JP2015058399A - Hydrogen permeation structure - Google Patents

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勇磁 銭谷
Yuji Zenitani
勇磁 銭谷
知行 小森
Tomoyuki Komori
知行 小森
伊藤 彰宏
Akihiro Ito
彰宏 伊藤
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Hideaki Adachi
秀明 足立
藤井 映志
Akiyuki Fujii
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogen permeation structure having high hydrogen permeation performance and proton conductivity and suppressing the peeling of a proton conductor film.SOLUTION: A hydrogen permeation structure comprises: an Si substrate 101 having a surface formed to be porous; a lower proton permeable membrane 104; an electrolyte membrane 105 and an upper proton permeable membrane 106. The upper and lower proton permeable membranes 104, 106 have a perovskite crystal structure represented by A1(DRu)Oand satisfy 0<x1≤0.5, 0.3≤y≤0.8 and z1<3. The electrolyte membrane 105 has a perovskite crystal structure represented by A2(EG)Oand satisfies 0<x2≤0.5, 0.2≤w≤0.6 and z2<3.

Description

本発明は、水素付加装置、燃料電池、及び水蒸気電解装置等に用いることが可能な、水素透過構造体に関する。   The present invention relates to a hydrogen permeable structure that can be used in a hydrogen addition device, a fuel cell, a steam electrolysis device, and the like.

特許文献1に、安全且つ容易に、水素を貯蔵又は輸送する技術として、ベンゼン等の芳香族炭化水素に水素を付加して水素を貯蔵・輸送することが開示されている(例えば特許文献1参照)。   Patent Document 1 discloses that hydrogen is stored and transported by adding hydrogen to an aromatic hydrocarbon such as benzene as a technique for storing or transporting hydrogen safely and easily (see, for example, Patent Document 1). ).

水素を貯蔵するために、トルエン(C78)に6つの水素原子を付加して、メチルシクロヘキサン(C714)にする。水素を供給するために、メチルシクロヘキサンをトルエンに戻すことによって、水素が得られる。 To store hydrogen, 6 hydrogen atoms are added to toluene (C 7 H 8 ) to give methylcyclohexane (C 7 H 14 ). Hydrogen is obtained by returning methylcyclohexane to toluene to supply hydrogen.

トルエン及びメチルシクロヘキサンは、常温で液体であるため取り扱いが容易である。よって、ガソリン又は灯油等と同様の方法で貯蔵・輸送が可能である。   Toluene and methylcyclohexane are easy to handle because they are liquid at room temperature. Therefore, it can be stored and transported in the same manner as gasoline or kerosene.

また、水素を用いる燃料電池において、水素イオン(プロトン)を伝導するプロトン伝導体を電解質として用いた場合、水素供給側の電極で水が発生せず、水素が希釈されにくい。   Further, in a fuel cell using hydrogen, when a proton conductor that conducts hydrogen ions (protons) is used as an electrolyte, water is not generated at the electrode on the hydrogen supply side, and hydrogen is not easily diluted.

プロトン伝導体としては、デュポン社のナフィオン膜、又はペロブスカイト型酸化物のBa−Zr−Y−O等(例えば特許文献2参照)がある。ペロブスカイト型酸化物のプロトン伝導体を燃料電池等の水素透過構造体として利用する場合、十分なプロトン伝導性を確保するため、通常数百℃以上の高温で使用されている。   Examples of the proton conductor include a Nafion membrane manufactured by DuPont, or Ba-Zr-YO of perovskite oxide (see, for example, Patent Document 2). When a proton conductor of a perovskite oxide is used as a hydrogen permeable structure such as a fuel cell, it is usually used at a high temperature of several hundred degrees Celsius or higher in order to ensure sufficient proton conductivity.

プロトン伝導性を向上させるため、プロトン伝導を阻害する結晶粒界ができるだけ生じないように、薄膜を特定の結晶方位に配向させることによって、異方性を有するプロトン伝導性を持つプロトン伝導体膜が開示されている(例えば特許文献3参照)。   In order to improve proton conductivity, the proton conductor film having proton conductivity having anisotropy is obtained by orienting the thin film in a specific crystal orientation so that a grain boundary that inhibits proton conduction is not generated as much as possible. It is disclosed (see, for example, Patent Document 3).

