JP2007188652A - Hydrogen-permeable metal layer-electrolyte complex - Google Patents

Hydrogen-permeable metal layer-electrolyte complex Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve durability of a hydrogen-permeable metal layer-electrolyte complex. <P>SOLUTION: This hydrogen-permeable metal layer-electrolyte complex 23 is provided with: a hydrogen-permeable metal layer 22 having a noble metal at least on one surface and selectively making hydrogen permeate therethrough; and an electrolyte layer 21 arranged on the surface of the hydrogen-permeable metal layer 22 having the noble metal, having proton conductivity, and made of a solid oxide. An oxygen-group element other than oxygen is arranged at least on an interfacial surface between the hydrogen-permeable metal layer 22 and the electrolyte layer 21. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

この発明は、水素透過性金属層と電解質との複合体に関する。   The present invention relates to a composite of a hydrogen permeable metal layer and an electrolyte.

プロトン伝導性を有する電解質の一種として、固体酸化物から成る電解質が知られており、このような電解質は、例えば燃料電池の電解質層として用いることができる。固体酸化物から成る電解質層を備える燃料電池としては、水素透過性金属層上に、プロトン伝導性を有する固体酸化物層を形成した燃料電池が提案されている(例えば、特許文献1参照)。このような構成とすることで、電解質層を薄型化して、電解質層におけるプロトン伝導性を向上させることが可能になる。   As a kind of electrolyte having proton conductivity, an electrolyte made of a solid oxide is known, and such an electrolyte can be used, for example, as an electrolyte layer of a fuel cell. As a fuel cell including an electrolyte layer made of a solid oxide, a fuel cell in which a solid oxide layer having proton conductivity is formed on a hydrogen-permeable metal layer has been proposed (see, for example, Patent Document 1). With such a configuration, the electrolyte layer can be thinned and the proton conductivity in the electrolyte layer can be improved.

特開2004−146337号公報JP 2004-146337 A

しかしながら、このように異なる材料から成る層の複合体である水素透過性金属層・電解質複合体を用いる場合には、各々の材料が有する性質が異なることに起因して、複合体全体の耐久性が損なわれる場合があった。例えば、金属と固体酸化物とでは熱膨張係数が異なるため、燃料電池の運転中の温度条件下において、金属層と電解質層とで膨張の程度が異なることによって両者の界面に応力が生じ、金属・電解質複合体全体の耐久性が損なわれる場合があった。このような問題は、燃料電池に限らず、水素透過性金属層と固体酸化物から成る電解質層とを備える複合体を用いた他の装置、例えば水素ポンプや水素濃度センサにおいても同様に生じ得る問題であった。   However, when using a hydrogen permeable metal layer / electrolyte composite, which is a composite of layers made of different materials, the durability of the composite as a whole is attributed to the different properties of each material. May be damaged. For example, since the thermal expansion coefficient is different between a metal and a solid oxide, stress is generated at the interface between the metal layer and the electrolyte layer due to the difference in the degree of expansion between the metal layer and the electrolyte layer under temperature conditions during operation of the fuel cell. -The durability of the entire electrolyte composite may be impaired. Such a problem can occur not only in a fuel cell but also in other devices using a composite including a hydrogen permeable metal layer and an electrolyte layer made of a solid oxide, such as a hydrogen pump and a hydrogen concentration sensor. It was a problem.

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、水素透過性金属層・電解質複合体における耐久性を向上させることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and an object thereof is to improve the durability of a hydrogen-permeable metal layer / electrolyte composite.

上記目的を達成するために、本発明は、水素透過性金属層・電解質複合体であって、
少なくとも一方の表面に貴金属を備えると共に、水素を選択的に透過させる水素透過性金属層と、
前記水素透過性金属層における前記貴金属を備える表面上に設けられ、プロトン伝導性を有する固体酸化物から成る電解質層と、
を備え、
少なくとも前記水素透過性金属層と前記電解質層との界面に、酸素以外の酸素族元素が配置されていることを要旨とする。
To achieve the above object, the present invention provides a hydrogen-permeable metal layer / electrolyte composite,
A hydrogen-permeable metal layer that includes a noble metal on at least one surface and selectively transmits hydrogen;
An electrolyte layer comprising a solid oxide having proton conductivity provided on the surface of the hydrogen permeable metal layer provided with the noble metal;
With
The gist is that an oxygen group element other than oxygen is disposed at least at the interface between the hydrogen permeable metal layer and the electrolyte layer.

以上のように構成された本発明の水素透過性金属層・電解質複合体によれば、表面に貴金属を備える水素透過性金属層と、電解質層と、の界面に、酸素以外の酸素族元素が存在することにより、上記界面では、酸素と貴金属との結合に代えて、酸素以外の酸素族元素と貴金属との結合が形成される。このような構成とすることで、水素透過性金属層と電解質層との間の結合力を強めることができ、水素透過性金属層と電解質層との熱膨張率の違いなどに起因する水素透過性金属層・電解質層複合体の損傷を抑え、水素透過性金属層・電解質複合体の耐久性を高めることができる。   According to the hydrogen permeable metal layer / electrolyte composite of the present invention configured as described above, an oxygen group element other than oxygen is present at the interface between the hydrogen permeable metal layer having a noble metal on the surface and the electrolyte layer. By being present, at the interface, a bond between an oxygen group element other than oxygen and a noble metal is formed instead of a bond between oxygen and a noble metal. By adopting such a configuration, the bonding force between the hydrogen permeable metal layer and the electrolyte layer can be increased, and the hydrogen permeation caused by the difference in thermal expansion coefficient between the hydrogen permeable metal layer and the electrolyte layer can be achieved. Damage of the conductive metal layer / electrolyte layer composite can be suppressed, and the durability of the hydrogen permeable metal layer / electrolyte composite can be enhanced.

本発明の水素透過性金属層・電解質複合体において、前記酸素族元素は硫黄(S)であることとしても良い。   In the hydrogen permeable metal layer / electrolyte composite of the present invention, the oxygen group element may be sulfur (S).

このような構成とすれば、硫黄(S)と貴金属との間の結合力が、酸素と貴金属との間の結合力よりも強いため、水素透過性金属層・電解質層複合体の耐久性を高めることができる。   With such a configuration, since the bonding force between sulfur (S) and the noble metal is stronger than the bonding force between oxygen and the noble metal, the durability of the hydrogen permeable metal layer / electrolyte layer composite is improved. Can be increased.

また、本発明の水素透過性金属層・電解質複合体において、前記貴金属はパラジウム(Pd)であることとしても良い。   In the hydrogen permeable metal layer / electrolyte composite of the present invention, the noble metal may be palladium (Pd).

