ましくは0.1μm以下である。   In view of cost, a suitable thickness of the hydrogen permeable membrane is 1 μm or less, more preferably 0.5 μm or less, and further preferably 0.1 μm or less.

以上、プロトン導電性酸化物膜1と水素透過膜2とを複合膜化した電解質の最も好適な組み合わせは以下のようになる。すなわち、プロトン導電性酸化物膜1としてAサイトをバリウム(Ba)とし、Bサイトのセリウム(Ce)をイッテリビウム(Yb)、イットリウム(Y)、ディスプロシウム(Dy)、ガドリニウム(Gd)、サマリウム(Sm)、ネオジム(Nd)からなる群より選ばれた1種の希土類元素で一部置換したものを用い、水素透過膜2として無電解めっき法により形成したパラジウム(Pd)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)からなる群より選ばれた1種または2種以上、あるいはそれらと銀(Ag)の合金を成分とする膜を用いることが最も好適である。   As described above, the most preferable combination of the electrolyte in which the proton conductive oxide film 1 and the hydrogen permeable film 2 are combined is as follows. That is, as the proton conductive oxide film 1, the A site is barium (Ba), and the B site cerium (Ce) is ytterbium (Yb), yttrium (Y), dysprosium (Dy), gadolinium (Gd), samarium. Pd (Pd), niobium (Nb) formed by electroless plating as the hydrogen permeable membrane 2 using a material partially substituted with one kind of rare earth element selected from the group consisting of (Sm) and neodymium (Nd) One or more selected from the group consisting of tantalum (Ta), lanthanum (La), titanium (Ti), zirconium (Zr), copper (Cu) and nickel (Ni), or silver (Ag) It is most preferable to use a film containing an alloy of) as a component.

このように、プロトン導電性酸化物膜1と水素透過膜2とを複合膜化した電解質においては、水素のみが(具体的にはプロトンの形で)Pd膜を透過しAECeO3膜に達する。このため、AECeO3のCO2に対する脆弱性を克服でき、CO2を含むガス3の環境下でも使用できる電気化学デバイスの電解質として使用可能となる。このようなプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質は電気化学デバイスに適用して好適なものであり、一例を挙げれば、自動車排ガスのような水蒸気およびNOx を含有する排ガスを浄化するための排ガス浄化用デバイスとして適用することができる。こうした場合には、排ガス中の水蒸気を分解し、排ガス中にNOx の還元剤である水素を供給して当該NOx を分解することができる。 As described above, in the electrolyte in which the proton conductive oxide film 1 and the hydrogen permeable film 2 are combined, only hydrogen (specifically in the form of protons) passes through the Pd film and reaches the AECeO 3 film. Therefore, the vulnerability of AECeO 3 to CO 2 can be overcome, and it can be used as an electrolyte for an electrochemical device that can be used even in an environment of gas 3 containing CO 2 . Such a proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane electrolyte is suitable for application to an electrochemical device. For example, an exhaust gas containing water vapor and NOx such as automobile exhaust gas is purified. Therefore, it can be applied as an exhaust gas purification device. In such a case, the NOx can be decomposed by decomposing water vapor in the exhaust gas and supplying the NOx reducing agent hydrogen to the exhaust gas.

さらに、プロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質におけるカソード電極としては、銀(Ag)を用いることが好ましい。従来、カソード電極としては高コスト材料である白金(Pt)が用いられてきたが、白金(Pt)よりも銀(Ag)を用いた方が、コストを低減でき、カソード過電圧も低減できる点で好ましい。銀(Ag)の成膜法としてはペースト法等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。   Furthermore, it is preferable to use silver (Ag) as the cathode electrode in the proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane type electrolyte. Conventionally, platinum (Pt), which is a high-cost material, has been used as the cathode electrode, but using silver (Ag) rather than platinum (Pt) can reduce costs and reduce cathode overvoltage. preferable. Examples of the silver (Ag) film forming method include, but are not limited to, a paste method.

また、多孔質カソードをペロブスカイト構造を有する電子−酸化物イオン混合導電性酸化物単体もしくはペロブスカイト構造を有する電子−酸化物イオン混合導電性酸化物と銀(Ag)のサーメットとするのが好ましい。この場合にも白金(Pt)に比べコストを低減できる。ペロブスカイト構造を有する電子−酸化物イオン混合導電性酸化物としては、例えばLaMnO3やSrMnO3が挙げられるが、これらに限定されるものではない。プロトン導電性酸化物膜にこれらを良好に接触させるためにはプロトン導電性酸化物膜に対して電子−酸化物イオン混合導電性酸化物を押しつけながら熱処理を施すか、もしくは単にこれらの膜同士を接触させて熱処理すればよいがこれらの方法に限定されるものではない。 The porous cathode is preferably an electron-oxide ion mixed conductive oxide having a perovskite structure or a cermet of silver (Ag) and an electron-oxide ion mixed conductive oxide having a perovskite structure. Even in this case, the cost can be reduced as compared with platinum (Pt). Examples of the electron-oxide ion mixed conductive oxide having a perovskite structure include LaMnO 3 and SrMnO 3, but are not limited thereto. In order to bring these into good contact with the proton conductive oxide film, heat treatment is performed while pressing the proton-conductive oxide film with the electron-oxide ion mixed conductive oxide, or these films are simply bonded to each other. However, it is not limited to these methods.

上述した好適例にさらにカソード電極として銀(Ag)、ペロブスカイト構造を有する電子−酸化物イオン混合導電性酸化物単体もしくはペロブスカイト構造を有する電子−酸化物イオン混合導電性酸化物と銀(Ag)のサーメットを用いることで、電気化学デバイスとして非常に優れた構成となる。   In addition to the above-described preferred example, silver (Ag) as a cathode electrode, an electron-oxide ion mixed conductive oxide having a perovskite structure, or an electron-oxide ion mixed conductive oxide having a perovskite structure and silver (Ag) By using cermet, the structure is extremely excellent as an electrochemical device.

また、本実施形態における複合膜は多孔質支持体Sによって強度的に支持され、これによって薄膜化することが可能となっている。多孔質支持体Sは、例えば多孔質Niによって構成される。このように多孔質支持体Sによって複合膜を支持する場合の具体的な形態を以下に説明する(図30〜図34参照)。   In addition, the composite film in the present embodiment is strongly supported by the porous support S, and thus can be thinned. The porous support S is made of, for example, porous Ni. A specific form in the case where the composite membrane is supported by the porous support S will be described below (see FIGS. 30 to 34).

まず、複合膜の面のうちアノードガス(CO2を含むガス)側の表面に多孔質支持体Sが形成されているというものである(図30参照)。この複合膜のアノードガス側と反対側の表面には多孔質カソード(図30〜図34中において符号4で示す)が形成されている(図30参照)。ちなみに、本実施形態における多孔質カソード4の厚さは40μmであるがこれは一例に過ぎずこの厚さに限定されるわけではない。また、本実施形態においては多孔質支持体Sと多孔質カソード4とが別個に設けられているが(図30参照)、多孔質カソード4自体に多孔質支持体としての機能を備えさせることも可能である(図32参照)。多孔質支持体Sはガスの拡散を妨げることなく、0.002〜3μm、好ましくは0.004〜0.5μmの最高を有するものを適宜選択して使用することが可能である。具体的には、例えば、0.1〜0.5μmの細孔を有するNi-YSZサーメット多孔体またはNi-Al2O3サーメット多孔体などを例示できる。これにより、水素透過膜(例えばPd金属)2の薄膜化を可能とするため、各種電気化学デバイスとして好適な膜厚を設定することが可能となる。また、600℃以下の低温になれば、アノード側に設けられる多孔質支持体Sには金属NiまたはNi合金、カソード側に設けられる多孔質支持体SにはSUS316L、SUS310SなどのSUS材が使用可能となる。 First, the porous support S is formed on the surface of the composite membrane on the anode gas (gas containing CO 2 ) side (see FIG. 30). A porous cathode (indicated by reference numeral 4 in FIGS. 30 to 34) is formed on the surface of the composite membrane opposite to the anode gas side (see FIG. 30). Incidentally, although the thickness of the porous cathode 4 in this embodiment is 40 μm, this is only an example and is not limited to this thickness. In the present embodiment, the porous support S and the porous cathode 4 are provided separately (see FIG. 30), but the porous cathode 4 itself may be provided with a function as a porous support. It is possible (see FIG. 32). As the porous support S, one having a maximum of 0.002 to 3 μm, preferably 0.004 to 0.5 μm can be appropriately selected and used without hindering gas diffusion. Specifically, for example, a Ni—YSZ cermet porous body or a Ni—Al 2 O 3 cermet porous body having pores of 0.1 to 0.5 μm can be exemplified. Thereby, since the hydrogen permeable membrane (for example, Pd metal) 2 can be thinned, it is possible to set a film thickness suitable for various electrochemical devices. When the temperature is 600 ° C. or lower, the porous support S provided on the anode side is made of metal Ni or Ni alloy, and the porous support S provided on the cathode side is made of SUS material such as SUS316L or SUS310S. It becomes possible.

また、複合膜の面のうちアノードガス(CO2を含むガス)側の表面に多孔質支持体Sを形成し、尚かつアノードガスとは反対側の面にプロトン(H+)が通過可能な別の水素透過膜2’を形成することもできる(図31参照)。多孔質支持体Sは水素透過を妨げることなく水素透過膜(例えばPd金属)2,2’の薄膜化を可能とする。また、カソード側を流れるガス(酸化剤ガス)5中にCO2が含まれている場合にも、プロトン導電性酸化物膜1を覆う水素透過膜2’がこのプロトン導電性酸化物膜1のCO2に対する脆弱性を克服する。 In addition, the porous support S is formed on the surface of the composite membrane on the anode gas (gas containing CO 2 ) side, and proton (H + ) can pass on the surface opposite to the anode gas. Another hydrogen permeable membrane 2 ′ can be formed (see FIG. 31). The porous support S makes it possible to reduce the thickness of the hydrogen permeable membrane (for example, Pd metal) 2, 2 ′ without hindering hydrogen permeation. Further, even when the gas (oxidant gas) 5 flowing on the cathode side contains CO 2 , the hydrogen permeable membrane 2 ′ covering the proton conductive oxide film 1 is formed of the proton conductive oxide film 1. Overcoming vulnerability to CO 2

図32に示すように、複合膜のアノードガス側とは反対側の表面に形成された多孔質カソード4を多孔質支持体Sとして機能させることもできる(図32参照)。この場合、多孔質カソード4が基材としても機能し、複合膜を強度的に支持するため、水素透過を妨げることなくPd等の水素透過膜2を薄膜化することが可能となる。   As shown in FIG. 32, the porous cathode 4 formed on the surface opposite to the anode gas side of the composite membrane can also function as the porous support S (see FIG. 32). In this case, since the porous cathode 4 also functions as a substrate and strongly supports the composite membrane, the hydrogen permeable membrane 2 such as Pd can be thinned without interfering with hydrogen permeation.

図33に示すように、複合膜のうちアノードガス側とは反対側の表面に多孔質カソード4を形成し、さらにこの多孔質カソード4のカソード側表面に多孔質支持体Sを形成することもできる(図33参照)。この場合にも、水素透過を妨げることなくPd等の水素透過膜単独の薄膜化が可能となる。   As shown in FIG. 33, the porous cathode 4 may be formed on the surface of the composite membrane opposite to the anode gas side, and the porous support S may be further formed on the cathode side surface of the porous cathode 4. Yes (see FIG. 33). Also in this case, it becomes possible to reduce the thickness of a hydrogen permeable film such as Pd alone without hindering hydrogen permeation.

図34に示すように、複合膜のアノードガス側とは反対側の表面にプロトン(H+)が通過可能な別の水素透過膜2’を形成し、さらにこの水素透過膜2’のカソード側表面に多孔質支持体Sを形成することもできる(図34参照)。この場合、プロトン導電性酸化物膜1の両面に保護膜が形成された状態となっている。したがって、カソード側を流れるガス(酸化剤ガス)5中にCO2が含まれていても、プロトン導電性酸化物膜(AECeO3)1のCO2に対する脆弱性を克服してCO2を含むガス雰囲気環境下でも使用することが可能となる。 As shown in FIG. 34, another hydrogen permeable membrane 2 ′ through which protons (H + ) can pass is formed on the surface opposite to the anode gas side of the composite membrane, and further, the cathode side of this hydrogen permeable membrane 2 ′. A porous support S can also be formed on the surface (see FIG. 34). In this case, a protective film is formed on both surfaces of the proton conductive oxide film 1. Therefore, even if CO 2 is contained in the gas (oxidant gas) 5 flowing on the cathode side, the gas containing CO 2 by overcoming the vulnerability of the proton conductive oxide film (AECeO 3 ) 1 to CO 2 is overcome. It can be used even in an atmospheric environment.

以上が本発明の好適な実施形態であるが、ここで説明したのは好適な実施の一例に過ぎず、これに限定されることなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施が可能である。例えば、上述したような排ガス浄化用デバイスに限らず、燃料電池、水素センサー、水素ポンプ、水蒸気センサーなどの電気化学デバイスに適用して好適なものである。   The above is a preferred embodiment of the present invention. However, what has been described here is merely an example of the preferred embodiment, and the present invention is not limited to this, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. is there. For example, the present invention is not limited to the exhaust gas purification device described above, and is suitable for application to electrochemical devices such as fuel cells, hydrogen sensors, hydrogen pumps, and water vapor sensors.

なお、本明細書では「プロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質」を中心に説明しているが、ここでいう「複合膜型」としては、物理的に接合されている場合と化学的に接合されている場合の両方が考えられる。仮に化学的な接合であると考えると、両膜の間に中間生成物が存在しこれがプロトン移動の高抵抗層になる可能性がある一方で、中間生成物が逆に高プロトン導電層になる可能性も存在する。以上を考慮すると、化学的接合の場合にはプロトン移動の高抵抗層が存在しないことが条件になる。   In this specification, “proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane type electrolyte” is mainly described. However, the “composite membrane type” referred to here is a case where they are physically bonded. And chemically bonded together are conceivable. If it is considered to be a chemical junction, an intermediate product exists between the two membranes, which may become a high resistance layer for proton transfer, while the intermediate product becomes a high proton conductive layer. There is also a possibility. In consideration of the above, in the case of chemical bonding, it is a condition that there is no proton transfer high resistance layer.

また、本発明を例えば排ガス浄化用電気化学デバイスに適用する場合にあっては、以下に述べるPd/SCO複合膜(SCOはSrCe0.95Yb0.05O3-aのことであり、以下単にSCOと呼ぶ)が、Pd薄膜によって両側が覆われる構造を有するPd/SCO/Pd電解質膜であることが望ましい。電気化学デバイスを排ガス中で使用する際にはアノードおよびカソードともに排ガス中に曝されているので、カソード側もPd電解質膜で覆うことによってこちら側がCO2と反応して分解してしまうことが防止できる。 In addition, when the present invention is applied to, for example, an electrochemical device for exhaust gas purification, the Pd / SCO composite film described below (SCO is SrCe 0.95 Yb 0.05 O 3-a , hereinafter simply referred to as SCO). ) Is preferably a Pd / SCO / Pd electrolyte membrane having a structure in which both sides are covered with a Pd thin film. When an electrochemical device is used in exhaust gas, both the anode and cathode are exposed to the exhaust gas, so that the cathode side is also covered with a Pd electrolyte membrane to prevent this side from reacting with CO 2 and decomposing. it can.