なお、単結晶基板上にプロトン伝導体膜をエピタキシャル成長させることにより、結晶粒界の無いプロトン伝導体膜が開示されている(例えば非特許文献1参照)。   Note that a proton conductor film having no grain boundary is disclosed by epitaxially growing a proton conductor film on a single crystal substrate (see, for example, Non-Patent Document 1).

特許第3812880号公報Japanese Patent No. 3812880 特公平7−21481号公報Japanese Examined Patent Publication No. 7-21481 特開2003−147514号公報JP 2003-147514 A

NATURE MATERIALS、846−852(2010)NATURE MATERIALS, 844-852 (2010)

高い水素透過性能及びプロトン伝導を有し、かつ、プロトン伝導体膜の剥離を抑制することが困難であった。   It has high hydrogen permeation performance and proton conduction, and it is difficult to suppress peeling of the proton conductor membrane.

前記従来の課題を解決するために、本開示の一例である水素透過構造体は、多孔質部を有するSi基板上に、プロトン電子混合伝導性を有するペロブスカイト型酸化物を含むプロトン透過膜と、プロトン伝導性を有するペロブスカイト型酸化物を含む電解質膜が順次積層され、プロトン透過膜、及び電解質膜がSi基板の結晶方位に揃ったエピタキシャル成長しており、且つ、プロトン透過膜が、組成式A11-x1(D1-yRuy)Oz1で表され(但し、A1はBa、Sr及びCaから選ばれる少なくとも一つの元素、DはZr、Hf、Y、La、Ce、Gd、In、Ga及びAlから選ばれる少なくとも一つの元素)、電解質膜が、組成式A21-x2(E1-ww)Oz2で表され(但し、A2はBa、Sr及びCaから選ばれる少なくとも一つの元素、EはZr、Hf、In、Ga及びAlから選ばれる少なくとも一つの元素、GはY、La、Ce及びGdから選ばれる少なくとも一つの元素)、0<x1≦0.5、0<x2≦0.5、0.3≦y≦0.8、0.2≦w≦0.6、z1<3、及びz2<3の関係を満たすことを特徴とする。本構成によって、膜の剥離を抑制するとともに、プロトン伝導性を向上することができる。また、プロトン透過膜と電解質膜は、ともにペロブスカイト型酸化物であるため、電解質膜はプロトン透過膜上に容易にエピタキシャル成長し、膜の密着強度も高くなる。さらに、プロトン透過膜、電解質膜がエピタキシャル成長することで、膜界面の原子配列の乱れが少なく、膜の垂直方向にプロトン伝導しやすくなる効果もある。また、プロトン透過膜はプロトン伝導性と電子伝導性を有するため電極膜として使用でき、金属膜等を電極膜として基板とプロトン透過膜の間に配置する必要はない。 In order to solve the conventional problem, a hydrogen permeable structure as an example of the present disclosure includes a proton permeable membrane including a perovskite oxide having proton electron mixed conductivity on a Si substrate having a porous portion; An electrolyte membrane containing a perovskite oxide having proton conductivity is sequentially laminated, and the proton permeable membrane and the electrolyte membrane are epitaxially grown with the crystal orientation of the Si substrate aligned, and the proton permeable membrane has a composition formula A1 1. -x1 (D 1 -y Ru y ) O z1 (where A1 is at least one element selected from Ba, Sr and Ca, D is Zr, Hf, Y, La, Ce, Gd, In, Ga) And at least one element selected from Al), the electrolyte membrane is represented by a composition formula A2 1-x2 (E 1-w G w ) O z2 (where A2 is at least one selected from Ba, Sr and Ca). Element, E is at least one element selected from Zr, Hf, In, Ga and Al, G is at least one element selected from Y, La, Ce and Gd), 0 <x1 ≦ 0.5, 0 <x2 ≦ 0.5, 0.3 ≦ y ≦ 0.8, 0.2 ≦ w ≦ 0.6, z1 <3, and z2 <3 are satisfied. With this configuration, it is possible to suppress separation of the membrane and improve proton conductivity. In addition, since both the proton permeable membrane and the electrolyte membrane are perovskite oxides, the electrolyte membrane is easily epitaxially grown on the proton permeable membrane, and the adhesion strength of the membrane is increased. Furthermore, since the proton permeable membrane and the electrolyte membrane are epitaxially grown, there is an effect that the atomic arrangement at the membrane interface is less disturbed and proton conduction is facilitated in the vertical direction of the membrane. Further, since the proton permeable membrane has proton conductivity and electron conductivity, it can be used as an electrode membrane, and it is not necessary to arrange a metal membrane or the like as an electrode membrane between the substrate and the proton permeable membrane.