このような構成とすれば、酸素以外の酸素族元素とパラジウム(Pd)との間の結合力が、酸素とパラジウム(Pd)との間の結合力に比べて強いため、水素透過性金属層・電解質層複合体の耐久性を高めることができる。   With such a configuration, since the bonding force between oxygen group elements other than oxygen and palladium (Pd) is stronger than the bonding force between oxygen and palladium (Pd), the hydrogen permeable metal layer -The durability of the electrolyte layer composite can be increased.

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の水素透過性金属層・電解質複合体を備える燃料電池や水素ポンプ、あるいは水素濃度センサなどの形態で実現することが可能である。   The present invention can be realized in various forms other than the above. For example, the present invention can be realized in the form of a fuel cell, a hydrogen pump, or a hydrogen concentration sensor including the hydrogen permeable metal layer / electrolyte composite according to the present invention. Is possible.

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
A.燃料電池の構成:
B.製造方法:
C.第2実施例:
D.第3実施例:
E.変形例:
Next, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. Fuel cell configuration:
B. Production method:
C. Second embodiment:
D. Third embodiment:
E. Variation:

A.燃料電池の構成:
図1は、本発明の好適な一実施例である燃料電池を構成する単セル20の構成の概略を表わす断面模式図である。単セル20は、水素透過性金属層22と電解質層21とから成る水素透過性金属層・電解質複合体23と、電解質層21上に形成されるカソード24と、ガスセパレータ27,29とを備えている。ガスセパレータ27と水素透過性金属層22との間には、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路30が形成されている。また、ガスセパレータ29とカソード24との間には、酸素を含有する酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路32が形成されている。水素透過性金属層22、電解質層21およびカソード24から成る構造を、以下、MEA(Membrane Electrode Assembly)40と呼ぶ。図1では単セル20を示したが、実際の本実施例の燃料電池は、図1の単セル20を複数積層したスタック構造を有している。なお、図示は省略しているが、スタック構造の内部温度を調節するために、各単セル間に、あるいは所定数の単セルを積層する毎に、冷媒の通過する冷媒流路を設けても良い。
A. Fuel cell configuration:
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an outline of the configuration of a single cell 20 constituting a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention. The unit cell 20 includes a hydrogen permeable metal layer / electrolyte complex 23 composed of a hydrogen permeable metal layer 22 and an electrolyte layer 21, a cathode 24 formed on the electrolyte layer 21, and gas separators 27 and 29. ing. Between the gas separator 27 and the hydrogen permeable metal layer 22, an in-cell fuel gas channel 30 through which a fuel gas containing hydrogen passes is formed. Further, between the gas separator 29 and the cathode 24, there is formed an in-single cell oxidizing gas flow path 32 through which an oxidizing gas containing oxygen passes. Hereinafter, a structure including the hydrogen permeable metal layer 22, the electrolyte layer 21, and the cathode 24 is referred to as an MEA (Membrane Electrode Assembly) 40. Although the single cell 20 is shown in FIG. 1, the actual fuel cell of this embodiment has a stack structure in which a plurality of the single cells 20 of FIG. 1 are stacked. Although illustration is omitted, in order to adjust the internal temperature of the stack structure, a refrigerant flow path through which the refrigerant passes may be provided between the single cells or every time a predetermined number of single cells are stacked. good.

水素透過性金属層22は、水素透過性を有する金属によって形成される層であり、本実施例では、水素透過性金属層22を、パラジウム(Pd)によって形成している。パラジウムは、水素を透過させる性質に加えて、水素透過性金属層22を水素が透過する際に、水素透過性金属層22の表面において水素分子を解離させる活性を有する。このような水素透過性金属層22は、燃料電池におけるアノード電極としての機能を果たす。なお、本実施例の燃料電池は、水素透過性金属層22における電解質層21との界面を含む界面近傍に、硫黄(S)元素が導入されていることを特徴とするが、この界面の構造については後に詳しく説明する。   The hydrogen permeable metal layer 22 is a layer formed of a metal having hydrogen permeability, and in this embodiment, the hydrogen permeable metal layer 22 is formed of palladium (Pd). In addition to the property of allowing hydrogen to permeate, palladium has an activity of dissociating hydrogen molecules on the surface of the hydrogen permeable metal layer 22 when hydrogen passes through the hydrogen permeable metal layer 22. Such a hydrogen permeable metal layer 22 functions as an anode electrode in the fuel cell. The fuel cell of this example is characterized in that a sulfur (S) element is introduced in the vicinity of the interface including the interface with the electrolyte layer 21 in the hydrogen permeable metal layer 22. Will be described in detail later.

電解質層21は、プロトン伝導性を有する固体電解質から成る層である。本実施例では、ペロブスカイト型固体酸化物によって電解質層21を形成しており、具体的には、例えば、BaCe0.80.23や、SrZr0.8In0.23によって電解質層21を形成することができる。電解質層21は、緻密な水素透過性金属層22上に成膜されるため、充分な薄膜化が可能となる。このように、電解質層21をより薄く形成することによって電解質層21の膜抵抗を低減することができるため、従来の固体電解質型燃料電池の運転温度よりも低い温度である約200〜600℃程度で燃料電池を運転することが可能になる。 The electrolyte layer 21 is a layer made of a solid electrolyte having proton conductivity. In this embodiment, the electrolyte layer 21 is formed of a perovskite solid oxide. Specifically, for example, the electrolyte layer 21 may be formed of BaCe 0.8 Y 0.2 O 3 or SrZr 0.8 In 0.2 O 3 . it can. Since the electrolyte layer 21 is formed on the dense hydrogen permeable metal layer 22, it is possible to sufficiently reduce the thickness. Thus, since the membrane resistance of the electrolyte layer 21 can be reduced by forming the electrolyte layer 21 thinner, the temperature is lower than the operating temperature of the conventional solid electrolyte fuel cell, which is about 200 to 600 ° C. This makes it possible to operate the fuel cell.

カソード24は、電解質層21上に成膜された金属層であり、電気化学反応を促進する触媒活性を有する貴金属により形成されている。本実施例では、カソード24はパラジウムにより形成されている。白金(Pt)等、水素透過性を有しない他種の貴金属によりカソード24を構成する場合には、カソード24を充分に薄く形成するなどにより、カソード24の外側(単セル内酸化ガス流路32側)と電解質層21との間にガス透過性を確保すればよい。   The cathode 24 is a metal layer formed on the electrolyte layer 21 and is formed of a noble metal having catalytic activity that promotes an electrochemical reaction. In this embodiment, the cathode 24 is made of palladium. In the case where the cathode 24 is composed of another kind of noble metal having no hydrogen permeability, such as platinum (Pt), the cathode 24 is formed to be sufficiently thin, etc. Side) and the electrolyte layer 21 may be ensured.