続いて、以下では実際に行った実験および検討の具体的内容を実施例として示しつつ、まず金属/酸化物複合膜型電解質の概念について説明し、その後、本発明にかかるAECeO3のCO2に対する脆弱性克服の確認をするための実験内容を説明していく。 Next, the concept of the metal / oxide composite membrane type electrolyte will be described first, while showing the concrete contents of the experiments and examinations actually performed as examples below, and then the AECeO 3 according to the present invention with respect to CO 2 We will explain the contents of the experiment to confirm the overcoming of the vulnerability.

[実施例1]
本発明者は、本発明にかかるプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質の有効性を検証するため、Pd/AECeO3複合膜を成膜し、CO2を含む燃料を用いる燃料電池での発電の可能性を確認した。これは、主として、「CO2に対する脆弱性の克服の確認」や「電気化学デバイスのセル構造」について検証するとともに、水素センサー、水素ポンプ、燃料電池といった各種電気化学デバイスへの適用を検討したものである。
[Example 1]
In order to verify the effectiveness of the proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane electrolyte according to the present invention, the present inventor formed a Pd / AECeO 3 composite membrane and used a fuel containing CO 2 The possibility of power generation with batteries was confirmed. This is mainly a verification of “overcoming vulnerability to CO 2 ” and “cell structure of electrochemical device”, as well as examination of application to various electrochemical devices such as hydrogen sensors, hydrogen pumps, and fuel cells. It is.

なお、本実施例においては、固相である金属(Pd)と固相である酸化物(AECeO3)との界面(固/固界面)を連続とし、この固/固界面を、固相と液相との界面(固/液界面)と同様の接合状態とすることを念頭においた。これは、マクロレベルでは両者に差異はないもののミクロレベルにおいて比較すると大きな隔たりが生じること、より具体的には、電解質に液相が使用されている場合には固/液界面においてプロトンが連続移動できる一方で、固/固界面においては図29に示すように不連続面が生じ、
・界面に生じるミクロな空間が電気化学的抵抗となって性能が低下する
・界面では極度な還元雰囲気となり、酸化物が還元されて材料が劣化する
といったことが生じるおそれがあることによる。つまり、固/固界面においては特にプロトンの連続した導電が重要であり、固/液界面と同様の接合状態を実現する必要がある。ちなみに、固/液界面では、液体を保持する容器として金属Pd膜が必要とされているのに対し、固/固界面ではセラミックのCO2耐性を金属Pd膜で覆い確保するという点で差異がある。
In this example, the interface (solid / solid interface) between the solid phase metal (Pd) and the solid phase oxide (AECeO 3 ) is continuous, and this solid / solid interface is defined as the solid phase. It was kept in mind that the bonding state was the same as the interface with the liquid phase (solid / liquid interface). Although there is no difference between the two at the macro level, there is a large gap when compared at the micro level. More specifically, when a liquid phase is used as the electrolyte, protons move continuously at the solid / liquid interface. On the other hand, at the solid / solid interface, a discontinuous surface occurs as shown in FIG.
-The micro space generated at the interface becomes an electrochemical resistance and the performance is deteriorated.-The interface becomes an extreme reducing atmosphere, and the oxide may be reduced and the material may be deteriorated. In other words, continuous conduction of protons is particularly important at the solid / solid interface, and it is necessary to realize a bonding state similar to that at the solid / liquid interface. Incidentally, the metal / Pd film is required as a container to hold the liquid at the solid / liquid interface, while the difference is that the metal / Pd film covers the CO 2 resistance of the ceramic at the solid / solid interface. is there.

以下では、
(1)金属/酸化物複合膜型電解質の作製
(2)CO2雰囲気連続暴露試験による複合膜のCO2耐性の確認
(3)Pd/SCO複合膜のプロトン導電性
(4)Pd/SCO複合膜を用いた燃料電池発電
という項目に分け、この項目に沿って説明する。
Below,
(1) Preparation of metal / oxide composite membrane type electrolyte (2) Confirmation of CO 2 resistance of composite membrane by CO 2 atmosphere continuous exposure test (3) Proton conductivity of Pd / SCO composite membrane (4) Pd / SCO composite The fuel cell power generation using a membrane is divided into items, and the description will be made along this item.

(1)金属/酸化物複合膜型電解質の作製
(1.1)水素透過膜2の検討
水素透過膜2として必要な水素透過能力をもつ金属材料のほとんどは、水素雰囲気下では自己崩壊を起こすことが知られている。これらの金属は、水素の圧力と温度に応じて多量の水素を吸収し、相変態する性質がある。相変態は、金属格子を拡張するため金属内に歪みが生じ、塑性変形(水素脆化)する。水素透過膜2として、注目されるPd膜も例外ではなく、水素脆化による膜の寿命が問題となる。しかし、Pdは、Agが置換型固溶し合金化した状態では、Agが水素原子と相互作用し、相変態を緩和するとされている。また、Agが適量固溶すると水素の拡散係数は減少するが、水素の溶解度は増加し、合金化により水素透過係数が増加する。このため、近年、燃料電池や半導体産業など、高純度水素を必要とする分野において、Pd−Ag合金膜を利用した水素分離膜の研究が盛んに行われている。そこで本発明者は、酸化物の複合材として上記のPd−Ag合金に着目した。
(1) Fabrication of metal / oxide composite membrane type electrolyte (1.1) Examination of hydrogen permeable membrane 2 Most metal materials having the hydrogen permeable ability required as the hydrogen permeable membrane 2 cause self-collapse in a hydrogen atmosphere. It is known. These metals have a property of absorbing a large amount of hydrogen in accordance with the pressure and temperature of hydrogen and causing phase transformation. In the phase transformation, the metal lattice is expanded, strain is generated in the metal, and plastic deformation (hydrogen embrittlement) occurs. As the hydrogen permeable membrane 2, a Pd membrane which is attracting attention is no exception, and the lifetime of the membrane due to hydrogen embrittlement becomes a problem. However, Pd is said to relax phase transformation when Ag interacts with hydrogen atoms in a state where Ag is substitutional solid solution and alloyed. In addition, when a proper amount of Ag is dissolved, the diffusion coefficient of hydrogen decreases, but the solubility of hydrogen increases and the hydrogen permeation coefficient increases due to alloying. For this reason, in recent years, research on hydrogen separation membranes using Pd—Ag alloy membranes has been actively conducted in fields that require high-purity hydrogen such as fuel cells and semiconductor industries. Therefore, the present inventor paid attention to the Pd—Ag alloy as an oxide composite material.

(1.2)ペースト組成
本実施例では、Pd−Ag合金膜をペースト法にて作製した。Pd−Agペーストは、表1に示す性状のPdおよびAg金属粉末、溶剤(αテレピネオール)、バインダー(エチルセルロース、および酸化物とのアンカー効果を期待して金属レジネート:硫化テレピネオールPd)を適量混練し作製した。なお、金属レジネートは、金属樹脂酸塩であり、金属レジネートを含まないPdを直接熱処理する場合と比べて、樹脂が熱処理中に燃えて細かいPd金属が発生するようになる。この細かいPd金属がセラミックスへミクロ的に食い込む、すなわち、セラミックスへのアンカー効果を期待して配合したものである。Pd/Ag混合比(wt%)は、水素透過能が最も優れると報告されているPd/Ag=77/23を仕込み組成とし、金属レジネートを含むペースト(AR)および金属レジネートを含まないペースト(AN)の2種類を作製した。
(1.2) Paste composition In this example, a Pd-Ag alloy film was produced by a paste method. The Pd-Ag paste is prepared by kneading an appropriate amount of Pd and Ag metal powder, solvent (α terpineol), binder (ethylcellulose, and metal resinate: terpineol sulfide Pd) in anticipation of an anchor effect with oxides. Produced. The metal resinate is a metal resinate, and the resin burns during the heat treatment to generate fine Pd metal as compared with the case of directly heat-treating Pd not containing the metal resinate. This fine Pd metal bites into the ceramic microscopically, that is, it is blended in anticipation of an anchor effect on the ceramic. The Pd / Ag mixing ratio (wt%) was prepared by using Pd / Ag = 77/23, which is reported to have the best hydrogen permeability, and a paste containing a metal resinate (AR) and a paste containing no metal resinate ( AN) was produced.

(1.3)アルミナ基板上への成膜
熱処理温度を決定するために、アルミナ基板上にPd−Agの成膜を試みた。アルミナ基板にペースト(AR)を塗布し、雰囲気炉にて、200℃、空気中でバインダーを焼失させた後、900, 1000, 1100, 1200, 1300℃でアニール処理を1時間施し、熱処理温度を比較した。その結果を図6に示す。900℃では、膜表面に無数の穴が空いているが、アニール温度を上昇すると徐々にその数が減少した。しかし、1300℃以上になると逆に穴の径が大きくなった。これは、Pd−Agが焼結し始めたことを意味する。また、金属レジネートを添加しないペースト(AN)を使用したところ、1200℃以下では、膜の剥離が観察された。金属レジネートを添加したペーストを使用した場合には膜の剥離は起こらなかったことから、金属レジネートを用いることでアンカー効果を有するようになることが確認された。さらに、金属レジネートを添加しないペースト(AN)を使用して1300℃で熱処理した場合には剥離はなく、また、ARほどポア数は多くならなかった。
(1.3) Film Formation on Alumina Substrate In order to determine the heat treatment temperature, Pd-Ag film formation was tried on the alumina substrate. Apply paste (AR) to alumina substrate, burn out the binder in air at 200 ° C in an atmospheric furnace, and then anneal at 900, 1000, 1100, 1200, 1300 ° C for 1 hour to increase the heat treatment temperature. Compared. The result is shown in FIG. At 900 ° C, innumerable holes were formed on the film surface, but the number gradually decreased with increasing annealing temperature. However, when the temperature exceeded 1300 ° C, the hole diameter increased. This means that Pd-Ag has started to sinter. When a paste (AN) to which no metal resinate was added was used, peeling of the film was observed at 1200 ° C. or lower. When the paste added with the metal resinate was used, no peeling of the film occurred, and it was confirmed that the metal resinate has an anchor effect. Furthermore, when heat treatment was performed at 1300 ° C. using a paste (AN) to which no metal resinate was added, there was no peeling and the number of pores did not increase as much as AR.

ARでは、熱処理温度1200℃において、最もポア数が少ない結果となったが、依然として、ポアが観察され、完全な緻密膜ではなかった。そこで、残ったポアを埋めつつ、より高温で熱処理して膜の緻密化を図るため、成膜した前述の膜の上に1300℃でも熱処理しても金属レジネートを添加したペースト(AR)に比べてポアの発生量が少ない金属レジネートを添加しないペースト(AN)を重ね塗りし、1300℃でアニール処理を施した。図7にその結果を示す。重ね塗り処理により、ほとんどのポアが消失した。以上より、金属レジネートを添加したペースト(AR)をアルミナ基板上に塗布して1200℃で熱処理しPd−Ag膜を形成した後に、金属レジネートを添加しないペースト(AN)を当該Pd−Ag膜上に重ね塗りして1300℃で熱処理を施す成膜法が成膜条件として好ましいと判断した。   In AR, the number of pores was the smallest at a heat treatment temperature of 1200 ° C., but pores were still observed and the film was not completely dense. Therefore, to fill the remaining pores and heat treatment at a higher temperature to make the film denser, compared to the paste (AR) to which the metal resinate is added even if heat-treated at 1300 ° C on the above-mentioned film formed. Then, a paste (AN) not added with a metal resinate with a small amount of pores was repeatedly applied and annealed at 1300 ° C. FIG. 7 shows the result. Most pores disappeared by the overcoating process. From the above, after applying the paste (AR) added with the metal resinate on the alumina substrate and heat-treating at 1200 ° C. to form the Pd-Ag film, the paste (AN) without adding the metal resinate was applied on the Pd-Ag film. It was judged that the film forming method in which the film was overcoated and heat-treated at 1300 ° C. was preferable as the film forming condition.

(1.4)SrCeO3基板上への成膜
次にAECeO3基板上へのPd膜の成膜を試みた。AECeO3基板は、まず入手が容易なTYK社製のSrCe0.95Yb0.05O3-a(SCO)のうち、φ16.8mm、厚さ1.0μm、相対密度95%以上のものの緻密体を選定した。成膜条件には、前節(1.3)のアルミナ上への成膜条件を用いた。結果を図8に示す。SCO基板においても、アルミナ基板と同様の成膜条件、すなわち、金属レジネートを添加したペースト(AR)をSCO基板上に塗布して1200℃で熱処理しPd−Ag膜を形成した後に、金属レジネートを添加しないペースト(AN)を当該Pd−Ag膜上に重ね塗りして1300℃で熱処理することで、緻密かつほとんどのポアが消失した膜の形成が可能であることが確認された。
(1.4) Film formation on SrCeO 3 substrate Next, an attempt was made to form a Pd film on the AECeO 3 substrate. As the AECeO 3 substrate, a dense body having a diameter of 16.8 mm, a thickness of 1.0 μm, and a relative density of 95% or more among SrCe 0.95 Yb 0.05 O 3-a (SCO) manufactured by TYK was easily selected. As the film forming conditions, the film forming conditions on the alumina described in the previous section (1.3) were used. The results are shown in FIG. Also on the SCO substrate, the same deposition conditions as the alumina substrate, that is, the paste (AR) added with the metal resinate was applied on the SCO substrate and heat treated at 1200 ° C. to form the Pd-Ag film, and then the metal resinate was added. It was confirmed that it was possible to form a dense film in which most pores disappeared by repeatedly applying the paste (AN) not added to the Pd-Ag film and heat-treating it at 1300 ° C.

(1.5)Pd/SCO複合膜の密着性
Pd-Ag膜とSCO基板との密着性を確認するため、試料断面を鏡面仕上げして光学顕微鏡によりその断面を観察(観察倍率×500)した。結果を図9に示す。Pd-Ag膜は、SCO基板に非常に良く密着しており、引っ掻き試験においてもPd膜が剥がれないことを確認した。更に、SCO基板が相対密度約95%以上の緻密膜でありながらクローズドポアを含有していることも確認された。一方、Pd膜にはほとんどポアはなく、非常に緻密な膜として成膜していることが確認できた。膜厚は、約65μmであった。
(1.5) Adhesion of Pd / SCO composite film
In order to confirm the adhesion between the Pd-Ag film and the SCO substrate, the sample cross section was mirror finished and the cross section was observed with an optical microscope (observation magnification × 500). The results are shown in FIG. The Pd-Ag film was very well adhered to the SCO substrate, and it was confirmed that the Pd film was not peeled off in the scratch test. Furthermore, it was confirmed that the SCO substrate was a dense film having a relative density of about 95% or more but contained closed pores. On the other hand, it was confirmed that the Pd film had almost no pores and was formed as a very dense film. The film thickness was about 65 μm.