本開示の一例である水素透過構造体によれば、高い水素透過性能及びプロトン伝導を有し、かつ、プロトン伝導体膜の剥離を抑制する。   According to the hydrogen permeable structure as an example of the present disclosure, the hydrogen permeable structure has high hydrogen permeability and proton conduction, and suppresses peeling of the proton conductor membrane.

水素透過構造体の一例を示す要部拡大断面図。The principal part expanded sectional view which shows an example of a hydrogen permeable structure. 水素透過構造体の一例を示す要部拡大断面図。The principal part expanded sectional view which shows an example of a hydrogen permeable structure. 水素透過構造体の一例を示す要部拡大断面図。The principal part expanded sectional view which shows an example of a hydrogen permeable structure. 水素透過構造体の評価時の一例を示す要部拡大断面図。The principal part expanded sectional view which shows an example at the time of evaluation of a hydrogen permeable structure.

本開示の一態様に係る水素透過構造体は、多孔質部が形成される表面を有するSi基板と、表面上部に形成され、かつ、単結晶であるプロトン透過膜と、プロトン透過膜の上部に形成され、かつ、単結晶である電解質膜とを備え、Si基板と、プロトン透過膜と、電解質膜とは結晶方位が揃っており、プロトン透過膜は、組成式A11-x1(D1-yRuy)Oz1で表されるペロブスカイト型結晶構造を有し、A1はBa、Sr及びCaから選ばれる少なくとも一つの元素であり、DはZr、Hf、Y、La、Ce、Gd、In、Ga及びAlから選ばれる少なくとも一つの元素であり、0<x1≦0.5、0.3≦y≦0.8、及びz1<3を満たし、電解質膜は、組成式A21-x2(E1-ww)Oz2で表されるペロブスカイト型結晶構造を有し、A2はBa、Sr及びCaから選ばれる少なくとも一つの元素であり、EはZr、Hf、In、Ga及びAlから選ばれる少なくとも一つの元素であり、GはY、La、Ce及びGdから選ばれる少なくとも一つの元素であり、0<x2≦0.5、0.2≦w≦0.6、z2<3を満たす。 A hydrogen permeable structure according to one embodiment of the present disclosure includes a Si substrate having a surface on which a porous portion is formed, a proton permeable membrane that is a single crystal formed on the surface, and an upper portion of the proton permeable membrane. The Si substrate, the proton permeable membrane, and the electrolyte membrane are aligned in crystal orientation, and the proton permeable membrane has a composition formula A1 1-x1 (D 1- y Ru y ) O z1 and a perovskite crystal structure, A1 is at least one element selected from Ba, Sr and Ca, and D is Zr, Hf, Y, La, Ce, Gd, In , Ga and Al, satisfying 0 <x1 ≦ 0.5, 0.3 ≦ y ≦ 0.8, and z1 <3, and the electrolyte membrane has a composition formula A2 1-x2 ( E 1-w G w ) Perovskite crystal structure represented by O z2 , A2 is at least one element selected from Ba, Sr and Ca, E is at least one element selected from Zr, Hf, In, Ga and Al, and G is selected from Y, La, Ce and Gd At least one element satisfying 0 <x2 ≦ 0.5, 0.2 ≦ w ≦ 0.6, and z2 <3.