ガスセパレータ27,29は、カーボンや金属などの導電性材料で形成されたガス不透過な部材である。ガスセパレータ27,29の表面には、既述した単セル内燃料ガス流路30や単セル内酸化ガス流路32を形成するための所定の凹凸形状が形成されている。なお、図1に示した単セル20において、MEA40とガスセパレータとの間に、さらに、導電性と共にガス透過性を有する部材、例えば発泡金属や金属メッシュなどの金属多孔質体やカーボンペーパなどのカーボン多孔質体を配置することとしても良い。   The gas separators 27 and 29 are gas-impermeable members made of a conductive material such as carbon or metal. On the surfaces of the gas separators 27 and 29, predetermined uneven shapes for forming the above-described single-cell in-cell fuel gas flow channel 30 and single-cell in-cell oxidizing gas flow channel 32 are formed. In the single cell 20 shown in FIG. 1, between the MEA 40 and the gas separator, a member having conductivity and gas permeability, for example, a metal porous body such as foam metal or metal mesh, carbon paper, etc. It is good also as arrange | positioning a carbon porous body.

燃料電池に供給される燃料ガスとしては、炭化水素系燃料を改質して得られる水素リッチガスを用いても良いし、純度の高い水素ガスを用いても良い。また、燃料電池に供給される酸化ガスとしては、例えば空気を用いることができる。   As the fuel gas supplied to the fuel cell, a hydrogen-rich gas obtained by reforming a hydrocarbon-based fuel may be used, or a high-purity hydrogen gas may be used. For example, air can be used as the oxidizing gas supplied to the fuel cell.

B.製造方法:
以下に、単セル20の製造方法を説明する。図2は、単セル20を構成するMEA40の製造工程を表わす説明図である。
B. Production method:
Below, the manufacturing method of the single cell 20 is demonstrated. FIG. 2 is an explanatory diagram showing a manufacturing process of the MEA 40 constituting the single cell 20.

MEA40を作成する際には、まず、水素透過性金属層22を用意する(ステップS100)。本実施例では、水素透過性金属層22として、パラジウムの金属膜を用意する。   When creating the MEA 40, first, the hydrogen permeable metal layer 22 is prepared (step S100). In this embodiment, a palladium metal film is prepared as the hydrogen permeable metal layer 22.

次に、ステップS100で用意した水素透過性金属層22の一方の面に硫黄を導入し、この一方の表面に硫化パラジウム(PdS)を形成させる(ステップS110)。すなわち、パラジウム原子と硫黄原子との間の結合を形成させる。具体的には、水素透過性金属層22の一方の面を、400℃で硫化水素(H2S)ガスに晒すことによって、水素透過性金属層22上に硫化パラジウムを形成させる。 Next, sulfur is introduced into one surface of the hydrogen permeable metal layer 22 prepared in step S100, and palladium sulfide (PdS) is formed on the one surface (step S110). That is, a bond between a palladium atom and a sulfur atom is formed. Specifically, palladium sulfide is formed on the hydrogen permeable metal layer 22 by exposing one surface of the hydrogen permeable metal layer 22 to hydrogen sulfide (H 2 S) gas at 400 ° C.

その後、水素透過性金属層22における硫黄を導入した側の面上に、電解質層21を形成して、水素透過性金属層・電解質複合体23を作製する(ステップS120)。電解質層21は、水素透過性金属層22上に、既述した固体酸化物を生成させつつ成膜させることによって形成される。成膜の方法としては、例えば、物理蒸着法(PVD)、化学蒸着法(CVD)を用いることができる。あるいは、スパッタ法やゾルゲル法により電解質層21を成膜しても良い。電解質層21の厚みは、例えば、0.1〜5μmとすることができる。   Thereafter, an electrolyte layer 21 is formed on the surface of the hydrogen permeable metal layer 22 on which sulfur has been introduced, thereby producing a hydrogen permeable metal layer / electrolyte complex 23 (step S120). The electrolyte layer 21 is formed by forming a film on the hydrogen permeable metal layer 22 while generating the solid oxide described above. As a film forming method, for example, physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD) can be used. Alternatively, the electrolyte layer 21 may be formed by sputtering or sol-gel method. The thickness of the electrolyte layer 21 can be 0.1-5 micrometers, for example.

このように、硫黄を導入した水素透過性金属層22上に電解質層21を形成すると、電解質層21を構成するペロブスカイト型結晶構造を有する固体酸化物において、水素透過性金属層22との界面では、固体酸化物中の構成元素の一部が、水素透過性金属層22に導入された硫黄と結合する。このような界面の様子を、図3に模式的に表わす。図3(A)は、本実施例における水素透過性金属層22と電解質層21との界面の様子を表わし、図3(B)は、硫黄を導入していない水素透過性金属層22上に電解質層21を形成した様子を表わしている。図3(B)に示すように、水素透過性金属層22に硫黄を導入しない場合には、水素透過性金属層22と電解質層21との界面では、電解質層21を構成する酸素原子の一部が、水素透過性金属層22を構成するパラジウムと結合している。これに対して、水素透過性金属層22表面に硫黄元素を導入すると、水素透過性金属層22と電解質層21との界面において、酸素と同じ酸素族元素であって酸素以外の元素である硫黄が、ペロブスカイト型結晶構造中で酸素の少なくとも一部と置換された状態になって、固体酸化物中の構成元素(図中、Aと表わす)と硫黄元素とが結合する。   As described above, when the electrolyte layer 21 is formed on the hydrogen permeable metal layer 22 into which sulfur is introduced, in the solid oxide having the perovskite crystal structure constituting the electrolyte layer 21, at the interface with the hydrogen permeable metal layer 22. A part of the constituent elements in the solid oxide is combined with sulfur introduced into the hydrogen permeable metal layer 22. Such a state of the interface is schematically shown in FIG. FIG. 3A shows the state of the interface between the hydrogen permeable metal layer 22 and the electrolyte layer 21 in this example, and FIG. 3B shows the state on the hydrogen permeable metal layer 22 into which sulfur is not introduced. The mode that the electrolyte layer 21 was formed is represented. As shown in FIG. 3B, in the case where sulfur is not introduced into the hydrogen permeable metal layer 22, one oxygen atom constituting the electrolyte layer 21 is formed at the interface between the hydrogen permeable metal layer 22 and the electrolyte layer 21. The portion is bonded to palladium constituting the hydrogen permeable metal layer 22. On the other hand, when a sulfur element is introduced into the surface of the hydrogen permeable metal layer 22, sulfur which is the same oxygen group element as oxygen and an element other than oxygen at the interface between the hydrogen permeable metal layer 22 and the electrolyte layer 21. However, in the perovskite crystal structure, at least a part of oxygen is substituted, and a constituent element (represented by A in the figure) in the solid oxide and a sulfur element are combined.

その後、電解質層21上にカソード24を形成して(ステップS130)、MEA40を完成する。カソード24は、例えば、PVDやCVDにより形成することができる。   Thereafter, the cathode 24 is formed on the electrolyte layer 21 (step S130), and the MEA 40 is completed. The cathode 24 can be formed by, for example, PVD or CVD.