(1.6)EPMAによる複合膜の断面観察
膜の元素分析をEPMA(Electron Probe MicroAnalyzer: JEOL, JXA-8900R)によって行った。EPMAによるPd、Ag、Ce、Srの特性X線像を図10に示す。各膜成分元素の拡散は確認されず、成膜した膜は、化学拡散を伴わずに物理的に良く密着して複合化していることがわかった。また、1300℃という高温での熱処理において元素相互の拡散がなかったことは、Pd-Ag相とSCO相との間に化学的反応が全くないことを示した結果とも言える。したがって、Pd/SCO複合膜は、Pd-Ag膜およびSCO基板各々の物性を維持して複合していると考えられる。更に、Pd-Ag膜は、ペースト作製仕込み初期には、それぞれPd粒子、Ag粒子であったが、Pd, Ag元素の偏在化なしに、均一に合金化していることが確認できた。
(1.6) Cross-sectional observation of composite film by EPMA Elemental analysis of the film was performed by EPMA (Electron Probe MicroAnalyzer: JEOL, JXA-8900R). A characteristic X-ray image of Pd, Ag, Ce, and Sr by EPMA is shown in FIG. Diffusion of each film component element was not confirmed, and it was found that the formed film was physically well adhered and compounded without chemical diffusion. Moreover, it can be said that the fact that there is no mutual diffusion in the heat treatment at a high temperature of 1300 ° C. shows that there is no chemical reaction between the Pd—Ag phase and the SCO phase. Therefore, it is considered that the Pd / SCO composite film is composited while maintaining the physical properties of the Pd-Ag film and the SCO substrate. Furthermore, although the Pd-Ag film was Pd particles and Ag particles in the initial stage of paste preparation, it was confirmed that they were uniformly alloyed without uneven distribution of Pd and Ag elements.

次に、EDX解析より、Pd-Ag膜組成の分析を行った。図11に、標準試料を用いたEDX測定(Energy Dispersive X-ray Analysis:エネルギー分散型X線解析の略)の実測値による組成補正を行った結果を示す。仕込み組成はPd/Ag=77/23であったのに対して、成膜後の組成はPd/Ag=84.9/15.1となり、Ag成分がかなり減少した結果となった。これはアニール処理温度が大きく影響していると考えられる。Pd-Ag二元系相図を図12に示す。PdとAgは互いに同じ立方晶の結晶構造を持ち、全率固溶体を形成することが知られている。Agの融点(962℃)は、Pd(約1555℃)と比較してかなり低く、アニール処理昇温中に、まずAg粒子が最初に溶解すると考えられる。EPMAの結果から、SCO膜内へのAgの拡散は確認できなかったが、Pd-Ag膜ではPd元素に関しては均一に分布しているが、Ag元素に関しては、表面からSCO膜界面へ僅かに濃度分布が確認された。このことは溶解したAg粒子が膜表面より昇温とともに蒸発するため、表面側に向かうにつれて僅かにAg濃度が低くなり、最終的にPdと合金化するAgの濃度分布が生じたものと考えられ、トータルのAg量も減少したものと考えられる。   Next, the Pd-Ag film composition was analyzed by EDX analysis. FIG. 11 shows the result of composition correction based on actual measurement values of EDX measurement (Energy Dispersive X-ray Analysis) using a standard sample. While the charged composition was Pd / Ag = 77/23, the composition after the film formation was Pd / Ag = 84.9 / 15.1, indicating that the Ag component was considerably reduced. This is considered to be greatly affected by the annealing temperature. The Pd-Ag binary phase diagram is shown in FIG. It is known that Pd and Ag have the same cubic crystal structure and form a complete solid solution. The melting point of Ag (962 ° C.) is considerably lower than that of Pd (about 1555 ° C.), and it is considered that the Ag particles first dissolve first during the annealing process. From the results of EPMA, the diffusion of Ag into the SCO film was not confirmed, but in the Pd-Ag film, the Pd element is uniformly distributed, but the Ag element is slightly from the surface to the SCO film interface. Concentration distribution was confirmed. This is because the dissolved Ag particles evaporate as the temperature rises from the film surface, so the Ag concentration slightly decreases toward the surface side, and it is thought that the concentration distribution of Ag that eventually alloyed with Pd was generated. The total amount of Ag is also considered to have decreased.

(2)CO2雰囲気連続暴露試験による複合膜のCO2耐性の確認
作製した複合膜のCO2に対する耐性を確認するために、CO2雰囲気における連続暴露試験を行った。
(2) To confirm the CO 2 resistance resistance to CO 2 confirmation fabricated composite membrane of the composite membrane by CO 2 atmosphere continuous exposure test was carried out continuous exposure tests in CO 2 atmosphere.

(2.1)実験方法
試験に供した試料は、2種類(SCO基板、Pd/SCO複合膜基板)である。Pd/SCO基板は、上述した(1.1)〜(1.6)における成膜条件、すなわち、SCO基板全体に金属レジネートを添加したペースト(AR)を塗布して1200℃で熱処理しPd−Ag膜を形成した後に、金属レジネートを添加しないペースト(AN)を当該Pd−Ag膜上に重ね塗りして1300℃で熱処理することで、SCO相の露出面をなくした。双方の試料をアルミナフェルトの上に置き、管状炉内にセットした。CO2耐性試験は、管状炉内を真空にした後、CO2雰囲気で行った。CO2暴露時間は10時間とし、温度は650℃で一定とした。
(2.1) Experimental method There are two types of samples used for the test (SCO substrate, Pd / SCO composite film substrate). The Pd / SCO substrate was subjected to the film formation conditions in (1.1) to (1.6) described above, that is, the paste (AR) added with a metal resinate was applied to the entire SCO substrate and heat-treated at 1200 ° C. After forming the Ag film, a paste (AN) to which no metal resinate was added was overcoated on the Pd-Ag film and heat-treated at 1300 ° C. to eliminate the exposed surface of the SCO phase. Both samples were placed on an alumina felt and set in a tubular furnace. The CO 2 resistance test was performed in a CO 2 atmosphere after evacuating the tube furnace. The CO 2 exposure time was 10 hours, and the temperature was constant at 650 ° C.

(2.2)XRDによる複合膜の表面組成解析
CO2曝露試験後のXRD解析結果を図13に示す。Pd/SCO板は、SCO層の分析を行うために表面のPd膜を剥がした。熱処理前のSCO基板のピークと比較して、CO2暴露後のSCO基板のピークでは、ほぼCeO2およびSrCO3に帰属する回折ピークを示し、SCO相が完全に分解したことを確認した。一方、Pd/SCO基板では、ほぼSCO相のみに帰属する回折ピークを示しており、Pd膜との複合化により、SCO相のCO2に対する脆弱性が克服されることを明らかとした。
(2.2) Surface composition analysis of composite film by XRD
The XRD analysis results after the CO 2 exposure test are shown in FIG. The Pd / SCO plate was peeled off from the Pd film on the surface to analyze the SCO layer. Compared with the peak of the SCO substrate before the heat treatment, the peak of the SCO substrate after the CO 2 exposure almost showed diffraction peaks attributed to CeO 2 and SrCO 3 , and it was confirmed that the SCO phase was completely decomposed. On the other hand, the Pd / SCO substrate showed a diffraction peak almost exclusively attributed to the SCO phase, and it was clarified that the vulnerability to the CO 2 of the SCO phase was overcome by combining with the Pd film.

(3)Pd/SCO複合膜のプロトン導電性
(3.1)実験方法
Pd/SCO複合膜のプロトン導電性を確認するために、(1)水素濃淡電池法により得られる起電力から、導電種がイオンであるか否かを判断し、(2)水素の電気化学的透過法により、直接、プロトンを導電種として同定した。以下に、上記2種類の測定法を説明する。
(3) Proton conductivity of Pd / SCO composite membrane (3.1) Experimental method
In order to confirm the proton conductivity of the Pd / SCO composite membrane, (1) from the electromotive force obtained by the hydrogen concentration cell method, it is determined whether or not the conductive species are ions, and (2) the electrochemical nature of hydrogen. Proton was directly identified as a conductive species by the transmission method. Below, the two types of measurement methods will be described.

(3.1.1)水素濃淡電池法
プロトン導電体を挟む両側に水素の活量差(濃度差)が生じると、その活量差に応じた起電力を示す。水素の濃淡差を用いた水素濃淡電池の作動原理を図14に示す。プロトン導電性固体を電解質隔壁とし、その両面に多孔質電極を取り付けて二つの電極室とし、一方に高水素分圧のガスを、もう一方に低水素分圧のガスを導入すると、高水素分圧側を負極として起電力が発生する。このときの電池構成は、式(化学式)11のように表され、負極(アノード)と正極(カソード)で化学式12,13のような電極反応が生じようとして、ネルンストの式(化学式14)から導出される起電力E(V)が発生する。
(3.1.1) Hydrogen concentration cell method When a hydrogen activity difference (concentration difference) occurs on both sides of the proton conductor, an electromotive force corresponding to the activity difference is shown. FIG. 14 shows the operating principle of a hydrogen concentration cell using the difference in concentration of hydrogen. Proton conductive solid is used as an electrolyte partition, and porous electrodes are attached to both sides to form two electrode chambers. When a high hydrogen partial pressure gas is introduced into one and a low hydrogen partial pressure gas is introduced into the other, a high hydrogen content is obtained. An electromotive force is generated with the pressure side as the negative electrode. The battery configuration at this time is expressed as Formula (Chemical Formula) 11, and an electrode reaction like Chemical Formulas 12 and 13 is about to occur between the negative electrode (anode) and the positive electrode (cathode). A derived electromotive force E (V) is generated.

ここで、Rは気体定数(8.314JK-1mol-1)、Tは絶対温度(K)、Fはファラデー定数(96485Cmol-1)、PH2(1)とPH2(2)は、アノードおよびカソードの水素分圧である。化学式14において一方の水素分圧(例えばPH2(1))を固定すれば、図15に示すように、起電力はもう一方の水素分圧(この場合、PH2(2))の対数に対して直線関係となる。また、測定した起電力Eを化学式14より求めた理論起電力E0で除した値は、その条件におけるイオン輸率とみなすことができる。尚、プロトン導電体を挟む両側に水素の活量差(濃度差)が生じると、その活量差に応じた起電力を示すことを利用して、これを水素センサーに適用することが可能である。 Where R is the gas constant (8.314 JK −1 mol −1 ), T is the absolute temperature (K), F is the Faraday constant (96485 Cmol −1 ), P H2 (1) and P H2 (2) are the anode and The hydrogen partial pressure at the cathode. If one hydrogen partial pressure (for example, P H2 (1)) is fixed in the chemical formula 14, the electromotive force is the logarithm of the other hydrogen partial pressure (in this case, P H2 (2)), as shown in FIG. In contrast, a linear relationship is established. Further, the value obtained by dividing the measured electromotive force E by the theoretical electromotive force E 0 obtained from the chemical formula 14 can be regarded as the ion transport number under the condition. In addition, when a hydrogen activity difference (concentration difference) occurs on both sides of the proton conductor, it is possible to apply this to a hydrogen sensor by utilizing an electromotive force corresponding to the activity difference. is there.

(3.1.2)水素の電気化学的透過法
水素の電気化学的透過法(水素ポンプ)の作動原理を図16に示す。プロトン導電性固体を隔壁として一方に水素源を導入し、他方に不活性ガス、例えばアルゴンなどを導入する。アルゴン側をカソードとして直流を通電する時、もしプロトン導電体であれば、それぞれの極で化学式12,13のような電極反応が起きる。この場合、プロトン以外のイオンは、この隔壁内を通過できないので、水素のみを透過(ポンプ)することができる。このように水素ポンプは、電気化学反応を利用して、強制的に水素を透過させるために、供した電解質のプロトン導電性を直接確認することができる。更に、カソード出口ガス分析から得られる水素濃度から、水素透過速度を計算した後、ファラデーの法則から計算される理論水素透過速度と比較すれば、プロトン輸率(全導電種に占めるプロトンの占める割合)が計算できる。
(3.1.2) Electrochemical Permeation Method of Hydrogen FIG. 16 shows the operating principle of the electrochemical permeation method (hydrogen pump) of hydrogen. Using a proton conductive solid as a partition wall, a hydrogen source is introduced into one side, and an inert gas such as argon is introduced into the other side. When a direct current is applied with the argon side as a cathode, if it is a proton conductor, an electrode reaction as shown in chemical formulas 12 and 13 occurs at each pole. In this case, since ions other than protons cannot pass through the partition wall, only hydrogen can permeate (pump). Thus, since the hydrogen pump forcibly permeates hydrogen using an electrochemical reaction, the proton conductivity of the supplied electrolyte can be directly confirmed. Further, after calculating the hydrogen permeation rate from the hydrogen concentration obtained from the cathode outlet gas analysis, the proton transport number (proportion of protons in all conductive species) is compared with the theoretical hydrogen permeation rate calculated from Faraday's law. ) Can be calculated.

(3.2)Pd/SCO複合膜を用いた水素濃淡電池
作製した電解質膜は、図17、図18に示すようにSrCe0.95Yb0.05O3-a(厚さ1mm、φ16.8mm)基板5に、片側にはPd-Ag膜6(φ13mm、厚さ65μm)が成膜されている。他方には中央部に円状(φ12mm)に白金ペーストを塗布し、900℃において30分空気中で焼き付け多孔質電極Pt7(φ12mm)として試験に供した。実験に使用した装置概略を図19に示す。両面の電極部分に集電体として白金ネットを取り付けた試料を、パイレックス(登録商標)ガラスリングを介してφ17×13mmのアルミナ管で上下から押さえつけた。それぞれのガス室は、1000℃まで昇温することによりパイレックス(登録商標)ガラスを軟化させてガスタイト(ガスシールが完全に効いている状態)にした。アノード6およびカソード7とも、膜流量計を用いて入出口の流量に差がないことで、ガスタイトであることを確認した。その後、約30分間空気を導入して電極の状態を安定させた後、所定のガスに切り替えて実験を開始した。図19において、ガス流量はMFC8により設定し、加湿器9を経由してアノード6およびカソード7それぞれに目的のガスが供給され、アノード排ガス10、カソード排ガス11が排出されるようにしている。ここで、符号5は電解質を表している。カソード排ガス11はマイクロガスクロマトグラフィー装置13により、排ガス組成を測定可能となるよう配置している。尚、反応温度は電気炉12により調整するようにしている。ガスは100ml/minの流量で導入した。アノード6とカソード7間に発生する起電力は、エレクトロメータ(北斗電工製 HE-106)を用いて測定した。ガスは、室温加湿(3%)した100%H2を、アノード6となるPd膜側に導入し、カソード7にはそれぞれ1,5,10,20,50,100%H2をArベースの混合ガスとして導入した。測定前にカソード入口ガスをマイクロガスクロマトグラフィー(HP社製 M-200、モルキュラシーブカラム:MS-20)を用いて、目的ガス組成になっていることを確認した。
(3.2) Hydrogen concentration cell using Pd / SCO composite membrane As shown in FIGS. 17 and 18, the produced electrolyte membrane was SrCe 0.95 Yb 0.05 O 3-a (thickness 1 mm, φ16.8 mm) substrate 5 In addition, a Pd—Ag film 6 (φ13 mm, thickness 65 μm) is formed on one side. On the other hand, a platinum paste was applied in a circular shape (φ12 mm) at the center, and baked in air at 900 ° C. for 30 minutes, and used as a porous electrode Pt7 (φ12 mm). An outline of the apparatus used in the experiment is shown in FIG. A sample in which a platinum net was attached to the electrode portions on both sides as a current collector was pressed from above and below with a φ17 × 13 mm alumina tube through a Pyrex (registered trademark) glass ring. Each gas chamber was heated to 1000 ° C. to soften Pyrex (registered trademark) glass to gas tight (in a state where the gas seal was completely effective). Both the anode 6 and the cathode 7 were confirmed to be gas tight by using a membrane flow meter and having no difference in the flow rate at the inlet and outlet. Thereafter, air was introduced for about 30 minutes to stabilize the state of the electrode, and then the experiment was started by switching to a predetermined gas. In FIG. 19, the gas flow rate is set by MFC 8, the target gas is supplied to each of the anode 6 and the cathode 7 via the humidifier 9, and the anode exhaust gas 10 and the cathode exhaust gas 11 are discharged. Here, reference numeral 5 represents an electrolyte. The cathode exhaust gas 11 is arranged so that the exhaust gas composition can be measured by the micro gas chromatography device 13. The reaction temperature is adjusted by the electric furnace 12. The gas was introduced at a flow rate of 100 ml / min. The electromotive force generated between the anode 6 and the cathode 7 was measured using an electrometer (HE-106 manufactured by Hokuto Denko). As the gas, 100% H 2 humidified at room temperature (3%) is introduced into the Pd film side that becomes the anode 6, and 1, 5, 10, 20, 50, and 100% H 2 are Ar-based for the cathode 7, respectively. It was introduced as a mixed gas. Before the measurement, it was confirmed that the cathode inlet gas had a target gas composition by using micro gas chromatography (M-200, manufactured by HP, molecular sieve column: MS-20).