(本開示の基礎となった知見)
ポーラスSi基板と、Si基板表面に形成された水素透過性のPd又はPd合金の薄膜である電極膜と、電極膜の上に形成されたプロトン伝導体膜とを有する構造において、プロトン伝導性及び水素透過性を有し、かつ、プロトン伝導体膜の剥離を抑制することが困難であることを見出した。
(Knowledge that became the basis of this disclosure)
In a structure having a porous Si substrate, an electrode film which is a hydrogen-permeable Pd or Pd alloy thin film formed on the surface of the Si substrate, and a proton conductor film formed on the electrode film, the proton conductivity and It has been found that it has hydrogen permeability and it is difficult to suppress peeling of the proton conductor membrane.

なぜなら、Pd又はPd合金の薄膜をSi基板上にエピタキシャル成長することが困難であったためである。また、PdやPd合金の薄膜を、エピタキシャル成長したプロトン伝導体膜の形成後に成膜する場合、プロトン伝導体膜が成膜された基板を除去してプロトン伝導体膜を露出することが困難であったためである。   This is because it has been difficult to epitaxially grow a thin film of Pd or Pd alloy on the Si substrate. Also, when a thin film of Pd or Pd alloy is formed after the formation of the epitaxially grown proton conductor film, it is difficult to remove the substrate on which the proton conductor film is formed and expose the proton conductor film. This is because.

本発明者らは、プロトン透過膜及び電解質の組成などに応じて、プロトン伝導性及び水素透過性を有し、かつ、プロトン伝導体膜の剥離を抑制する水素透過構造体を見出した。   The present inventors have found a hydrogen permeable structure having proton conductivity and hydrogen permeability according to the composition of the proton permeable membrane and the electrolyte and suppressing the peeling of the proton conductor membrane.

以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.

(実施の形態1)
図1は、本実施の形態に係る水素透過構造体100の一構成例を示している。図1に示す水素透過構造体100は、多孔質部102が形成される表面を有するSi基板101と、バッファー膜103と、下部プロトン透過膜104と、電解質膜105と、上部プロトン透過膜106とを備えている。バッファー膜103、下部プロトン透過膜104、電解質膜105、及び上部プロトン透過膜106は、Si基板101の多孔質部102の上に、下から上に向かって順に形成される。Si基板101と、下部プロトン透過膜104と、電解質膜105と、上部プロトン透過膜106とは、結晶方位が揃っている。
また、図2に示す水素透過構造体100は、Si基板101及びバッファー膜103を貫通する複数の孔を有する。これにより、水素透過構造体100の下部プロトン透過膜104の表面が外部に露出される。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a configuration example of the hydrogen permeable structure 100 according to the present embodiment. A hydrogen permeable structure 100 shown in FIG. 1 includes a Si substrate 101 having a surface on which a porous portion 102 is formed, a buffer film 103, a lower proton permeable film 104, an electrolyte membrane 105, and an upper proton permeable film 106. It has. The buffer membrane 103, the lower proton permeable membrane 104, the electrolyte membrane 105, and the upper proton permeable membrane 106 are sequentially formed on the porous portion 102 of the Si substrate 101 from bottom to top. The Si substrate 101, the lower proton permeable membrane 104, the electrolyte membrane 105, and the upper proton permeable membrane 106 have the same crystal orientation.
2 has a plurality of holes penetrating the Si substrate 101 and the buffer film 103. The hydrogen permeable structure 100 shown in FIG. As a result, the surface of the lower proton permeable membrane 104 of the hydrogen permeable structure 100 is exposed to the outside.

図2に示す水素透過構造体100を製造するため、例えば、下部プロトン透過膜104、電解質膜105、上部プロトン透過膜106を形成した後、ウェットエッチングやドライエッチング等の手法を用いることにより、Si基板101、及びバッファー膜103を所望の形状に加工する。   In order to manufacture the hydrogen permeable structure 100 shown in FIG. 2, for example, after forming the lower proton permeable membrane 104, the electrolyte membrane 105, and the upper proton permeable membrane 106, a technique such as wet etching or dry etching is used. The substrate 101 and the buffer film 103 are processed into desired shapes.