燃料電池を組み立てる際にはさらに、図2に従って作製したMEA40を挟持するようにガスセパレータ27および29を配設して単セル20を形成し、さらにこの単セル20を所定数積層する。   When assembling the fuel cell, the gas separators 27 and 29 are disposed so as to sandwich the MEA 40 manufactured according to FIG. 2 to form a single cell 20, and a predetermined number of the single cells 20 are stacked.

以上のように構成された第1実施例の燃料電池によれば、水素透過性金属層22と電解質層21との界面に酸素族元素である硫黄が存在することにより、上記界面では、酸素とパラジウムとの結合に代えて、硫黄とパラジウムとの結合が形成される。ここで、原子間の結合の強さは、酸素原子とパラジウム原子との間の結合力よりも、硫黄原子とパラジウム原子との間の結合力の方が強いため、水素透過性金属層22における界面近傍領域に硫黄を導入することで、水素透過性金属層22と電解質層21との間の結合力を強めることができる。このように、水素透過性金属層22と電解質層21との間の結合力を強めることにより、水素透過性金属層22と電解質層21との熱膨張率の違いなどに起因する水素透過性金属層・電解質複合体23の損傷を抑え、燃料電池の耐久性を高めることができる。   According to the fuel cell of the first embodiment configured as described above, oxygen, which is an oxygen group element, is present at the interface between the hydrogen permeable metal layer 22 and the electrolyte layer 21. Instead of the bond with palladium, a bond between sulfur and palladium is formed. Here, the bond strength between the atoms is stronger in the hydrogen permeable metal layer 22 because the bond strength between the sulfur atom and the palladium atom is stronger than the bond strength between the oxygen atom and the palladium atom. By introducing sulfur into the vicinity of the interface, the bonding force between the hydrogen permeable metal layer 22 and the electrolyte layer 21 can be increased. In this way, by increasing the bonding force between the hydrogen permeable metal layer 22 and the electrolyte layer 21, the hydrogen permeable metal resulting from the difference in thermal expansion coefficient between the hydrogen permeable metal layer 22 and the electrolyte layer 21. The damage of the layer / electrolyte complex 23 can be suppressed, and the durability of the fuel cell can be enhanced.

なお、酸素原子とパラジウム原子との間の結合力よりも、硫黄原子とパラジウム原子との間の結合力の方が強いことは、例えば、硫化パラジウム(PdS)と酸化パラジウム(PdO)の生成熱の大きさから知ることができる。生成熱とは、ある化合物1molが、ある温度で、その成分元素の単体から作られるときの反応熱をいう。生成熱が負の値であることは、単体元素で存在するよりもその化合物として存在する方が有利であることを示し、負の値が大きいほど、その化合物が安定であることを意味する。ここで、硫化パラジウムの生成熱は、298Kの温度条件では−75.0KJ/molであり、700Kの温度条件では−82.0KJ/molである。また、酸化パラジウムの生成熱は、298Kの温度条件では245.0KJ/molであり、700Kの温度条件では241.5KJ/molである(熱力学データベースソフトMALT2(科学技術社)参照)。298Kは、室温に対応する温度条件であり、700Kは、燃料電池の運転温度に対応する温度条件である。このように、室温および燃料電池の運転温度において、硫化パラジウムは酸化パラジウムよりも安定であるといえるため、パラジウム原子と硫黄原子との間の結合力は、パラジウム原子と酸素原子との間の結合力よりも強いということができる。   Note that the bonding force between the sulfur atom and the palladium atom is stronger than the bonding force between the oxygen atom and the palladium atom, for example, the heat of formation of palladium sulfide (PdS) and palladium oxide (PdO). You can know from the size of. The heat of formation refers to the heat of reaction when 1 mol of a certain compound is made from a single element of its constituent elements at a certain temperature. A negative value for the heat of formation indicates that it is more advantageous to exist as a compound than to exist as a single element, and a larger negative value means that the compound is more stable. Here, the heat of formation of palladium sulfide is −75.0 KJ / mol under the temperature condition of 298K, and −82.0 KJ / mol under the temperature condition of 700K. The heat of formation of palladium oxide is 245.0 KJ / mol under the temperature condition of 298K, and 241.5 KJ / mol under the temperature condition of 700K (see thermodynamic database software MALT2 (Science and Technology)). 298K is a temperature condition corresponding to room temperature, and 700K is a temperature condition corresponding to the operating temperature of the fuel cell. Thus, since palladium sulfide can be said to be more stable than palladium oxide at room temperature and fuel cell operating temperature, the bonding force between the palladium atom and the sulfur atom is the bond between the palladium atom and the oxygen atom. It can be said that it is stronger than power.

また、本実施例の電解質層21を構成する固体酸化物において、上記界面近傍での結晶構造中の酸素の一部が硫黄に置き換わっても、硫黄は酸素と同じ酸素族元素であるため、固体酸化物の性質が大きく変化することはない。したがって、硫黄の導入に起因する固体酸化物におけるプロトン伝導性の低下を抑えることができる。なお、電解質層21を構成する固体酸化物において、酸素元素の一部が硫黄に置き換わることによりプロトン伝導性がある程度低下する場合であっても、硫黄の導入を、界面近傍の領域に限っているため、電解質層21全体としてのプロトン伝導性を確保しつつ耐久性を向上させることにより、電池性能を向上させることができる。   Further, in the solid oxide constituting the electrolyte layer 21 of the present embodiment, even if a part of oxygen in the crystal structure near the interface is replaced with sulfur, sulfur is the same oxygen group element as oxygen. The nature of the oxide does not change significantly. Therefore, a decrease in proton conductivity in the solid oxide due to the introduction of sulfur can be suppressed. In the solid oxide constituting the electrolyte layer 21, introduction of sulfur is limited to a region in the vicinity of the interface even if proton conductivity is reduced to some extent by replacing some of the oxygen element with sulfur. Therefore, the battery performance can be improved by improving the durability while ensuring the proton conductivity of the electrolyte layer 21 as a whole.

上記第1実施例では、ステップS110において、水素透過性金属層22の一方の面を硫化水素(H2S)ガスに晒すことによって硫黄を導入し、水素透過性金属層22の表面に硫化パラジウムを形成させているが、異なる方法で硫化パラジウムを形成させても良い。例えば、ステップS110に代えて、水素透過性金属層22の一方の面上に硫化パラジウムの層をPVDなどにより成膜する工程を行なっても、同様の効果が得られる。 In the first embodiment, in step S 110, sulfur is introduced by exposing one surface of the hydrogen permeable metal layer 22 to hydrogen sulfide (H 2 S) gas, and palladium sulfide is formed on the surface of the hydrogen permeable metal layer 22. However, palladium sulfide may be formed by a different method. For example, the same effect can be obtained by performing a step of forming a palladium sulfide layer on one surface of the hydrogen permeable metal layer 22 by PVD instead of step S110.