650,750,850,950℃において、それぞれのガス組成における起電力を測定した結果を図20に示す。測定条件範囲内では、ネルンストの式(化学式14)から計算される理論値にほぼ一致した。この結果から、Pd/SCO複合膜の導電種はイオンであることが確認された。   FIG. 20 shows the results of measuring the electromotive force in each gas composition at 650, 750, 850, and 950 ° C. Within the measurement condition range, it almost coincided with the theoretical value calculated from the Nernst equation (Chemical formula 14). From this result, it was confirmed that the conductive species of the Pd / SCO composite film are ions.

(3.3)Pd/SCO複合膜を用いた水素の電気化学的透過実験
水素濃淡電池法においては、導電種がイオンであるか否かは判断できるものの、プロトンが導電するか否かを直接判断することはできない。そこで、アノード、カソード間に直流を通電し、カソード側に水素が発生するか否かを直接確認した(水素ポンプ)。上述の場合、Pd/SCO複合膜(図17、図18参照)を挟んでPd-Ag膜側に水素を、他方にアルゴンを、双方とも室温でバブリングし加湿して、100ml/minで流通した。装置は、上述の実験装置(図19参照)を使用した。直流通電にはソーラートロン社製ポテンショガルバノスタットSI1286 を使用し、アノード−カソード間に定電流を流した。その際、カソード出口ではマイクロガスクロマトグラフィー(HP社製 M-200、モルキュラシーブカラム:MS-20)を用いて発生水素量を定量した。測定は、650, 750, 850, 950℃において実施した。
(3.3) Hydrogen permeation experiment using Pd / SCO composite membrane In the hydrogen concentration cell method, it is possible to determine whether or not the conductive species is an ion, but whether the proton is conductive or not directly. It cannot be judged. Therefore, a direct current was applied between the anode and the cathode, and it was directly confirmed whether or not hydrogen was generated on the cathode side (hydrogen pump). In the case described above, hydrogen was bubbled on the Pd-Ag film side and argon on the other side of the Pd / SCO composite film (see FIGS. 17 and 18), both were bubbled at room temperature, humidified, and circulated at 100 ml / min. . As the apparatus, the above-described experimental apparatus (see FIG. 19) was used. A solar current potentiogalvanostat SI1286 was used for DC energization, and a constant current was passed between the anode and cathode. At that time, the amount of generated hydrogen was quantified at the cathode outlet using micro gas chromatography (HP-M-200, molecular sieve column: MS-20). Measurements were performed at 650, 750, 850, and 950 ° C.

通電電流に対する水素の発生速度を図21に示す。破線はファラデーの法則に従って計算した理論水素発生速度(ml/min)である。650℃では、ほぼ理論値通りの水素発生速度を示し、Pd/SCO複合膜はプロトン輸率tH+が1に極めて近いプロトン導電体であることがわかった。しかし、温度が上昇するに従い、高電流において破線からはずれ、水素発生速度が低下した。低電流ではほぼプロトン輸率が1であるが、高電流ではプロトン以外の電荷担体が存在することになる。この点については、電流量を増やすとカソード中の水蒸気が分解して化学式15のように酸化物イオン導電性が発現する旨の報告もなされている(S.Hmajima, H.Matsumoto, H.Iwahara, 第26回固体イオニクス討論会予稿集P154, 2000)。この報告によれば、高電流ではプロトン輸率が低下し、電流効率が低下した可能性がある。 FIG. 21 shows the hydrogen generation rate with respect to the energization current. The broken line is the theoretical hydrogen generation rate (ml / min) calculated according to Faraday's law. At 650 ° C., the hydrogen generation rate was almost the theoretical value, and the Pd / SCO composite membrane was found to be a proton conductor having a proton transport number t H + very close to 1. However, as the temperature increased, the hydrogen generation rate decreased from the broken line at high current. At a low current, the proton transport number is approximately 1, but at a high current, there are charge carriers other than protons. With respect to this point, it has been reported that when the amount of current is increased, water vapor in the cathode is decomposed and oxide ion conductivity is expressed as shown in chemical formula 15 (S. Hmajima, H. Matsumoto, H. Iwahara). , Proceedings of the 26th Solid State Ionics Conference P154, 2000). According to this report, at high currents, proton transport numbers may decrease and current efficiency may decrease.

したがって、Pd/SCO複合膜は、ほぼSCO膜と同様のプロトン導電機能を有すると考えられる。以上より、SCO膜は、Pdと複合化することによって、プロトン導電機能を損なうことなく、SCOと同様のプロトン導電機能を有することが明らかとなった。   Therefore, it is considered that the Pd / SCO composite membrane has a proton conductive function similar to that of the SCO membrane. From the above, it has been clarified that the SCO membrane has a proton conductive function similar to that of SCO without degrading the proton conductive function by being combined with Pd.

(4)Pd/SCO複合膜を用いた燃料電池発電
(4.1)燃料電池の発電原理
プロトン導電体を用いる水素酸素燃料電池の原理を説明する。作動原理を図22に示す。今、化学式16のような水素と酸素の燃焼反応を考えてみる。
(4) Fuel cell power generation using Pd / SCO composite membrane (4.1) Power generation principle of fuel cell The principle of a hydrogen-oxygen fuel cell using a proton conductor will be described. The operating principle is shown in FIG. Consider the combustion reaction of hydrogen and oxygen as shown in chemical formula 16.

水素の燃焼反応は、水素の酸素による酸化反応であり、通常、熱エネルギーを放出する。この燃焼反応は酸素の立場から見ると、燃焼による酸素の還元反応である。従って、この両反応が同一の場で起こる時に熱エネルギーが放出される。そこで、例えば図22に示すように、プロトン導電性電解質を介して水素をアノード活物質として酸化反応を行わせ、酸素を正極(カソード)活物質として還元反応を行わせることができれば、水素の燃焼反応の化学エネルギーを、乾電池と同様の原理で直接電気エネルギーに変換することができる(化学式17,18)。 The combustion reaction of hydrogen is an oxidation reaction of hydrogen with oxygen, and usually releases thermal energy. From the standpoint of oxygen, this combustion reaction is a reduction reaction of oxygen by combustion. Thus, thermal energy is released when both reactions occur in the same field. Therefore, for example, as shown in FIG. 22, if a reduction reaction can be performed using hydrogen as an anode active material and oxygen as a positive electrode (cathode) active material via a proton conductive electrolyte, combustion of hydrogen can be performed. The chemical energy of the reaction can be directly converted into electric energy based on the same principle as that of a dry battery (Chemical Formulas 17 and 18).

この場合、電極間の起電力Eは、水素の酸化反応より電子が放出されるアノードと酸素の還元反応により電子が不足するカソードとの間の電位差として発生する。水素酸素燃料電池の場合、起電力Eは以下の式によって表すことができる。   In this case, the electromotive force E between the electrodes is generated as a potential difference between the anode from which electrons are released by the oxidation reaction of hydrogen and the cathode from which electrons are insufficient by the reduction reaction of oxygen. In the case of a hydrogen-oxygen fuel cell, the electromotive force E can be expressed by the following equation.

ここで、Kは化学式16の平衡定数を、piは各ガス分圧を、添字a、cはそれぞれアノードおよびカソードを、R、FおよびTはそれぞれ気体定数、ファラデー定数および絶対温度を表す。 Here, K represents the equilibrium constant of Chemical Formula 16, p i represents each gas partial pressure, subscripts a and c represent the anode and cathode, respectively, R, F and T represent the gas constant, Faraday constant and absolute temperature, respectively.

(4.2)実験方法
実験で用いた装置構成を図23に示す。図23の基本構成は図19と同様であるが、アノード側に供給できるガスがH2ではなくO2である点で異なっている。電解質には、(3.2)と同様の試料(図17、図18参照)を使用した。試料電解質を電解質隔壁として、Pd-Ag膜側をアノード、多孔質白金側をカソードとしてアルミナ管で挟み込んだ。アノードには燃料ガスとして室温飽和した湿潤水素または水素と二酸化炭素の湿潤混合ガスを、カソードには酸化剤ガス5として室温飽和した湿潤酸素をそれぞれ100ml/min流通した。このように燃料電池を構成することによって、ネルンストの式(化学式19)から計算される起電力を発生するようになる。発生した端子電圧はエレクトロメータ(北斗電工製 HE-106)を用いて測定した。外部負荷装置としてソーラートロン社製ポテンショガルバノスタットSI1286 をアノードとカソードとの間に接続し発電性能を確認した。
(4.2) Experimental Method FIG. 23 shows the apparatus configuration used in the experiment. The basic configuration of FIG. 23 is the same as that of FIG. 19 except that the gas that can be supplied to the anode side is O 2 instead of H 2 . As the electrolyte, the same sample as in (3.2) (see FIGS. 17 and 18) was used. The sample electrolyte was sandwiched between alumina tubes with electrolyte partition walls, the Pd-Ag film side as an anode, and the porous platinum side as a cathode. Wet hydrogen or hydrogen and carbon dioxide wet mixed gas saturated at room temperature as the fuel gas was passed through the anode, and wet oxygen saturated at room temperature as the oxidant gas 5 was flowed through the cathode at 100 ml / min. By configuring the fuel cell in this way, an electromotive force calculated from the Nernst equation (Chemical Formula 19) is generated. The generated terminal voltage was measured using an electrometer (HE-106 manufactured by Hokuto Denko). A solartron potentiogalvanostat SI1286 as an external load device was connected between the anode and the cathode to confirm the power generation performance.

(4.3)Pd/SCO複合膜を用いた燃料電池の特性
測定温度が650,750,850,950℃における水素−酸素燃料電池の起電力を図24に示す。同時にネルンストの式(化学式19)より計算される理論起電力を同図に示した。起電力は、650℃でほぼ理論起電力に近い値を示した。試験前には、必ずガスタイトとクロスリークがないことを確認しているので、起電力の実測値と理論値の比は、イオン輸率(実測値/理論値):tion(0<tion<1)と表され、逆に電子輸率(この場合、ホール伝導)はth(=1−tion)として表される。起電力から計算されるtionおよびthを図25に示す。tionは、950℃において0.88であったが、650℃において0.99となった。この結果、今回作製したPd/SCO複合膜は、650℃よりも低温の燃料電池雰囲気条件において、プロトン輸率が1の純粋なプロトン導電体として機能することがわかった。
(4.3) Characteristics of Fuel Cell Using Pd / SCO Composite Membrane FIG. 24 shows the electromotive force of the hydrogen-oxygen fuel cell at measurement temperatures of 650, 750, 850, and 950 ° C. At the same time, the theoretical electromotive force calculated from the Nernst equation (chemical formula 19) is shown in FIG. The electromotive force showed a value close to the theoretical electromotive force at 650 ° C. Prior to the test, it was confirmed that there was no gas tight and no cross leak, so the ratio between the measured value of electromotive force and the theoretical value was the ion transport number (actual value / theoretical value): t ion (0 <t ion In contrast, the electron transport number (in this case, hole conduction) is represented as t h (= 1−t ion ). FIG. 25 shows t ion and t h calculated from the electromotive force. The t ion was 0.88 at 950 ° C., but became 0.99 at 650 ° C. As a result, it was found that the Pd / SCO composite membrane produced this time functions as a pure proton conductor having a proton transport number of 1 under the fuel cell atmosphere conditions lower than 650 ° C.

次に、実際に電流を取り出し発電を試みた。結果を図26に示す。発電時に安定な電圧および電流を示し、本発明に係るPd-Ag膜とSCO膜との複合膜型電解質を用いて、燃料電池発電が可能であることがわかった。   Next, we actually took out the current and tried to generate electricity. The results are shown in FIG. It showed stable voltage and current during power generation, and it was found that fuel cell power generation is possible using the composite membrane type electrolyte of the Pd-Ag film and SCO film according to the present invention.

(4.4)CO2を含んだ燃料ガスを用いた長時間発電特性
前節(4.3)までは、Pd/SCO複合膜を用いて発電の可能性を確認したが、本来の目的は、CO2を含むアノードガス条件における発電の可能性を確認することである。これを受け、以下に説明するように、CO2を含むアノードガスを導入した場合、Pd膜によってSCO膜のCO2による変質がなく、安定に燃料電池発電ができることを確認することにした。
(4.4) Long-term power generation characteristics using fuel gas containing CO 2 Up to the previous section (4.3), we confirmed the possibility of power generation using Pd / SCO composite membranes. It is to confirm the possibility of power generation under anode gas conditions containing CO 2 . In response to this, as described below, when introducing an anode gas containing CO 2 , it was decided that the Pd membrane would not cause any deterioration of the SCO membrane due to CO 2 and that fuel cell power generation could be performed stably.

図27にCO2とH2の混合ガスをアノードに導入した場合の発電時の電圧経時変化を示す。電圧は、初期にはしばらく減少した後、一定となり安定した。また、連続負荷試験を行ったところ、少なくともCO2曝露試験と同じ10日間は安定して発電できることが確認できた。以上の結果より、本発明に係るプロトン導電性を維持し、かつCO2に対する脆弱性を克服できる金属/酸化物複合膜型電解質(Pd/SCO)は、CO2を含む燃料を用いる燃料電池に適用可能であることが明らかとなった。 FIG. 27 shows a change with time in voltage during power generation when a mixed gas of CO 2 and H 2 is introduced into the anode. The voltage decreased for a while in the initial stage and then became constant and stable. In addition, when a continuous load test was conducted, it was confirmed that the power generation was stable for at least the same 10 days as the CO 2 exposure test. From the above results, the metal / oxide composite membrane electrolyte (Pd / SCO) that can maintain proton conductivity and overcome the vulnerability to CO 2 according to the present invention is a fuel cell that uses fuel containing CO 2. It became clear that it was applicable.

[実施例2]
実施例1では、Pd/SCO膜を燃料電池の電解質に用いた場合の発電の可能性に検討ついて検討し、理論通り実証することができた。しかし、実際に燃料電池の電解質として適用するには、動作する温度において種々の検討を加えなければならない。そこで、以下に実施例2として、金属/酸化物複合膜型電解質を用いた中温形燃料電池に対して、性能面および電解質の材料コスト面から金属/酸化物複合膜型電解質についてさらに検討した。
[Example 2]
In Example 1, the possibility of power generation when a Pd / SCO membrane was used as an electrolyte of a fuel cell was examined and verified as theoretically. However, in order to actually apply as an electrolyte of a fuel cell, various studies must be made at the operating temperature. Therefore, as Example 2, the metal / oxide composite membrane type electrolyte was further examined from the viewpoint of performance and the material cost of the electrolyte with respect to the medium temperature fuel cell using the metal / oxide composite membrane type electrolyte.