<Si基板101>
Si基板101は、多孔質部102が形成される表面を有する。多孔質部102が形成される表面上に、後述するバッファー膜103、下部プロトン透過膜104、電解質膜105、及び上部プロトン透過膜106は、下から上に向かって順に形成される。以下、多孔質部102が形成される表面を第1の表面とも表記し、第1の表面と対向する表面を第2の表面とも表記する。
<Si substrate 101>
The Si substrate 101 has a surface on which the porous portion 102 is formed. A buffer membrane 103, a lower proton permeable membrane 104, an electrolyte membrane 105, and an upper proton permeable membrane 106, which will be described later, are formed in this order from the bottom to the top on the surface where the porous portion 102 is formed. Hereinafter, the surface on which the porous portion 102 is formed is also referred to as a first surface, and the surface facing the first surface is also referred to as a second surface.

多孔質部102が形成される表面は、所望の結晶面が露出し、かつ、高い平坦性を有することが望ましい。また、多孔質部102が形成される表面を含むSi基板101は、単結晶であることが望ましい。   Desirably, the surface on which the porous portion 102 is formed has a desired crystal plane exposed and high flatness. In addition, the Si substrate 101 including the surface on which the porous portion 102 is formed is preferably a single crystal.

ここで、所望の結晶面とは、上部に形成されるバッファー膜103、下部プロトン透過膜104、電解質膜105、及び上部プロトン透過膜106と結晶方位が揃う面を意味する。これにより、多孔質部102が形成される表面上に、バッファー膜103、下部プロトン透過膜104、電解質膜105、及び上部プロトン透過膜106がエピタキシャルに形成される。   Here, the desired crystal plane means a plane in which the crystal orientation is aligned with the buffer film 103, the lower proton permeable membrane 104, the electrolyte membrane 105, and the upper proton permeable membrane 106 formed on the upper portion. Thereby, the buffer film 103, the lower proton permeable membrane 104, the electrolyte membrane 105, and the upper proton permeable membrane 106 are formed epitaxially on the surface where the porous portion 102 is formed.

所望の結晶面の例は、(100)面、(110)面、又は(111)面である。   Examples of desired crystal planes are (100) plane, (110) plane, or (111) plane.

多孔質部102は、Si基板101の表面に形成される。多孔質部102は、Si基板101の表面に形成される、複数の孔を意味する。多孔質部102の平均孔径は、10nm以上500nm以下の範囲であることが望ましい。   The porous part 102 is formed on the surface of the Si substrate 101. The porous part 102 means a plurality of holes formed on the surface of the Si substrate 101. The average pore diameter of the porous portion 102 is desirably in the range of 10 nm to 500 nm.

Si基板101の表面の面積に対する開口部分(孔の部分)の面積の割合である開口率は、30%以上70%以下であることが好ましい。これにより、下部プロトン透過膜104、及び電解質膜105に残留する応力を緩和して、膜界面での剥離を抑制できる。   The opening ratio, which is the ratio of the area of the opening portion (hole portion) to the surface area of the Si substrate 101, is preferably 30% or more and 70% or less. Thereby, the stress remaining in the lower proton permeable membrane 104 and the electrolyte membrane 105 can be relaxed, and peeling at the membrane interface can be suppressed.

多孔質部102の深さは、1μm以上100μm以下であることが望ましい。   The depth of the porous portion 102 is desirably 1 μm or more and 100 μm or less.

多孔質部102が形成される表面を有するSi基板101は、フッ酸などに浸したSi基板に正の電位をかけることによる陽極酸化、Si基板上にフォトレジストを塗布・パターニングし溶剤に浸してSi基板を溶解するエッチング等により作製される。   The Si substrate 101 having a surface on which the porous portion 102 is formed is formed by anodic oxidation by applying a positive potential to the Si substrate immersed in hydrofluoric acid or the like, and applying and patterning a photoresist on the Si substrate and immersing it in a solvent. It is produced by etching or the like that dissolves the Si substrate.

図2に示すように、Si基板101は、第1の表面から第2の表面まで貫通する複数の孔を有していても良い。   As shown in FIG. 2, the Si substrate 101 may have a plurality of holes penetrating from the first surface to the second surface.