C.第2実施例:
第1実施例では、水素透過性金属層22における電解質層21を形成する側の面に硫黄元素を導入することによって、水素透過性金属層22と電解質層21との界面に硫黄を配置させているが、異なる構成としても良い。異なる方法で上記界面に硫黄を配置させる構成を、第2実施例として以下に説明する。図4は、第2実施例の燃料電池を構成する単セル120の概略構成を表わす断面模式図である。図4では、図1に示す第1実施例の燃料電池と共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。
C. Second embodiment:
In the first embodiment, sulfur is arranged at the interface between the hydrogen permeable metal layer 22 and the electrolyte layer 21 by introducing sulfur element into the surface of the hydrogen permeable metal layer 22 on the side where the electrolyte layer 21 is formed. However, different configurations may be used. The structure which arrange | positions sulfur to the said interface by a different method is demonstrated below as 2nd Example. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a single cell 120 constituting the fuel cell of the second embodiment. In FIG. 4, the same reference numerals are assigned to parts common to the fuel cell of the first embodiment shown in FIG.

第2実施例の燃料電池は、水素透過性金属層22に隣接して、電解質層21に代えて電解質層121を備えている。電解質層121は、水素透過性金属層22側の硫化物層125と、カソード24側の酸化物層126とによって構成されている。ここで、硫化物層125は、第1実施例の電解質層21と同様の固体酸化物において、酸素の少なくとも一部を硫黄に置換した硫化物によって形成されている。また、酸化物層126は、第1実施例の電解質層21と同様の固体酸化物によって形成されている。図5は、水素透過性金属層22と電解質層121とカソード24とから成る第2実施例のMEA140の製造工程を表わす説明図である。   The fuel cell according to the second embodiment includes an electrolyte layer 121 adjacent to the hydrogen permeable metal layer 22 instead of the electrolyte layer 21. The electrolyte layer 121 includes a sulfide layer 125 on the hydrogen permeable metal layer 22 side and an oxide layer 126 on the cathode 24 side. Here, the sulfide layer 125 is formed of a sulfide obtained by substituting at least a part of oxygen with sulfur in the same solid oxide as the electrolyte layer 21 of the first embodiment. The oxide layer 126 is formed of the same solid oxide as the electrolyte layer 21 of the first embodiment. FIG. 5 is an explanatory view showing a manufacturing process of the MEA 140 of the second embodiment including the hydrogen permeable metal layer 22, the electrolyte layer 121, and the cathode 24.

第2実施例の燃料電池を製造するには、最初に、図2のステップS100と同様に、水素透過性金属層22を用意する(ステップS200)。その後、用意した水素透過性金属層22の一方の面上に、硫化物層125を、例えばPVDによって成膜する(ステップS210)。その後、上記硫化物層125上に、酸化物層126を形成すると共に(ステップS220)、酸化物層126上にカソード24を形成して(ステップS230)、MEA140を完成する。ここで、ステップS220およびステップS230は、図2のステップS120およびステップS130と同様の工程である。   In order to manufacture the fuel cell of the second embodiment, first, the hydrogen permeable metal layer 22 is prepared in the same manner as in Step S100 of FIG. 2 (Step S200). Thereafter, a sulfide layer 125 is formed on one surface of the prepared hydrogen permeable metal layer 22 by, for example, PVD (step S210). Thereafter, the oxide layer 126 is formed on the sulfide layer 125 (step S220), and the cathode 24 is formed on the oxide layer 126 (step S230), thereby completing the MEA 140. Here, step S220 and step S230 are the same processes as step S120 and step S130 of FIG.

以上のように構成された第2実施例の燃料電池によれば、水素透過性金属層22上に、固体酸化物が備える酸素の少なくとも一部を硫黄に置換した硫化物から成る硫化物層125と、固体酸化物から成る酸化物層126とによって構成される電解質層121を形成しているため、水素透過性金属層22と電解質層121との界面に酸素族元素である硫黄が存在することになる。従って、上記界面では、酸素とパラジウムとの結合に代えて、より結合力の強い硫黄とパラジウムとの結合が形成され、水素透過性金属層22と電解質層121との間の結合力を強めることができる。このように、水素透過性金属層22と電解質層121との間の結合力を強めることにより、水素透過性金属層22と電解質層121との熱膨張率の違いなどに起因する水素透過性金属層・電解質複合体の損傷を抑え、燃料電池の耐久性を高めることができる。   According to the fuel cell of the second embodiment configured as described above, the sulfide layer 125 made of sulfide obtained by substituting at least part of oxygen included in the solid oxide with sulfur on the hydrogen permeable metal layer 22. And the oxide layer 126 made of a solid oxide is formed, and therefore sulfur as an oxygen group element exists at the interface between the hydrogen permeable metal layer 22 and the electrolyte layer 121. become. Therefore, at the interface, instead of the bond between oxygen and palladium, a bond between sulfur and palladium having a stronger bond strength is formed, and the bond strength between the hydrogen permeable metal layer 22 and the electrolyte layer 121 is strengthened. Can do. In this way, by increasing the bonding force between the hydrogen permeable metal layer 22 and the electrolyte layer 121, the hydrogen permeable metal resulting from the difference in thermal expansion coefficient between the hydrogen permeable metal layer 22 and the electrolyte layer 121, etc. The damage of the layer / electrolyte composite can be suppressed, and the durability of the fuel cell can be enhanced.

硫化物層125において酸素を硫黄に置換する割合や、硫化物層125の膜厚は、酸素を硫黄に置換することにより結合力が強まる効果や、酸素を硫黄に置換することによるプロトン伝導性の変化の程度によって、適宜設定すればよい。硫化物層125において酸素を硫黄に置換する割合は、例えばPVDによって硫化物層125を形成する場合には、蒸着源として用いる成膜材料において調節することができる。硫化物層125の膜厚は、例えばPVDによって硫化物層125を形成する場合には、成膜時間によって調節することができる。また、電解質層121は、硫化物層125と酸化物層126とに二分するのではなく、水素透過性金属層22側からカソード24側へと、固体酸化物において酸素を硫黄に置換する割合を次第に減少させる構成としても良い。   The ratio of replacing oxygen with sulfur in the sulfide layer 125 and the film thickness of the sulfide layer 125 are the effects of increasing the bonding force by replacing oxygen with sulfur, and the proton conductivity by replacing oxygen with sulfur. What is necessary is just to set suitably according to the grade of a change. The ratio of replacing oxygen with sulfur in the sulfide layer 125 can be adjusted in the film forming material used as the evaporation source, for example, when the sulfide layer 125 is formed by PVD. The film thickness of the sulfide layer 125 can be adjusted by the film formation time, for example, when the sulfide layer 125 is formed by PVD. Further, the electrolyte layer 121 is not divided into the sulfide layer 125 and the oxide layer 126, but the ratio of replacing oxygen with sulfur in the solid oxide from the hydrogen permeable metal layer 22 side to the cathode 24 side. It is good also as a structure which decreases gradually.