燃料電池発電試験は、[実施例1]と同様の手順で行った。尚、実施例2では、SCOよりも導電率が高く、コスト低減につながるBaCe0.8Y0.2O3-a(以下BCOと呼ぶ)についても検討した。作製した複合膜型電解質は、SCOまたはBCO基板片側中央部に円形状にPd-Ag合金膜(φ13mm、厚さ65mm)が成膜されている。他方には中央部に円形状(φ13mm)に白金ペーストを塗布し、900℃において30分空気中で焼き付け多孔質電極として試験に供した。 The fuel cell power generation test was performed in the same procedure as in [Example 1]. In Example 2, BaCe 0.8 Y 0.2 O 3-a (hereinafter referred to as BCO) having higher conductivity than SCO and leading to cost reduction was also examined. In the produced composite membrane type electrolyte, a Pd—Ag alloy film (φ13 mm, thickness 65 mm) is formed in a circular shape at the center of one side of the SCO or BCO substrate. On the other hand, a platinum paste was applied in a circular shape (φ13 mm) at the center, and baked in air at 900 ° C. for 30 minutes, and used as a porous electrode.

電解質にSCOおよびBCOを用いた場合の中温域(500〜600℃)における電流―電圧特性を図39に示す。発電試験温度は、Pd/SCO複合膜では600℃とし、Pd/BCO複合膜では500および600℃とした。600℃の電流―電圧特性から、短絡電流密度は、プロトン導電率の高いBCOを用いることによって、約2倍となった。また、Pd/BCOの500℃での電池性能は、Pd/SCOの600℃での電池性能レベルの3分の2程度まで向上した。しかしながら、Pd/BCOセルにおいても、短絡電流密度が約7mAcm-2であるため、更なる性能向上が期待される。そこで、次にBCOセルの性能を支配する要因について分析を行い、性能向上への課題を抽出するための実験を以下の手法により行った。 FIG. 39 shows current-voltage characteristics in the middle temperature range (500 to 600 ° C.) when SCO and BCO are used as the electrolyte. The power generation test temperature was 600 ° C. for the Pd / SCO composite membrane and 500 and 600 ° C. for the Pd / BCO composite membrane. From the current-voltage characteristics at 600 ° C, the short-circuit current density was doubled by using BCO with high proton conductivity. In addition, the battery performance at 500 ° C for Pd / BCO has improved to about two thirds of the battery performance level at 600 ° C for Pd / SCO. However, even in the Pd / BCO cell, since the short-circuit current density is about 7 mAcm −2 , further performance improvement is expected. Next, we analyzed the factors that govern the performance of the BCO cell, and conducted experiments to extract issues for performance improvement using the following method.

まず、電流―電圧特性および過電圧特性を評価した。これらを評価することで、BCOセルの発電時の電圧降下要因を電解質抵抗、アノード反応抵抗、カソード反応抵抗に分離することができる。したがって、この結果から電池性能がどの要因(構成部材)でどのくらい低下しているか割合を把握することが可能となる。過電圧特性は、参照電極16を設け、カレントインターラプション(電流遮断)法により測定した。参照電極15は、図38に示すように電解質14の側面に、Ptペーストを塗布、乾燥後、900℃において焼き付け、作製した。その上からφ0.3mmの白金線を巻き付け白金リード線16に取り付けた。符号19はアノード電極であり、電解質14を介して反対側の面にはカソード電極が形成されている。カソード電極側、アノード電極側には集電ネット17が配置され、ガラスパッキン18によりこれらを挟むようにしている(アノード電極側の集電ネット17およびガラスパッキン18は図示を省略してある)。   First, current-voltage characteristics and overvoltage characteristics were evaluated. By evaluating these, the voltage drop factor during power generation of the BCO cell can be separated into electrolyte resistance, anode reaction resistance, and cathode reaction resistance. Therefore, from this result, it is possible to grasp how much the battery performance is reduced by which factor (component). The overvoltage characteristics were measured by a current interruption (current interruption) method with a reference electrode 16 provided. As shown in FIG. 38, the reference electrode 15 was produced by applying a Pt paste to the side surface of the electrolyte 14, drying it, and baking it at 900 ° C. A platinum wire of φ0.3 mm was wound from above and attached to the platinum lead wire 16. Reference numeral 19 denotes an anode electrode, and a cathode electrode is formed on the opposite surface through the electrolyte 14. A current collecting net 17 is arranged on the cathode electrode side and the anode electrode side, and these are sandwiched between glass packings 18 (the current collecting net 17 and the glass packing 18 on the anode electrode side are not shown).

ここで、カレントインターラプション(電流遮断)法について説明する。電極と電解質からなる電気化学セルは最も簡略化された電気的な等価回路で表すと図40のようになる。高温においては、電解質のキャパシター成分のコンダクタンスは無視できるほど小さい(Cb=0)と考えられ、電解質に関しては通常オーム抵抗(Rb)のみで表される。電極―電解質界面に関しては電極反応抵抗Reと二重層容量Cdlから成る並列回路で表すものとする。カレントインターラプション法は、実際の電池に数msec程度のサイクルによるパルス電流で電気二重層を充電し、その後観察される過渡曲線から過電圧を求める方法である。図41(b)に装置構成を示す。具体的には、ファンクションジェネレーター20(NF回路ブロック WF1256)およびポテンショガルバノスタット23(SolarTron社 SI1286)を用いて、測定セル24のカソード、アノード間に2msec/サイクル、0.1msecのオフパルス幅でのパルス電流を印加する。この際、各電極―参照電極間の電位の変化は、デジタルオシロスコープ21を用いて同期させ、エレクトロメーター22で測定した。この場合、図41(a)に示すように電流が遮断されたときにオーム抵抗に相当する電位分だけ急激に変化する(図41、iRbドロップ)。次にCdlに充電された電荷は、キャパシタンスと並列にある抵抗(電極反応抵抗Re)を通って放電し、その分の電位が過渡的に変化する。このように電位差を遮断する前後の電位を測定することにより、過電圧(h=iRe)を求めることが可能である。 Here, the current interruption method will be described. An electrochemical cell composed of an electrode and an electrolyte is shown in FIG. 40 as a simplified electrical equivalent circuit. At high temperatures, the conductance of the capacitor component of the electrolyte is considered to be negligibly small (C b = 0), and for an electrolyte it is usually represented only by ohmic resistance (R b ). The electrode-electrolyte interface is represented by a parallel circuit composed of an electrode reaction resistance Re and a double layer capacitance Cdl . The current interruption method is a method in which an actual battery is charged with an electric double layer with a pulse current having a cycle of about several milliseconds and an overvoltage is obtained from a transient curve observed thereafter. FIG. 41B shows the device configuration. Specifically, using a function generator 20 (NF circuit block WF1256) and potentio galvanostat 23 (SolarTron SI1286), the pulse current is 2 msec / cycle between the cathode and anode of the measurement cell 24 and an off pulse width of 0.1 msec. Apply. At this time, the change in potential between each electrode and the reference electrode was measured using an electrometer 22 after being synchronized using a digital oscilloscope 21. In this case, as shown in FIG. 41 (a), when the current is interrupted, it changes abruptly by the potential corresponding to the ohmic resistance (FIG. 41, iR b drop). Next, the electric charge charged in C dl is discharged through a resistance (electrode reaction resistance R e ) in parallel with the capacitance, and the corresponding potential changes transiently. By measuring the potential before and after blocking the potential difference in this way, it is possible to determine the overvoltage (h = iR e ).

尚、試験中には経時的に電解質が劣化していないか確認するために、交流法にてセル端子間に1kHz, 5mVの交流信号を入力し、そのインピーダンスを電解質抵抗としてモニターした。   During the test, in order to confirm whether the electrolyte has deteriorated over time, a 1 kHz, 5 mV AC signal was input between the cell terminals by the AC method, and the impedance was monitored as the electrolyte resistance.

500℃における燃料電池の電流―電圧特性を図42に示す。また、図42には、電流を取り出すことによる電圧降下の内訳をBCO膜による過電圧(電解質過電圧)、Pd膜による過電圧(アノード過電圧)および多孔質Ptによる過電圧(カソード過電圧)から求めた。アノード過電圧が一番小さく、次いでカソード過電圧、電解質過電圧の順に過電圧が大きくなっており、500℃において、短絡電流密度は、7mA/cm2以下であった。そこで、各電池部材を材質および作製法から見直すことにより、過電圧を低減し、性能向上を図ることを試みた。 The current-voltage characteristics of the fuel cell at 500 ° C. are shown in FIG. Further, in FIG. 42, the breakdown of the voltage drop caused by taking out the current was obtained from the overvoltage due to the BCO film (electrolyte overvoltage), the overvoltage due to the Pd film (anode overvoltage), and the overvoltage due to the porous Pt (cathode overvoltage). The anode overvoltage was the smallest, followed by the cathode overvoltage and the electrolyte overvoltage in this order, and the short-circuit current density was 7 mA / cm 2 or less at 500 ° C. Therefore, by overhauling each battery member from the material and the production method, an attempt was made to reduce overvoltage and improve performance.

(1)電解質緻密化による過電圧低減
電解質過電圧は、電解質抵抗に比例する。そこで、図42における電解質過電圧から初期BCOの電解質抵抗を求め、図43に示した。図43に示されるBCOの500℃における導電率から換算される電解質抵抗と比較して、初期BCOの電解質抵抗がかなり大きいことがわかった。この原因としては、1電解質の反応劣化および2電解質の焼結性が悪いことが挙げられる。1の原因については、これまで試験後のBCO表面をX線回折解析を行っているが、BCO単相のピークしか得られていないことから、BCOの反応劣化は起こっていないと考えられる。このため、過電圧のほとんどは2の電解質の焼結性に起因していると考えられる。BCOのような固体電解質は、その焼結度が95%以上ならば、導電率から換算される電解質抵抗を示し、逆に焼結度が低くなるにつれて、電解質抵抗は増大する。BCOでは、導電率から換算される理論電解質抵抗は、500℃で約6Ωとして得られるはずであるが、今回、試験中に測定した電解質抵抗は、500℃で約80Ω程度であった。電解質抵抗には、電解質の正味の抵抗以外に、集電ネットとの接触抵抗、リード線抵抗が含まれている。しかしながら、接触抵抗およびリード線抵抗が数10Ω以上あることは考えられないことから、80Ωのほとんどが電解質抵抗に起因することがわかる。つまり、初期BCOは、その焼結性が悪く、BCOの緻密化が必要であることがわかった。そこで、BCOの焼結工程を見直した。具体的には、焼結熱処理前の最終成形において、成形加重を増大したところ、同重量の焼結体において、約8%体積が減少し、緻密化することがわかった。この緻密化したBCO試料を試験に供し、初期のBCOによる電解質抵抗、改良後のBCOの電解質抵抗およびBCOの導電率から換算されるBCOの電解質抵抗を物性値として比較した結果を図43に示す。初期のBCOの電解質抵抗は、BCO導電率から計算される電解質抵抗より約20倍程度大きく、性能低下要因になっていた。しかし、今回、BCO電解質の緻密化を図ったことにより、初期BCO電解質抵抗と比較して、約7分の1程度まで電解質抵抗を低減できた。電解質の緻密性は電気化学デバイス性能を左右するものであるため、焼結度を95%以上とすることでより好ましい電気化学デバイス性能が得られるようになることが期待された。
(1) Overvoltage reduction by electrolyte densification The electrolyte overvoltage is proportional to the electrolyte resistance. Therefore, the electrolyte resistance of the initial BCO was obtained from the electrolyte overvoltage in FIG. 42 and shown in FIG. It was found that the electrolyte resistance of the initial BCO was considerably larger than the electrolyte resistance converted from the conductivity of BCO at 500 ° C. shown in FIG. The reasons for this are (1) reaction deterioration of the electrolyte and (2) poor sinterability of the electrolyte. As for the cause of 1, the BCO surface after the test has been subjected to X-ray diffraction analysis so far, but only the BCO single-phase peak has been obtained. For this reason, it is considered that most of the overvoltage is caused by the sinterability of the electrolyte of 2. A solid electrolyte such as BCO exhibits an electrolyte resistance converted from electrical conductivity if the degree of sintering is 95% or more. Conversely, as the degree of sintering decreases, the electrolyte resistance increases. In BCO, the theoretical electrolyte resistance converted from the conductivity should be about 6Ω at 500 ° C, but the electrolyte resistance measured during this test was about 80Ω at 500 ° C. In addition to the net resistance of the electrolyte, the electrolyte resistance includes contact resistance with the current collecting net and lead wire resistance. However, since it is unlikely that the contact resistance and the lead wire resistance are several tens of Ω or more, it can be seen that most of 80 Ω is caused by the electrolyte resistance. In other words, it was found that the initial BCO has poor sinterability and needs to be densified. Therefore, the BCO sintering process was reviewed. Specifically, when the molding load was increased in the final molding before the sintering heat treatment, it was found that the sintered body of the same weight decreased in volume by about 8% and became dense. This densified BCO sample was used for the test, and the results of comparing the initial BCO electrolyte resistance, the improved BCO electrolyte resistance, and the BCO electrolyte resistance converted from the BCO conductivity as physical properties are shown in FIG. . The electrolyte resistance of the initial BCO was about 20 times larger than the electrolyte resistance calculated from the BCO conductivity, which was a factor in performance degradation. However, this time, by densifying the BCO electrolyte, the electrolyte resistance could be reduced to about 1/7 compared to the initial BCO electrolyte resistance. Since the density of the electrolyte affects the performance of the electrochemical device, it was expected that more preferable electrochemical device performance can be obtained by setting the degree of sintering to 95% or more.

(2)Pd膜成膜法見直しによる過電圧低
(2.1)Pd成膜法の検討
前述したようにアノード過電圧の低減も一つの課題として挙げられた。以下、アノード過電圧の低減方法について膜の緻密性および電解質への密着性の観点から検討した。
(2) Low overvoltage by reviewing Pd film formation method (2.1) Examination of Pd film formation method As mentioned above, reduction of anode overvoltage was also cited as an issue. Hereinafter, a method for reducing the anode overvoltage was examined from the viewpoint of the denseness of the film and the adhesion to the electrolyte.

基板に対する膜の密着性をさらに向上させ、緻密膜を成膜するためには、成膜温度を十分高くする必要がある。しかしながら、Pdペースト膜は、実施例1で上述したように、Agとの合金膜であるために、処理温度を高くすることはできない。そこで、膜を構成する出発粒子を細かくすることによって、処理温度を高くすることと同等の効果が得られると考えた。かかる観点から、基板との密着性が良く、均一な緻密膜が成膜できる可能性の高い無電解めっき法について検討した。   In order to further improve the adhesion of the film to the substrate and form a dense film, it is necessary to raise the film formation temperature sufficiently. However, since the Pd paste film is an alloy film with Ag as described above in Example 1, the processing temperature cannot be increased. Therefore, it was considered that the same effect as increasing the processing temperature can be obtained by making the starting particles constituting the membrane fine. From this point of view, an electroless plating method having good adhesion to the substrate and a high possibility of forming a uniform dense film was studied.