D.第3実施例:
第2実施例では、硫化物層125と酸化物層126とを順次成膜することによって電解質層121を形成しているが、異なる構成としても良い。異なる製造工程により電解質層121を形成する構成を、第3実施例として以下に説明する。図6は、第3実施例の燃料電池におけるMEA140の製造工程を表わす説明図である。なお、第3実施例の燃料電池において、第1および第2実施例と共通する部分には同じ参照番号を付して、詳しい説明を省略する。
D. Third embodiment:
In the second embodiment, the electrolyte layer 121 is formed by sequentially forming the sulfide layer 125 and the oxide layer 126, but different configurations may be employed. A configuration in which the electrolyte layer 121 is formed by different manufacturing processes will be described below as a third embodiment. FIG. 6 is an explanatory view showing a manufacturing process of the MEA 140 in the fuel cell of the third embodiment. In the fuel cell of the third embodiment, the same reference numerals are assigned to the parts common to the first and second embodiments, and detailed description thereof is omitted.

第3実施例の燃料電池を製造するには、最初に、図2のステップS100と同様に、水素透過性金属層22を用意する(ステップS300)。その後、用意した水素透過性金属層22の一方の面上に、第2実施例の硫化物層125と同様の硫化物層を、例えばPVDによって成膜する(ステップS310)。ただし、本実施例のステップS310で形成する硫化物層は、第2実施例の硫化物層125よりも厚く、具体的には、電解質層121全体に相当する厚みに形成する。その後、上記硫化物層の表面に対して、酸化処理を施して、酸化物層126を形成する(ステップ320)。酸化処理は、例えば、酸化雰囲気下において、500℃で1時間程度処理すればよい。これにより、ステップS310で形成した硫化物層の表面において、硫化物中の硫黄が酸素に置換され、硫化物層の表面が、固体酸化物から成る酸化物層126になる。酸化処理の後は、酸化物層126上に、ステップS130と同様にしてカソード24を形成して(ステップS330)、MEA140を完成する。   To manufacture the fuel cell of the third embodiment, first, the hydrogen permeable metal layer 22 is prepared in the same manner as in step S100 of FIG. 2 (step S300). Thereafter, a sulfide layer similar to the sulfide layer 125 of the second embodiment is formed on one surface of the prepared hydrogen permeable metal layer 22 by, for example, PVD (step S310). However, the sulfide layer formed in step S <b> 310 of this embodiment is thicker than the sulfide layer 125 of the second embodiment, specifically, a thickness corresponding to the entire electrolyte layer 121. Thereafter, the surface of the sulfide layer is oxidized to form an oxide layer 126 (step 320). For example, the oxidation treatment may be performed at 500 ° C. for about 1 hour in an oxidizing atmosphere. Thereby, on the surface of the sulfide layer formed in step S310, sulfur in the sulfide is replaced with oxygen, and the surface of the sulfide layer becomes an oxide layer 126 made of a solid oxide. After the oxidation treatment, the cathode 24 is formed on the oxide layer 126 in the same manner as in Step S130 (Step S330), and the MEA 140 is completed.

以上のように構成された第3実施例の燃料電池によれば、第2実施例と同様に、水素透過性金属層22と電解質層121との界面近傍に酸素族元素である硫黄が存在することになる。従って、上記界面では、酸素とパラジウムとの結合に代えて、より結合力の強い硫黄とパラジウムとの結合が形成され、水素透過性金属層22と電解質層121との間の結合力を強めることができる。このように、水素透過性金属層22と電解質層121との間の結合力を強めることにより、水素透過性金属層22と電解質層121との熱膨張率の違いなどに起因する水素透過性金属層・電解質複合体の損傷を抑え、燃料電池の耐久性を高めることができる。   According to the fuel cell of the third embodiment configured as described above, sulfur as an oxygen group element exists in the vicinity of the interface between the hydrogen permeable metal layer 22 and the electrolyte layer 121, as in the second embodiment. It will be. Therefore, at the interface, instead of the bond between oxygen and palladium, a bond between sulfur and palladium having a stronger bond strength is formed, and the bond strength between the hydrogen permeable metal layer 22 and the electrolyte layer 121 is strengthened. Can do. In this way, by increasing the bonding force between the hydrogen permeable metal layer 22 and the electrolyte layer 121, the hydrogen permeable metal resulting from the difference in thermal expansion coefficient between the hydrogen permeable metal layer 22 and the electrolyte layer 121, etc. The damage of the layer / electrolyte composite can be suppressed, and the durability of the fuel cell can be enhanced.

なお、第3実施例では、ステップS310で形成した硫化物層に対して、ステップS320において酸化処理を施しているが、ステップS320の酸化処理を省略して燃料電池を組み立てることも可能である。この場合には、組み立てた燃料電池のカソード側に酸化ガスを供給して発電を開始することで、硫化物層のカソード側表面において酸化が進行して酸化物層126が形成される。   In the third embodiment, the sulfide layer formed in step S310 is oxidized in step S320. However, the fuel cell can be assembled by omitting the oxidation process in step S320. In this case, by supplying an oxidizing gas to the cathode side of the assembled fuel cell and starting power generation, oxidation proceeds on the cathode side surface of the sulfide layer, and the oxide layer 126 is formed.

E.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
E. Variation:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.

E1.変形例1:
第1ないし第3実施例では、水素透過性金属層と電解質層との界面を含む界面近傍領域に硫黄を備えさせることによって、水素透過性金属層と電解質層との間の結合の強度を向上させているが、酸素以外の酸素族元素であって、硫黄以外の元素を備えさせることとしても良い。すなわちセレン(Se)、テルル(Te)、ポロニウム(Po)を用いることができる。この場合にも、硫黄を備えさせる場合と同様の効果が得られる。
E1. Modification 1:
In the first to third embodiments, the strength of the bond between the hydrogen permeable metal layer and the electrolyte layer is improved by providing sulfur in the vicinity of the interface including the interface between the hydrogen permeable metal layer and the electrolyte layer. However, an oxygen group element other than oxygen and an element other than sulfur may be provided. That is, selenium (Se), tellurium (Te), and polonium (Po) can be used. In this case, the same effect as that obtained when sulfur is provided can be obtained.

E2.変形例2:
第1ないし第3実施例では、電解質層を構成する固体酸化物としてペロブスカイト型固体酸化物を用いているが、異なる種類の固体酸化物を用いても良い。例えば、La2Zr27、Sm2Zr1.80.27等のパイロクロア型固体酸化物、LaPO4等のモナザイト型固体酸化物、LaBO3等のアラゴナイト型固体酸化物、SiO2−P25、SiO2−H2SO4等のガラス固体酸化物を用いることができる。これらの固体酸化物を用いる場合にも、水素透過性金属層と固体酸化物との界面近傍に、酸素以外の酸素族元素を備えさせることで、水素透過性金属層と電解質層との結合力を強める同様の効果が得られる。
E2. Modification 2:
In the first to third embodiments, the perovskite type solid oxide is used as the solid oxide constituting the electrolyte layer, but different types of solid oxides may be used. For example, pyrochlore type solid oxide such as La 2 Zr 2 O 7 and Sm 2 Zr 1.8 Y 0.2 O 7 , monazite type solid oxide such as LaPO 4 , aragonite type solid oxide such as LaBO 3 , SiO 2 —P 2 Glass solid oxides such as O 5 and SiO 2 —H 2 SO 4 can be used. Even when these solid oxides are used, the bonding force between the hydrogen permeable metal layer and the electrolyte layer is provided by providing an oxygen group element other than oxygen near the interface between the hydrogen permeable metal layer and the solid oxide. A similar effect can be obtained.

E3.変形例3:
第1ないし第3実施例では、水素透過性金属層22をPd層としたが、異なる構成としても良い。例えば、パラジウム−銀合金などのパラジウム合金によって水素透過性金属層22を形成することができる。あるいは、水素透過性金属層22を、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)等の水素透過性を有する5族金属から成る層の両側に、パラジウム層あるいはパラジウム合金層を形成した3層構造を有する金属膜によって形成しても良い。水素透過性金属層において、少なくとも電解質層側の表面に、パラジウムあるいはパラジウム合金層を備えるならば、本発明を適用することで同様の効果が得られる。
E3. Modification 3:
In the first to third embodiments, the hydrogen permeable metal layer 22 is a Pd layer, but may have a different configuration. For example, the hydrogen permeable metal layer 22 can be formed of a palladium alloy such as a palladium-silver alloy. Alternatively, the hydrogen permeable metal layer 22 is formed with a palladium layer or a palladium alloy layer on both sides of a layer made of a group 5 metal having hydrogen permeability such as vanadium (V), niobium (Nb), or tantalum (Ta). It may be formed of a metal film having a three-layer structure. If the hydrogen permeable metal layer has a palladium or palladium alloy layer on at least the surface of the electrolyte layer, the same effect can be obtained by applying the present invention.

あるいは、水素透過性金属層は、パラジウム以外の貴金属を表面に備えることとしても良い。すなわち、水素透過性を有する5族金属から成る層の両側に、水素分子を解離・結合させる触媒活性を有する貴金属の層を設けた3層構造を有する金属膜によって、水素透過性金属層を構成しても良い。ここで、用いる貴金属が、触媒活性は有するが水素透過性能が充分ではない場合には、貴金属の層を緻密な膜として形成するのではなく、5族金属から成る層上に貴金属を島状に配置すればよい。一般に、貴金属は卑金属に比べて酸素との結合力が弱いが、貴金属と酸素との結合の少なくとも一部を、貴金属と酸素以外の酸素族元素との結合に置き換えることで、水素透過性金属層と電解質層との間の結合の強度を高める同様の効果を得ることができる。   Alternatively, the hydrogen permeable metal layer may include a noble metal other than palladium on the surface. That is, a hydrogen permeable metal layer is constituted by a metal film having a three-layer structure in which a noble metal layer having catalytic activity for dissociating and bonding hydrogen molecules is provided on both sides of a layer made of a hydrogen permeable group 5 metal. You may do it. Here, when the noble metal used has catalytic activity but the hydrogen permeation performance is not sufficient, the noble metal layer is not formed as a dense film, but the noble metal is formed in an island shape on the layer made of the group 5 metal. What is necessary is just to arrange. In general, noble metals have a weaker binding force with oxygen than base metals, but by replacing at least part of the bonds between noble metals and oxygen with bonds with noble metals and oxygen group elements other than oxygen, hydrogen permeable metal layers The same effect of increasing the strength of the bond between the electrolyte layer and the electrolyte layer can be obtained.

E4.変形例4:
第1ないし第3実施例では、水素透過性金属層を、水素透過性を有する金属薄膜、すなわち自立膜として形成したが、異なる構成としても良い。例えば、ガス透過性を有する板状部材(多数の穴を開けたステンレス鋼製の薄板や、金属あるいはセラミックス製の多孔質体など)の上に水素透過性金属を担持させることにより、水素透過性金属層を形成することができる。このような構成とすれば、水素透過性金属層を、さらに薄型化することができる。
E4. Modification 4:
In the first to third embodiments, the hydrogen permeable metal layer is formed as a metal thin film having hydrogen permeability, that is, a self-supporting film, but may have a different configuration. For example, hydrogen permeability can be obtained by supporting a hydrogen permeable metal on a plate member having gas permeability (such as a thin plate made of stainless steel with a large number of holes, or a porous body made of metal or ceramic). A metal layer can be formed. With such a configuration, the hydrogen permeable metal layer can be further reduced in thickness.

E5.変形例5:
第1ないし第3実施例では、水素透過性金属層と電解質層とから成る水素透過性金属層・電解質複合体を、固体電解質型燃料電池に用いたが、異なる構成としても良い。例えば、実施例と同様の水素透過性金属層・電解質複合体を、水素ポンプや水素濃度センサなどの装置に用いることができる。一例として、本発明の水素透過性金属層・電解質複合体を備える水素ポンプの構成について以下に説明する。
E5. Modification 5:
In the first to third embodiments, the hydrogen permeable metal layer / electrolyte composite composed of the hydrogen permeable metal layer and the electrolyte layer is used in the solid oxide fuel cell. However, different configurations may be used. For example, the same hydrogen-permeable metal layer / electrolyte complex as in the examples can be used in devices such as a hydrogen pump and a hydrogen concentration sensor. As an example, the configuration of a hydrogen pump provided with the hydrogen permeable metal layer / electrolyte complex of the present invention will be described below.

図7は本発明の水素透過性金属層・電解質層複合体を備える水素ポンプ220の概略構成を表わす断面模式図である。水素ポンプ220は、実施例の単セルと類似する構成を備えている。図7では、水素ポンプ220は、第1実施例と同様の水素透過性金属層・電解質複合体23を備えることとしているが、他の実施例の水素透過性金属層・電解質複合体を備えることとしても良い。図7の水素ポンプ220は、水素透過性金属層・電解質複合体23に加えて、さらに電極224と、ホルダ227,229と、電源250とを備えている。   FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a hydrogen pump 220 including the hydrogen-permeable metal layer / electrolyte layer composite of the present invention. The hydrogen pump 220 has a configuration similar to the single cell of the embodiment. In FIG. 7, the hydrogen pump 220 includes the same hydrogen permeable metal layer / electrolyte complex 23 as in the first embodiment, but includes the hydrogen permeable metal layer / electrolyte complex of other embodiments. It is also good. The hydrogen pump 220 of FIG. 7 includes an electrode 224, holders 227 and 229, and a power source 250 in addition to the hydrogen permeable metal layer / electrolyte complex 23.