(2.2)無電解めっき法によるPd合金緻密膜の成膜
セラミックス、プラスチック、ガラスなどの非導電性基板に無電解めっきを施すためには、基板にめっき反応に対する活性を付与する触媒活性化前処理を施す必要があることが知られている。また、この時の処理によって、基板表面に形成される触媒核の分布や活性が変化し、表面形態や物性が異なるめっき膜が析出することが知られている。ここでは、湿式法による代表的な触媒活性化前処理である二液法(センシタイゼイション―アクチベーション(sensitization - activation)法)を用いて無電解めっきを施した。二液法活性化前処理は、一般に次の反応式で表される。
Pd2++Sn2+=Pd+Sn4
以下、ここで行った無電解めっき法を図44で示す無電解めっきフロー図に基づき説明する。
準備段階として、基板をアセトン洗浄しアルコール置換後に乾燥した。次に触媒活性化前処理(二液法)として、SnCl2塩酸溶液を一液、PdCl2塩酸溶液を二液として、一液と二液へ交互に10回浸漬を繰り返し、Pd核を析出させた。次に、[Pd(NH3)4]Cl2・H2O、EDTA・2Na、NH3(28%水溶液)、H2NNH2・H2Oを含み、アンモニア・アルカリ性とした無電解めっき浴に1時間浸漬して、Pd核を触媒としてその周囲にPdを析出させ、Pdの薄膜を形成した。これを、蒸留水にて洗浄し、[Pd(NH3)4]Cl2 、AgNO3、EDTA・2Na、NH3(28%水溶液)、H2NNH2・H2Oを含む溶液に1時間浸漬して、パラジウム薄膜上に銀を析出させて銀の薄膜を形成した。さらにこれを蒸留水にて洗浄し、N2気流中にて、850℃、10時間熱処理を施し、Pd合金緻密膜を得た。
(2.2) Formation of dense Pd alloy film by electroless plating method In order to perform electroless plating on non-conductive substrates such as ceramics, plastics, glass, etc., catalytic activation that gives the substrate activity against the plating reaction It is known that pretreatment is necessary. Further, it is known that the treatment at this time changes the distribution and activity of catalyst nuclei formed on the substrate surface, and deposits plating films having different surface forms and physical properties. Here, electroless plating was performed using a two-component method (sensitization-activation method), which is a typical pretreatment for catalyst activation by a wet method. The two-component method activation pretreatment is generally represented by the following reaction formula.
Pd 2+ + Sn 2+ = Pd + Sn 4
Hereafter, the electroless plating method performed here is demonstrated based on the electroless-plating flowchart shown in FIG.
As a preparatory stage, the substrate was washed with acetone and replaced with alcohol, followed by drying. As then the catalyst activation pretreatment (two-liquid method), SnCl 2 HCl solution an solution, a PdCl 2 solution of hydrochloric acid as a two-part, repeated 10 times immersed alternately into one-pack and two-pack, to precipitate Pd nuclei It was. Next, electroless plating bath containing [Pd (NH 3 ) 4 ] Cl 2 · H 2 O, EDTA · 2Na, NH 3 (28% aqueous solution), H 2 NNH 2 · H 2 O, and ammonia / alkaline The Pd nucleus was immersed for 1 hour to deposit Pd around the Pd nucleus as a catalyst to form a thin film of Pd. This was washed with distilled water, and was added to a solution containing [Pd (NH 3 ) 4 ] Cl 2 , AgNO 3 , EDTA · 2Na, NH 3 (28% aqueous solution), H 2 NNH 2 · H 2 O for 1 hour. Immersion was performed to deposit silver on the palladium thin film to form a silver thin film. Further, this was washed with distilled water and subjected to heat treatment at 850 ° C. for 10 hours in a N 2 gas stream to obtain a dense Pd alloy film.

(2.3)EPMAによるPd合金膜の断面観察
無電解めっき基板には、Al2O3を選定し、めっき膜性状を確認した。基板上にめっきされたPd合金緻密膜の断面分析をEPMA(Electron Probe MicroAnaly- zer: JEOL, JXA-8900R)によって行った。EPMAによるPd, Ag, Alの特性X線像を図45に示す。図中において、(a)はPd、(b)はAg、(c)はAlの特性X線像である。PdおよびAgは相互によく拡散し、合金化している様子が観察された。一方、基板からのAl元素のPd膜側への拡散は確認されなかった。
次に、EPMA付属のEDX(Energy Dispersive X-ray)解析より、Pd合金膜組成の分析を行った。表2は、PdおよびAg標準試料を用いて、膜の各部位におけるEDXによる組成比(wt%)を定量した結果である。組成比は、平均でPd/Ag=76.6/23.4となり、良好な結果を得た。以上より、無電解めっき法を選定することにより、Pd, Ag元素の偏在化なしに、均一に目的組成に合金化が可能であることを確認できた。
(2.3) Cross-sectional observation of Pd alloy film by EPMA Al 2 O 3 was selected as the electroless plating substrate, and the properties of the plating film were confirmed. The cross-sectional analysis of the Pd alloy dense film plated on the substrate was performed by EPMA (Electron Probe MicroAnalyzer: JEOL, JXA-8900R). A characteristic X-ray image of Pd, Ag, Al by EPMA is shown in FIG. In the figure, (a) is a characteristic X-ray image of Pd, (b) is Ag, and (c) is a characteristic X-ray image of Al. It was observed that Pd and Ag were well diffused and alloyed. On the other hand, no diffusion of Al element from the substrate toward the Pd film was confirmed.
Next, Pd alloy film composition was analyzed by EDX (Energy Dispersive X-ray) analysis attached to EPMA. Table 2 shows the result of quantifying the composition ratio (wt%) by EDX at each part of the membrane using Pd and Ag standard samples. The composition ratio averaged to Pd / Ag = 76.6 / 23.4, and good results were obtained. From the above, it was confirmed that by selecting the electroless plating method, it was possible to alloy the target composition uniformly without uneven distribution of Pd and Ag elements.

(2.4)無電解めっきを適用した場合のアノード過電圧
BCO上に無電解めっきによりPd合金緻密膜を施した複合膜型電解質とペースト法を用いた複合膜型電解質を用いて、アノード過電圧を比較した。測定法は、カレントインターラプション法を用いた。500℃におけるアノード過電圧を測定した結果を図46に示す。無電解めっき法を用いたPd合金緻密膜では、ペースト法により作製されたPd合金緻密膜と比較してアノード過電圧をさらに低減できることが確認された。したがって、無電解めっき法のPd合金緻密膜は、ペースト法により作製されたPd合金緻密膜と比較してBCOとより強固に密着し、かつ緻密膜となっていることが示唆された。
(2.4) Anode overvoltage when electroless plating is applied
The anode overvoltage was compared using a composite membrane type electrolyte with a Pd alloy dense film formed on BCO by electroless plating and a composite membrane type electrolyte using the paste method. The measurement method used was a current interruption method. The result of measuring the anode overvoltage at 500 ° C. is shown in FIG. It was confirmed that the anode overvoltage can be further reduced in the Pd alloy dense film using the electroless plating method compared with the Pd alloy dense film produced by the paste method. Therefore, it was suggested that the Pd alloy dense film formed by the electroless plating method is more closely adhered to the BCO than the Pd alloy dense film prepared by the paste method and is a dense film.

ここで、複合膜型電解質のアノード反応について、以下のように考察した。1水素の緻密膜上への拡散、吸着、2水素分子の水素原子へ解離、3水素原子のPd緻密膜への溶解、4水素の拡散、5Pd/BCO界面における水素のプロトンへのイオン化、6プロトンのBCOへの溶解である。アノード過電圧が大きくなる要因を以下に考察した。1〜4の過程については、Pd合金膜の物性に依存すると考えられ、成膜法による差異は生じないと考えられる。しかしながら、5、6の過程には、膜の密着性の優劣に依存する。これらの観点からも、無電解めっき法のPd合金緻密膜は、ペースト法により作製されたPd合金緻密膜と比較してBCOとより強固に密着していることが示唆された。   Here, the anode reaction of the composite membrane type electrolyte was considered as follows. 1 Diffusion and adsorption of hydrogen on dense film, 2 Dissociation of hydrogen molecule into hydrogen atom, 3 Dissolution of hydrogen atom into Pd dense film, 4 Diffusion of hydrogen, 5 Ionization of hydrogen to proton at Pd / BCO interface, 6 Proton dissolution in BCO. The factors that increase the anode overvoltage were discussed below. The processes 1 to 4 are considered to depend on the physical properties of the Pd alloy film, and it is considered that there is no difference depending on the film forming method. However, processes 5 and 6 depend on the superiority or inferiority of the film adhesion. From these viewpoints, it was suggested that the Pd alloy dense film formed by the electroless plating method was more firmly adhered to the BCO than the Pd alloy dense film prepared by the paste method.

(3)カソード材見直しによるカソード過電圧低減
これまでカソード材として使用してきた多孔質Ptは、図47に示す過電圧の温度依存性に現れているように温度の低下に伴う電極触媒能の低下により、カソード過電圧がかなり増大している。また、Pt自体高価な材料であり、今後の中温形燃料電池のカソードとして適切ではないと考えられる。そこで、カソード材について検討をおこなった。
(3) Cathode overvoltage reduction by reviewing the cathode material The porous Pt that has been used as a cathode material so far, as shown in the temperature dependence of the overvoltage shown in FIG. Cathode overvoltage has increased considerably. Also, Pt itself is an expensive material and is not considered suitable as a cathode for future medium temperature fuel cells. Therefore, the cathode material was examined.

中温域においては、電極活性を示し、かつ安価なカソード材料を選択しなければならない。最近、安価なAgを用いたカソードにおいて、良好な中温域の電極活性が示されている。Ptが約3,000円/gであるのに対し、Agは約26円/g(26,000円/kg)とコスト的に優位である。そこで、本研究では、Agをカソード目標材として、Pt, Pdを比較カソード材として、500℃における過電圧の比較を行った。Pdは、アノード材として、中温域で使用できているために、カソードにおいて適用可能か確認するために選択した。過電圧の比較結果を図48に示す。それぞれペーストを塗布後、乾燥し、Pt, Pdは900℃において焼き付け、Agは融点が962℃と低いために、800℃で焼き付けを行った。図48より、カソード過電圧は、多孔質Agカソードを適用することで大幅に低減できることが明らかとなった。一方、Pdは、Ptと同程度のカソード過電圧を示した。   In the middle temperature range, a cathode material that exhibits electrode activity and is inexpensive must be selected. Recently, good cathode activity in a medium temperature region has been shown in a cathode using inexpensive Ag. Pt is about 3,000 yen / g, whereas Ag is about 26 yen / g (26,000 yen / kg), which is superior in cost. Therefore, in this study, we compared overvoltages at 500 ° C using Ag as the cathode target material and Pt and Pd as the comparative cathode materials. Since Pd can be used as an anode material in an intermediate temperature range, it was selected to confirm whether it can be applied to the cathode. The overvoltage comparison results are shown in FIG. Each paste was applied and dried, and Pt and Pd were baked at 900 ° C., and Ag was baked at 800 ° C. because the melting point was as low as 962 ° C. From FIG. 48, it became clear that the cathode overvoltage can be greatly reduced by applying a porous Ag cathode. On the other hand, Pd showed the same cathode overvoltage as Pt.

試験後のカソード表面のSEM写真を図49に示す。図中において(a)はPd、(b)はPt、(c)はAgカソード表面のSEM観察結果である。Agの表面形態は、Pt, Pdと比較して、Agが凝集しているように観察された。通常、多孔質電極では、電極反応が起こる三相(ガス-電極-電解質)界面の面積が狭いほど過電圧が大きくなるが、図48では、上記とは逆に過電圧が低くなる結果を示した。この結果については、唯一Pt, PdにはないAgの特性として、酸素の透過能を示すことが電極反応に関与している可能性が示唆される。以上より、Agの中温域でのカソード材としての可能性が示された。   An SEM photograph of the cathode surface after the test is shown in FIG. In the figure, (a) is Pd, (b) is Pt, and (c) is the result of SEM observation of the Ag cathode surface. The surface morphology of Ag was observed as Ag aggregated compared to Pt and Pd. In general, in a porous electrode, the overvoltage increases as the area of the three-phase (gas-electrode-electrolyte) interface where the electrode reaction occurs, but FIG. 48 shows the result that the overvoltage decreases in contrast to the above. Regarding this result, it is suggested that the characteristic of Ag which is not in Pt and Pd is that oxygen permeability is involved in the electrode reaction. From the above, the possibility as a cathode material in the middle temperature range of Ag was shown.

(4)性能向上対策を施したセルによる電池性能の向上
電解質の緻密化、Pd成膜法の見直し、カソード材の変更により過電圧が低減され、セル性能の向上が見込めるため、それぞれの改善策を適用して単セルを再構成し、500℃で発電試験を行った結果を図50に示す。無電解Pd合金めっき緻密膜+BCO膜+多孔質Agカソードを選定した結果、最大出力密度は、500℃でも0.037Wcm-2を示し、実施例1のPdペースト法を用いたPd/SrCeO3セルの電池性能よりも約15倍性能を向上させることに成功した。
(4) Improvement of battery performance by cells with performance improvement measures Densification of electrolyte, review of Pd film formation method, and change of cathode material can reduce overvoltage and improve cell performance. FIG. 50 shows the result of applying a power generation test at 500 ° C. by reconfiguring a single cell. As a result of selecting an electroless Pd alloy plating dense film + BCO film + porous Ag cathode, the maximum power density was 0.037 Wcm -2 even at 500 ° C, and Pd / SrCeO 3 cell using the Pd paste method of Example 1 We succeeded in improving the battery performance by about 15 times.

次に、中温形燃料電池において到達可能な電池性能を試算し、その電池性能レベルを検討した。中温形燃料電池の電池性能試算は以下のように行った。BCOの導電率、Pd緻密膜とAg多孔質カソードの過電圧特性から、電解質抵抗、アノードおよびカソード反応抵抗が得られることから、電池出力密度つまり電池性能を試算することができる。試算条件として、水素酸素燃料電池において、動作温度500℃、電解質の薄膜化が成功したとして、BCO膜厚20mmと設定し、アノードには無電解Pd合金メッキ緻密薄膜を、カソードには多孔質Agを選定し、全抵抗を算出した後、電流-電圧特性から出力密度特性を試算した。試算結果を図51に示す。比較のためにこれまでの結果も同図に示す。500℃における試算性能は、無電解Pd合金メッキ緻密薄膜+BCO薄膜+多孔質Agカソードを選定した場合、現行の高温SOFC 性能(0.22 Wcm-2, 300mAcm-2, 0.74Vにおける出力密度)に匹敵する0.24 Wcm-2(BaCeO3膜厚20mm, 300mAcm-2における出力密度)と試算され、高温SOFCに匹敵する電池性能レベルであることが示された。
[実施例3]
ここまでは、Pd/SCO膜およびPd/BCO膜を燃料電池の電解質に用いた場合の発電の可能性を検討し、理論通り実証することができた。そこで、以下に材料コスト面からさらに考察を加え、燃料電池としての可能性を試算した。
Next, the battery performance that can be reached in the medium temperature fuel cell was estimated, and the battery performance level was examined. The battery performance of the intermediate temperature fuel cell was estimated as follows. Since the electrolyte resistance, anode and cathode reaction resistance can be obtained from the electrical conductivity of BCO and the overvoltage characteristics of the Pd dense film and Ag porous cathode, the battery output density, that is, the battery performance can be estimated. As a trial calculation condition, in a hydrogen-oxygen fuel cell, an operating temperature of 500 ° C. and an electrolyte thinning were successfully established. A BCO film thickness of 20 mm was set, an electroless Pd alloy plating dense thin film was used for the anode, and porous Ag was used for the cathode. After calculating the total resistance, the output density characteristics were estimated from the current-voltage characteristics. The trial calculation results are shown in FIG. The results so far are also shown in the figure for comparison. The estimated performance at 500 ° C is comparable to the current high-temperature SOFC performance (power density at 0.22 Wcm -2 , 300 mAcm -2 , 0.74 V) when electroless Pd alloy plated dense thin film + BCO thin film + porous Ag cathode is selected. 0.24 Wcm -2 (BaCeO 3 film thickness 20mm, 300mAcm -2 power density) was estimated, and it was shown that the battery performance level was comparable to high temperature SOFC.
[Example 3]
Up to this point, the possibility of power generation when using Pd / SCO membranes and Pd / BCO membranes as fuel cell electrolytes has been investigated and verified theoretically. Therefore, further consideration was given below from the viewpoint of material cost, and the possibility as a fuel cell was estimated.

比較対象はSOFCとした。また、コスト試算では、SCOよりも導電率が高く、コスト低減につながるBCOを比較対象とした。本発明に係る複合膜型電解質は、金属と酸化物電解質を複合化することにより、金属部がアノード機能も持ち合わせるため、アノード材が不要となるメリットがある。一方、適用したパラジウム(Pd)合金膜は、高い水素選択透過性を示し、半導体製造に必要な高純度水素の製造に使用されるポテンシャルをもつが、金属Pdは金や白金と同様に極めて高価な金属であり、実用化を妨げる大きな障害となる。水素透過膜2の材質としては、現在、これに代わる安価な金属膜材料の開発が活発に行われており、その中で、Zr-Ni系、V-Ni系、Nb-Ni系などの安価な合金材料に注目が集まっている。これら透過膜の水素透過能は、Pd膜(10-7mol/(m2・s・Pa))より1桁劣るものの、例えば、Zr-Ni系では、Pd膜に比べて原材料費は数百分の一と大変安価となる。したがって、実用化を目指すためには、Pd使用量を極力減らすか、安価な水素透過膜2の開発が不可欠であると考えられる。 The comparison target was SOFC. In the cost estimation, we compared BCO, which has higher conductivity than SCO and leads to cost reduction. The composite membrane electrolyte according to the present invention has a merit that an anode material is not required because a metal part also has an anode function by compounding a metal and an oxide electrolyte. On the other hand, the applied palladium (Pd) alloy membrane shows high hydrogen permselectivity and has the potential to be used for the production of high-purity hydrogen necessary for semiconductor production, but metal Pd is extremely expensive like gold and platinum. This metal is a major obstacle to practical use. As materials for the hydrogen permeable membrane 2, there are currently active developments of inexpensive metal film materials to replace them, and among them, Zr-Ni, V-Ni, Nb-Ni, etc. are inexpensive. Attention has been focused on new alloy materials. The hydrogen permeability of these permeable membranes is one order of magnitude less than that of Pd membranes (10 -7 mol / (m 2 · s · Pa)). It's a fraction of the cost. Therefore, in order to aim for practical use, it is considered essential to reduce the amount of Pd used as much as possible or to develop an inexpensive hydrogen permeable membrane 2.

実際に、材料コスト面から金属/酸化物複合膜型電解質の膜厚を試算した。試算式には、次の数式1を用いた。また、材料単価および密度は、表3の値を用いた。   Actually, the film thickness of the metal / oxide composite membrane type electrolyte was estimated from the viewpoint of material cost. The following formula 1 was used for the trial calculation formula. Moreover, the value of Table 3 was used for the material unit price and the density.

まず、SOFCにおける電解質(YSZ)+アノード(Ni-YSZ)分のコストを試算した。試算性能は、電解質厚さ40μm、アノード厚さ100μmとし、300mA/cm2において0.74Vで行った(結果については表3参照)。YSZを用いたSOFCの(電解質+アノード)の1kWあたりの原材料コストは約1,785円となった。実際に試算されるコストには、製造に要した様々なコストをトータルに考慮する必要があり、月産ベースで試算されている平板型SOFCを例にとってみると、約68,000円/kWであり、電解質+アノード個別のコストでみると約11,000円/kWと試算された。次に、YSZの原材料コストをベースにPd-BCOのコストを試算した。Pd-BCOでは、Pdの原価が極端に高いために、Pd膜厚をパラメータとし、YSZの原材料コストと比較することで、最適なPd膜厚およびBCO膜厚を求めた。なお、BCO膜厚は、現行のSOFCの電解質膜厚が数10μmであり、製法上からも10μm以下の電解質膜厚を作製することは難しいと考えられるため、YSZの膜厚オーダーに揃えた。結果を図28に示す。図28よりPd膜厚が0.1μmよりも厚い場合、コスト的に実用化は難しいと思われる。また、Pd膜厚が0.1μm以下でも、BCO膜厚が20μmより厚くなると、YSZよりも割高になってしまうと考えられる。また、Pd膜厚は、現在報告されているPd水素透過膜2の成膜技術で0.1μmまでは支持膜方式を用いて薄膜化が可能であることから、0.1μmまでのPd膜厚を試算対象とすると、コスト的にBCO膜厚は20μm以下が望ましいと試算される。 First, the cost for electrolyte (YSZ) + anode (Ni-YSZ) in SOFC was estimated. The trial calculation performance was performed at 0.74 V at 300 mA / cm 2 with an electrolyte thickness of 40 μm and an anode thickness of 100 μm (see Table 3 for results). The raw material cost per kW of SOFC (electrolyte + anode) using YSZ was about 1,785 yen. It is necessary to consider the total costs required for manufacturing in total for the actual estimated cost. Taking the flat-plate SOFC estimated on a monthly basis as an example, it is approximately 68,000 yen / kW. The cost of the electrolyte + anode was estimated to be about 11,000 yen / kW. Next, the cost of Pd-BCO was estimated based on the raw material cost of YSZ. In Pd-BCO, since the cost of Pd is extremely high, the optimum Pd film thickness and BCO film thickness were obtained by using the Pd film thickness as a parameter and comparing it with the raw material cost of YSZ. Note that the BCO film thickness is the same as the YSZ film thickness order because the current SOFC electrolyte film thickness is several tens of μm, and it is considered difficult to produce an electrolyte film thickness of 10 μm or less from the viewpoint of the manufacturing method. The results are shown in FIG. From FIG. 28, when the Pd film thickness is thicker than 0.1 μm, it seems difficult to put it to practical use in terms of cost. Even if the Pd film thickness is 0.1 μm or less, it is considered that if the BCO film thickness is greater than 20 μm, it will be higher than YSZ. The Pd film thickness can be reduced to 0.1 μm using the currently supported Pd hydrogen permeable film 2 film formation technology using the support film method. As a target, it is estimated that the BCO film thickness is preferably 20 μm or less in terms of cost.

以上より、Pd/BCO電解質膜は、最も厚くて約20μmであるために、構造は電解質自立膜型では、到底機械的強度を保つことができない。従って、カソードあるいはアノードによる多孔質体支持膜型構造が望ましい。多孔質体支持膜型構造はセンサーで使用できる構造である。電流を流さない起電力式のセンサーの場合はオーミックロスによる電圧降下がないので、電解質膜自立型構造をとることもできる。他のデバイスについては、通電するため電解質はどうしても極力薄くする必要がある。このため、電解質自身では強度が足りなくなるため多孔質体支持膜型構造が望ましい。   As described above, since the Pd / BCO electrolyte membrane is the thickest and has a thickness of about 20 μm, the structure cannot be kept mechanically with the electrolyte self-supporting membrane type. Therefore, a porous body support membrane type structure with a cathode or an anode is desirable. The porous body support membrane type structure is a structure that can be used in a sensor. In the case of an electromotive force type sensor that does not pass an electric current, there is no voltage drop due to ohmic cross, so that an electrolyte membrane self-supporting structure can be adopted. For other devices, it is necessary to make the electrolyte as thin as possible to energize. For this reason, since the strength of the electrolyte itself is insufficient, a porous body support membrane type structure is desirable.

以上、原材料コスト面から、金属/酸化物複合膜型電解質の今後の開発目標仕様を試算した。電解質は、SCOから導電率の高いBCOに変え膜厚を20μm以下に、Pd膜厚は0.1μm以下とすることが望ましい。   In the above, the future development target specifications of the metal / oxide composite membrane type electrolyte were calculated from the viewpoint of raw material costs. The electrolyte is preferably changed from SCO to BCO with high conductivity so that the film thickness is 20 μm or less and the Pd film thickness is 0.1 μm or less.

本発明に係るプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質の構造を簡単に示した概略図である。It is the schematic which showed simply the structure of the proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane type electrolyte which concerns on this invention. AECe1-xMxO3-aの欠陥構造とプロトンの生成を、(a)化学量論組成と比較し(Stoichiometry)、(b)湿潤酸素中、(c)乾燥酸素中、(d)水素中のそれぞれについて概略的に示した図である。The defect structure and proton generation of AECe 1-x M x O 3-a are compared with (a) stoichiometric composition (Stoichiometry), (b) in wet oxygen, (c) in dry oxygen, (d) It is the figure shown roughly about each in hydrogen. Pd膜における水素透過の原理を示した図である。It is the figure which showed the principle of hydrogen permeation in a Pd film. 水素透過膜とプロトン導電性セラミックスを用いた燃料電池の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell using a hydrogen permeable membrane and proton conductive ceramics. 金属/酸化物複合膜型電解質を用いた燃料電池の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell using a metal / oxide composite membrane type electrolyte. 金属レジネートを含むペースト(AR)および金属レジネートを含まないペースト(AN)につき、各温度(900℃、1000℃、1100℃、1200℃、1300℃)においてアルミナ板上に成膜されたPd膜の様子を示す画像である。(a)AR 900℃ in air、(b)AR 1000℃ in air、(c)AR 1100℃ in air、(d)AR 1200℃ in air、(e)AR 1300℃ in air、(f)AN 1300℃ in air、である。For the paste containing metal resinate (AR) and the paste not containing metal resinate (AN), the Pd film formed on the alumina plate at each temperature (900 ° C, 1000 ° C, 1100 ° C, 1200 ° C, 1300 ° C) It is an image which shows a mode. (A) AR 900 ° C in air, (b) AR 1000 ° C in air, (c) AR 1100 ° C in air, (d) AR 1200 ° C in air, (e) AR 1300 ° C in air, (f) AN 1300 ℃ in air. 二度の熱処理によってアルミナ上に緻密に成膜されたPd膜の様子を示す画像である。It is an image which shows the mode of the Pd film | membrane densely formed on the alumina by two heat processing. 二度の熱処理によってSCO基板上に緻密に成膜されたPd膜の様子を示す画像である。It is an image which shows the mode of the Pd film densely formed on the SCO substrate by two heat treatments. 試料断面の光学顕微鏡写真(×500)である。It is an optical micrograph (x500) of a sample cross section. 試料断面のEPMAによる各元素の特性X線像を示す図である。It is a figure which shows the characteristic X-ray image of each element by EPMA of a sample cross section. 標準物質を用いたEDX実測値の補正内容を示すグラフである。It is a graph which shows the correction | amendment content of the EDX actual value using a reference material. Pd-Agの二元系相図である。It is a binary phase diagram of Pd-Ag. XRD解析結果から見た曝露試験前後のSrCeO3相の比較結果を示すグラフである。It is a graph showing the comparison results of SrCeO 3 phases before and after the exposure test as seen from the XRD analysis results. プロトン導電体を利用した水素濃淡電池の原理を示す図である。It is a figure which shows the principle of the hydrogen concentration battery using a proton conductor. 水素濃淡電池における水素分圧と起電力との概略関係を示すグラフである。It is a graph which shows the schematic relationship between the hydrogen partial pressure and an electromotive force in a hydrogen concentration battery. プロトン導電体を利用した水素ポンプの原理を示す図である。It is a figure which shows the principle of the hydrogen pump using a proton conductor. 本実施例において作製した複合膜型電解質膜の平面図である。It is a top view of the composite membrane type electrolyte membrane produced in the present Example. 本実施例において作製した複合膜型電解質膜の側面図である。It is a side view of the composite membrane type electrolyte membrane produced in the present Example. 水素濃淡電池法の装置概略図である。It is the apparatus schematic of a hydrogen concentration cell method. 水素濃淡電池の起電力と水素分圧の関係(実戦:理論値)を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship (actual battle: theoretical value) of the electromotive force and hydrogen partial pressure of a hydrogen concentration battery. 電流に対する水素発生速度を示すグラフである。It is a graph which shows the hydrogen generation rate with respect to an electric current. プロトン導電体を利用した水素酸素燃料電池の原理を示す図である。It is a figure which shows the principle of the hydrogen oxygen fuel cell using a proton conductor. 燃料電池実験に用いた装置の概略図である。It is the schematic of the apparatus used for the fuel cell experiment. 各温度における燃料電池の起電力を示すグラフである。It is a graph which shows the electromotive force of the fuel cell in each temperature. 起電力から求めたPd/SCOの燃料電池雰囲気におけるプロトン輸率の温度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature dependence of the proton transport number in the fuel cell atmosphere of Pd / SCO calculated | required from the electromotive force. Pd/SCO膜を用いた燃料電池の電流−電圧特性を示すグラフである。It is a graph which shows the current-voltage characteristic of the fuel cell using a Pd / SCO film | membrane. CO2を含む燃料を用いた燃料電池における放電時の電圧の経時変化を示すグラフである。3 is a graph showing a change with time of voltage during discharge in a fuel cell using a fuel containing CO 2 . Pd-BCO膜材料コストのPd膜厚依存性を示すグラフである。It is a graph which shows Pd film thickness dependence of Pd-BCO film | membrane material cost. 固/液界面における接合の様子と固/固界面における接合の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of joining in a solid / liquid interface, and the mode of joining in a solid / solid interface. 本発明の一実施形態を示す図で、複合膜の面のうちアノードガス(CO2を含むガス)側の表面に多孔質支持体が形成されている複合膜型電解質を示したものである。1 is a diagram showing an embodiment of the present invention, and shows a composite membrane electrolyte in which a porous support is formed on the surface of the composite membrane on the anode gas (CO 2 -containing gas) side. 本発明の一実施形態を示す図で、複合膜の面のうちアノードガス(CO2を含むガス)側の表面に多孔質支持体を形成し、尚かつアノードガスとは反対側の面にプロトン(H+)が通過可能な別の水素透過膜を形成したものである。FIG. 2 is a diagram showing an embodiment of the present invention, in which a porous support is formed on the surface of the composite membrane on the anode gas (gas containing CO 2 ) side, and protons are formed on the surface opposite to the anode gas. Another hydrogen permeable membrane through which (H + ) can pass is formed. 本発明の一実施形態を示す図で、複合膜のアノードガス側とは反対側の表面に形成された多孔質カソードを多孔質支持体として機能させたものである。1 is a diagram showing an embodiment of the present invention, in which a porous cathode formed on a surface opposite to an anode gas side of a composite membrane is made to function as a porous support. 本発明の一実施形態を示す図で、複合膜のうちアノードガス側とは反対側の表面に多孔質カソードを形成し、さらにこの多孔質カソードのカソード側表面に多孔質支持体を形成したものである。1 is a diagram showing an embodiment of the present invention, in which a porous cathode is formed on the surface of the composite membrane opposite to the anode gas side, and a porous support is formed on the cathode side surface of the porous cathode. It is. 本発明の一実施形態を示す図で、複合膜のアノードガス側とは反対側の表面にプロトン(H+)が通過可能な別の水素透過膜を形成し、さらにこの水素透過膜のカソード側表面に多孔質支持体を形成したものである。FIG. 5 is a diagram showing an embodiment of the present invention, in which another hydrogen permeable membrane capable of allowing protons (H + ) to pass is formed on the surface opposite to the anode gas side of the composite membrane, and further, the cathode side of the hydrogen permeable membrane A porous support is formed on the surface. 各種ペロブスカイト型酸化物の水素中のプロトン導電率を示すグラフである。It is a graph which shows the proton conductivity in hydrogen of various perovskite type oxides. SrCeO3膜を使った従来の水素分離法の概念を示す図である。SrCeO is a diagram showing the concept of a conventional hydrogen separation method using a 3 membrane. Pd膜を使った従来の水素分離法の概念を示す図である。It is a figure which shows the concept of the conventional hydrogen separation method using a Pd membrane. 単セルのセッティング状態を示す図である。It is a figure which shows the setting state of a single cell. 電解質にSCOおよびBCOを用いた場合の中温域(500〜600℃)における電流―電圧特性を示す図である。It is a figure which shows the current-voltage characteristic in the medium temperature range (500-600 degreeC) at the time of using SCO and BCO for electrolyte. 電極と電解質からなる電気化学セルの電気的な等価回路を示す図である。尚、Rb:電解質抵抗、Re:反応抵抗、Cb:電解質キャパシター容量、Cdl:二重層容量である。It is a figure which shows the electrical equivalent circuit of the electrochemical cell which consists of an electrode and electrolyte. R b : electrolyte resistance, R e : reaction resistance, C b : electrolyte capacitor capacity, C dl : double layer capacity. カレントインターラプション(電流遮断)法について示す図である。(a)はオシロスコープで観測される波形、(b)はカレントインターラプション(電流遮断)法の装置概略図である。It is a figure shown about the current interruption (current interruption) method. (A) is a waveform observed with an oscilloscope, (b) is a schematic diagram of the apparatus of the current interruption (current interruption) method. 500℃における燃料電池の電流―電圧特性を示す図である。図中でOCVは開回路電圧を表している。It is a figure which shows the electric current-voltage characteristic of the fuel cell in 500 degreeC. In the figure, OCV represents an open circuit voltage. 初期のBCOによる電解質抵抗、改良後のBCOの電解質抵抗およびBCOの導電率から換算されるBCOの電解質抵抗を物性値として比較した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having compared the electrolyte resistance of BCO converted from the electrolyte resistance by initial stage BCO, the electrolyte resistance of BCO after improvement, and the electrical conductivity of BCO as a physical-property value. 無電解めっき工程のフロー図である。It is a flowchart of an electroless-plating process. Al2O3基板上にめっきされたPd合金緻密膜の断面をEPMAにより分析した結果である、Pd, Ag, Alの特性X線像を示す図である。(a)はPd、(b)はAg、(c)はAlの特性X線像である。The Al 2 O 3 the cross section of the Pd alloy dense film plated on a substrate which is a result of analysis by EPMA, illustrates Pd, Ag, a characteristic X-ray image of al. (A) is a characteristic X-ray image of Pd, (b) is Ag, and (c) is a characteristic X-ray image of Al. BCO上に無電解めっきによりPd合金緻密膜を施した複合膜型電解質とペースト法を用いた複合膜型電解質を用いて、カレントインターラプション法により、500℃におけるアノード過電圧を測定した結果を示す図である。The results of measurement of anode overvoltage at 500 ° C by current interruption method using composite membrane type electrolyte with Pd alloy dense film by electroless plating on BCO and composite membrane type electrolyte using paste method are shown. FIG. 多孔質Ptをカソード材として用いたときの過電圧の温度依存性を示す図である。It is a figure which shows the temperature dependence of overvoltage when using porous Pt as a cathode material. Ag、PtおよびPdをカソード材として用いたときの過電圧の比較結果を示す図である。It is a figure which shows the comparison result of the overvoltage when Ag, Pt, and Pd are used as a cathode material. Ag、PtおよびPdカソード表面のSEM観察結果を示す図である。(a)はPd、(b)はPt、(c)はAgカソード表面のSEM観察結果である。It is a figure which shows the SEM observation result of Ag, Pt, and a Pd cathode surface. (A) is Pd, (b) is Pt, (c) is an SEM observation result of the Ag cathode surface. 電解質の緻密化、Pd成膜法の見直しおよびカソード材の変更により過電圧を低減させるための改善策を適用して単セルを再構成し、500℃で発電試験を行った結果を示す図である。It is a figure showing the result of conducting a power generation test at 500 ° C by reconfiguring a single cell by applying an improvement measure to reduce overvoltage by densifying the electrolyte, reviewing the Pd film formation method, and changing the cathode material . アノードに無電解Pd合金メッキ緻密薄膜を、カソードに多孔質Agを選定し、全抵抗を算出した後、電流-電圧特性から出力密度特性を試算した結果を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the results of trial calculation of output density characteristics from current-voltage characteristics after selecting the electroless Pd alloy plated dense thin film for the anode and porous Ag for the cathode and calculating the total resistance.