ここで、電極224は、単セル20のカソード24と同様にして形成されている。また、ホルダ227,229は、その表面に所定形状の溝を有している。水素ポンプ220内において、上記溝は、ホルダ227,229と隣接する水素透過性金属層22あるいは電極224との間で、それぞれ、混合ガス流路230あるいは水素流路232を形成する。混合ガス流路230においては、外部から供給された水素を含有する混合ガスが流れる。また、水素流路232では、水素ポンプ220の働きで上記混合ガスから抽出された水素ガスが流入し、この水素ガスは、水素流路232から水素ポンプ外部へと排出される。   Here, the electrode 224 is formed in the same manner as the cathode 24 of the single cell 20. Further, the holders 227 and 229 have grooves having a predetermined shape on the surface thereof. In the hydrogen pump 220, the groove forms a mixed gas channel 230 or a hydrogen channel 232 between the holders 227 and 229 and the adjacent hydrogen permeable metal layer 22 or electrode 224. In the mixed gas channel 230, a mixed gas containing hydrogen supplied from the outside flows. In the hydrogen flow path 232, the hydrogen gas extracted from the mixed gas flows by the action of the hydrogen pump 220, and the hydrogen gas is discharged from the hydrogen flow path 232 to the outside of the hydrogen pump.

電源250は、直流定電圧電源であり、ホルダ227,229に接続されている。電源250のプラス側はホルダ229と接続されており、マイナス側はホルダ227と接続されている。水素ポンプ220の駆動時には、電源250によって両ホルダ間に電圧を印加しつつ、混合ガス流路230に対して混合ガスを供給する。これにより、混合ガス中の水素は、水素透過性金属層22において電子を失って電解質層21内をプロトンとして移動し、このプロトンは、電極224で再び電子を受け取って水素ガスとなる。このようにして、水素ポンプ220を用いることで、混合ガスから純度の高い水素が取り出される。   The power source 250 is a DC constant voltage power source and is connected to the holders 227 and 229. The positive side of the power supply 250 is connected to the holder 229, and the negative side is connected to the holder 227. When the hydrogen pump 220 is driven, a mixed gas is supplied to the mixed gas flow path 230 while applying a voltage between both holders by the power source 250. Thereby, hydrogen in the mixed gas loses electrons in the hydrogen permeable metal layer 22 and moves as protons in the electrolyte layer 21, and the protons receive electrons again at the electrode 224 and become hydrogen gas. In this way, by using the hydrogen pump 220, high purity hydrogen is extracted from the mixed gas.

上記のように、プロトン伝導性を有する電解質層を備える装置において本発明を適用し、電解質層として本発明の水素透過性金属層・電解質層複合体を備えさせることで、装置の耐久性を向上させることができる。   As described above, the present invention is applied to an apparatus having an electrolyte layer having proton conductivity, and the durability of the apparatus is improved by including the hydrogen permeable metal layer / electrolyte layer composite of the present invention as the electrolyte layer. Can be made.

第1実施例の単セル20の概略構成を表わす断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram showing the schematic structure of the single cell 20 of 1st Example. MEA40の製造工程を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing the manufacturing process of MEA40. 水素透過性金属層と電解質層との界面の様子を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing the mode of the interface of a hydrogen-permeable metal layer and an electrolyte layer. 第2実施例の単セル120の概略構成を表わす断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram showing the schematic structure of the single cell 120 of 2nd Example. 第2実施例のMEA140の製造工程を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing the manufacturing process of MEA140 of 2nd Example. 第3実施例のMEA140の製造工程を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing the manufacturing process of MEA140 of 3rd Example. 水素ポンプ220の概略構成を表わす断面模式図である。2 is a schematic cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a hydrogen pump 220. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

20,120…単セル
21,121…電解質層
22…水素透過性金属層
23…電解質複合体
24…カソード
27,29…ガスセパレータ
30…単セル内燃料ガス流路
32…単セル内酸化ガス流路
40,140…MEA
125…硫化物層
126…酸化物層
220…水素ポンプ
224…電極
227,229…ホルダ
230…混合ガス流路
232…水素流路
250…電源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 20,120 ... Single cell 21, 121 ... Electrolyte layer 22 ... Hydrogen-permeable metal layer 23 ... Electrolyte complex 24 ... Cathode 27, 29 ... Gas separator 30 ... Single-cell fuel gas flow path 32 ... Single-cell oxidizing gas flow Road 40,140 ... MEA
125 ... sulfide layer 126 ... oxide layer 220 ... hydrogen pump 224 ... electrode 227, 229 ... holder 230 ... mixed gas flow path 232 ... hydrogen flow path 250 ... power supply

Claims (4)

水素透過性金属層・電解質複合体であって、
少なくとも一方の表面に貴金属を備えると共に、水素を選択的に透過させる水素透過性金属層と、
前記水素透過性金属層における前記貴金属を備える表面上に設けられ、プロトン伝導性を有する固体酸化物から成る電解質層と、
を備え、
少なくとも前記水素透過性金属層と前記電解質層との界面に、酸素以外の酸素族元素が配置されている
水素透過性金属層・電解質複合体。
A hydrogen permeable metal layer / electrolyte composite,
A hydrogen-permeable metal layer that includes a noble metal on at least one surface and selectively transmits hydrogen;
An electrolyte layer comprising a solid oxide having proton conductivity provided on the surface of the hydrogen permeable metal layer provided with the noble metal;
With
A hydrogen permeable metal layer / electrolyte complex, wherein an oxygen group element other than oxygen is disposed at least at an interface between the hydrogen permeable metal layer and the electrolyte layer.
請求項1記載の水素透過性金属層・電解質複合体であって、
前記酸素族元素は硫黄(S)である
水素透過性金属層・電解質複合体。
The hydrogen-permeable metal layer / electrolyte composite according to claim 1,
The oxygen group element is sulfur (S). A hydrogen permeable metal layer / electrolyte composite.
請求項1または2記載の水素透過性金属層・電解質複合体であって、
前記貴金属はパラジウム(Pd)である
水素透過性金属層・電解質複合体。
The hydrogen-permeable metal layer / electrolyte composite according to claim 1 or 2,
The noble metal is palladium (Pd). A hydrogen permeable metal layer / electrolyte composite.
請求項1ないし3いずれか記載の水素透過性金属層・電解質複合体を備える燃料電池。   A fuel cell comprising the hydrogen-permeable metal layer / electrolyte complex according to any one of claims 1 to 3.
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