符号の説明Explanation of symbols

1 SrCeO3膜(プロトン導電性酸化物膜)
2 Pd膜(水素透過膜)
3 酸化剤ガス(CO2を含むガス)
S 多孔質支持体
1 SrCeO 3 film (proton conductive oxide film)
2 Pd membrane (hydrogen permeable membrane)
3 Oxidant gas (gas containing CO 2 )
S porous support

Claims (21)

バリウム(Ba)またはストロンチウム(Sr)をAサイトに配し、希土類元素セリウム(Ce)をBサイトに配するペロブスカイト型酸化物(ABO3)を基本構造とし、プロトン(H+)が通過可能でありCO2を含むガス中から水素のみを分離可能なプロトン導電性酸化物膜と、前記プロトン(H+)が通過可能でありCO2を含むガス中から水素のみを分離可能な水素透過膜との複合膜からなり、これら両膜の複合界面が連続接合した状態で、前記プロトン導電性酸化物膜の少なくとも前記ガス側の表面に前記水素透過膜が成膜され、尚かつ当該複合膜が多孔質支持体によって支持されていることを特徴とするプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質。 Perovskite oxide (ABO 3 ) with barium (Ba) or strontium (Sr) at the A site and rare earth element cerium (Ce) at the B site is the basic structure, allowing protons (H + ) to pass through. and only separable proton conductive oxide film hydrogen from gas containing CO 2 there, and the protons (H +) are separable only hydrogen from gas containing and CO 2 can pass through a hydrogen-permeable membrane The hydrogen permeable membrane is formed on at least the gas side surface of the proton conductive oxide film in a state where the composite interface between these two membranes is continuously joined, and the composite membrane is porous. A proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane type electrolyte supported by a porous support. 前記プロトン導電性酸化物膜は、希土類元素セリウム(Ce)の一部が当該セリウム(Ce4+)とは異なる他の低原子価希土類元素で置換されている構造となっていることを特徴とする請求項1に記載のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質。 The proton conductive oxide film has a structure in which a part of the rare earth element cerium (Ce) is substituted with another low-valent rare earth element different from the cerium (Ce 4+ ). The proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane electrolyte according to claim 1. 前記他の希土類元素は、イッテリビウム(Yb)、イットリウム(Y)、ディスプロシウム(Dy)、ガドリニウム(Gd)、サマリウム(Sm)、ネオジム(Nd)からなる群より選ばれた1種の希土類元素である請求項2に記載のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質。   The other rare earth element is one kind of rare earth element selected from the group consisting of ytterbium (Yb), yttrium (Y), dysprosium (Dy), gadolinium (Gd), samarium (Sm), and neodymium (Nd). The proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane electrolyte according to claim 2. 前記水素透過膜は水素透過性を示す金属または合金である請求項1から3のいずれかひとつに記載のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質。   The proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane type electrolyte according to any one of claims 1 to 3, wherein the hydrogen permeable membrane is a metal or an alloy exhibiting hydrogen permeability. 前記水素透過性を示す金属または合金が、パラジウム(Pd)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)からなる群より選ばれた1種または2種以上、あるいはそれらと銀(Ag)の合金を成分とする請求項4に記載のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質。   The metal or alloy exhibiting hydrogen permeability is palladium (Pd), niobium (Nb), tantalum (Ta), lanthanum (La), titanium (Ti), zirconium (Zr), copper (Cu), nickel (Ni) 5. The proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane electrolyte according to claim 4, comprising one or more selected from the group consisting of, or an alloy thereof with silver (Ag). 前記水素透過性を示す金属または合金が、パラジウム(Pd)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)からなる群より選ばれた1種または2種以上、あるいはそれらと銀(Ag)の合金を成分として無電解めっき法により形成されることを特徴とする請求項4もしくは5に記載のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質。   The metal or alloy exhibiting hydrogen permeability is palladium (Pd), niobium (Nb), tantalum (Ta), lanthanum (La), titanium (Ti), zirconium (Zr), copper (Cu), nickel (Ni) 6. The proton conductivity according to claim 4 or 5, wherein the proton conductivity is formed by electroless plating using one or more selected from the group consisting of, or an alloy of silver and silver (Ag) as a component. Oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane electrolyte. 多孔質支持体が前記複合膜の前記ガス側の表面に形成されていることを特徴とする請求項1から6のいずれかひとつに記載のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質。   The proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane electrolyte according to any one of claims 1 to 6, wherein a porous support is formed on the gas side surface of the composite membrane. . 前記複合膜の前記ガス側とは反対側の表面に多孔質カソードが形成されていることを特徴とする請求項7に記載のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質。   8. The proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane electrolyte according to claim 7, wherein a porous cathode is formed on a surface of the composite membrane opposite to the gas side. 前記多孔質カソードが少なくともペロブスカイト構造を有する電子−酸化物イオン混合導電性酸化物および銀(Ag)のうちいずれか一つを含んでいることを特徴とする請求項8に記載のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質。   9. The proton conductive oxidation according to claim 8, wherein the porous cathode contains at least one of an electron-oxide ion mixed conductive oxide having a perovskite structure and silver (Ag). Material membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane type electrolyte. 前記複合膜の前記ガス側とは反対側の表面に、前記プロトン(H+)が通過可能な別の水素透過膜が形成されていることを特徴とする請求項7に記載のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質。 8. The proton conductive oxidation according to claim 7, wherein another hydrogen permeable membrane through which the proton (H + ) can pass is formed on a surface opposite to the gas side of the composite membrane. 9. Material membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane type electrolyte. 前記別の水素透過膜は水素透過性を示す金属または合金である請求項10に記載のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質。   The proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane electrolyte according to claim 10, wherein the another hydrogen permeable membrane is a metal or an alloy exhibiting hydrogen permeability. 前記別の水素透過膜を構成する水素透過性を示す金属または合金が、パラジウム(Pd)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)からなる群より選ばれた1種または2種以上、あるいはそれらと銀(Ag)の合金を成分とする請求項11に記載のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質。   The metal or alloy showing hydrogen permeability constituting the another hydrogen permeable membrane is palladium (Pd), niobium (Nb), tantalum (Ta), lanthanum (La), titanium (Ti), zirconium (Zr), copper The proton conductive oxide film-hydrogen permeation according to claim 11, comprising one or more selected from the group consisting of (Cu) and nickel (Ni), or an alloy thereof with silver (Ag). Membrane composite membrane electrolyte. 前記別の水素透過膜を構成する水素透過性を示す金属または合金が、パラジウム(Pd)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)からなる群より選ばれた1種または2種以上、あるいはそれらと銀(Ag)の合金を成分として無電解めっき法により形成されることを特徴とする請求項11もしくは12に記載のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質。   The metal or alloy showing hydrogen permeability constituting the another hydrogen permeable membrane is palladium (Pd), niobium (Nb), tantalum (Ta), lanthanum (La), titanium (Ti), zirconium (Zr), copper 12. It is formed by electroless plating using one or more selected from the group consisting of (Cu) and nickel (Ni), or an alloy of these and silver (Ag) as a component. Alternatively, a proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane electrolyte according to 12, 前記多孔質支持体は、前記複合膜の前記ガス側とは反対側の表面に形成された多孔質カソードであることを特徴とする請求項1から6のいずれかひとつに記載のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質。   The proton conductive oxidation according to any one of claims 1 to 6, wherein the porous support is a porous cathode formed on a surface of the composite membrane opposite to the gas side. Material membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane type electrolyte. 前記複合膜の前記ガス側とは反対側の表面に多孔質カソードが形成され、さらに該多孔質カソードの表面に前記多孔質支持体が形成されていることを特徴とする請求項1から6のいずれかひとつに記載のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質。   The porous cathode is formed on the surface of the composite membrane opposite to the gas side, and the porous support is formed on the surface of the porous cathode. The proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane electrolyte according to any one of the above. 前記複合膜の前記ガス側とは反対側の表面に前記プロトン(H+)が通過可能な別の水素透過膜が形成され、さらに該別の水素透過膜の表面に前記多孔質支持体が形成されていることを特徴とする請求項1から6のいずれかひとつに記載のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質。 Another hydrogen permeable membrane through which the proton (H + ) can pass is formed on the surface of the composite membrane opposite to the gas side, and the porous support is formed on the surface of the other hydrogen permeable membrane. The proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane electrolyte according to any one of claims 1 to 6, wherein the electrolyte is a membrane electrolyte. 請求項1から16のいずれかひとつに記載のプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質を用いた電気化学デバイスであって、燃料電池、水素センサー、水素ポンプ、水蒸気センサーおよび排ガス浄化デバイスのいずれかに適用されるものであることを特徴とする電気化学デバイス。   An electrochemical device using the proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane composite membrane electrolyte according to any one of claims 1 to 16, comprising a fuel cell, a hydrogen sensor, a hydrogen pump, a water vapor sensor, and exhaust gas purification An electrochemical device that is applied to any one of the devices. 少なくともH2とCO2とを含有する混合ガス中の水素濃度を定量できる水素センサーとして適用されることを特徴とする請求項17に記載の電気化学デバイス。 The electrochemical device according to claim 17, wherein the electrochemical device is applied as a hydrogen sensor capable of quantifying a hydrogen concentration in a mixed gas containing at least H 2 and CO 2 . 少なくともH2とCO2とを含有する混合ガス中から水素のみを分離できる水素ポンプとして適用されることを特徴とする請求項17に記載の電気化学デバイス。 The electrochemical device according to claim 17, wherein the electrochemical device is applied as a hydrogen pump capable of separating only hydrogen from a mixed gas containing at least H 2 and CO 2 . 少なくとも水蒸気とCO2とを含有する混合ガス中から水蒸気濃度を定量できる水蒸気センサーとして適用されることを特徴とする請求項17に記載の電気化学デバイス。 An electrochemical device according to claim 17, characterized in that it is applied as steam sensor capable quantify water vapor concentration from a mixed gas containing at least steam and CO 2. 少なくとも水蒸気、CO2およびNOx を含有する排ガスからNOxを除去するための排ガス浄化用デバイスとして適用されることを特徴とする請求項17に記載の電気化学デバイス。
18. The electrochemical device according to claim 17, which is applied as an exhaust gas purification device for removing NOx from exhaust gas containing at least water vapor, CO 2 and NOx.
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