<バッファー膜103>
バッファー膜103は、多孔質部102が形成される表面の上部に形成される。バッファー膜103の結晶方位と、多孔質部102が形成される表面の結晶方位とが揃っている。
<Buffer film 103>
The buffer film 103 is formed on the upper surface of the porous part 102. The crystal orientation of the buffer film 103 is aligned with the crystal orientation of the surface on which the porous portion 102 is formed.

バッファー膜103の材料は、酸化物が望ましい。バッファー膜103の材料の例は、MgO、SrRuO3である。なお、バッファー膜103とSi基板101との間に、安定化ジルコニア(ZrO2の一部をY23で4〜10mol%置換した材料)、CeO2、(La,Sr)MnO3等の酸化物膜を配置しても良い。これにより、Si基板101の上部に、バッファー膜103がエピタキシャル成長しやすくなる。つまり、Si基板101の表面の結晶方位とバッファー膜103の結晶方位が揃いやすくなる。バッファー膜103の厚みの例は、5nm以上150nm以下の範囲である。 The material of the buffer film 103 is preferably an oxide. Examples of the material of the buffer film 103 are MgO and SrRuO 3 . Note that, between the buffer film 103 and the Si substrate 101, stabilized zirconia (a material obtained by substituting 4 to 10 mol% of ZrO 2 with Y 2 O 3 ), CeO 2 , (La, Sr) MnO 3, etc. An oxide film may be disposed. Thereby, the buffer film 103 is easily epitaxially grown on the Si substrate 101. That is, the crystal orientation of the surface of the Si substrate 101 and the crystal orientation of the buffer film 103 are easily aligned. An example of the thickness of the buffer film 103 is in the range of 5 nm to 150 nm.

<下部プロトン透過膜104>
下部プロトン透過膜104は、バッファー膜103の上部に形成される。下部プロトン透過膜104の結晶方位と、バッファー膜103及び、多孔質部102が形成される表面の結晶方位とが揃っている。
<Lower proton permeable membrane 104>
The lower proton permeable membrane 104 is formed on the buffer membrane 103. The crystal orientation of the lower proton permeable membrane 104 is aligned with the crystal orientation of the surface on which the buffer film 103 and the porous portion 102 are formed.

水素透過構造体がバッファー膜103を有さない場合には、下部プロトン透過膜104は、多孔質部102が形成される表面の上部に形成される。下部プロトン透過膜104の結晶方位と、多孔質部102が形成される表面の結晶方位とが揃っている。   When the hydrogen permeable structure does not have the buffer membrane 103, the lower proton permeable membrane 104 is formed on the upper surface on which the porous portion 102 is formed. The crystal orientation of the lower proton permeable membrane 104 is aligned with the crystal orientation of the surface on which the porous portion 102 is formed.

下部プロトン透過膜104は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する材料で構成される。ペロブスカイト型酸化物は、一般にABO3という化学式で表され、立方晶系の単位格子を有する。立方晶の頂点のAサイトにBa、Sr、Ca等のアルカリ土類金属、立方晶の体心のBサイトにZr、Hf、Y、La、Ce、Gd、In、Ga、Al、及びRu等の金属、立方晶の面心にO(酸素)が配置される。Bサイトが4価の金属のみで占有されている場合には酸素欠損の無い結晶構造となるが、3価の金属が含まれる場合にはその金属の原子数と同じ酸素欠損が含まれる。この酸素欠損により、ペロブスカイト型酸化物はプロトン伝導性を有する。また、RuO2は導電性酸化物で金属的な導電性を示すため、ペロブスカイト型酸化物はRuを含むことにより電子伝導性を有する。 The lower proton permeable membrane 104 is made of a material having a perovskite crystal structure. The perovskite oxide is generally represented by a chemical formula of ABO 3 and has a cubic unit cell. Alkaline earth metals such as Ba, Sr, and Ca at the apex site of the cubic crystal, Zr, Hf, Y, La, Ce, Gd, In, Ga, Al, Ru, etc. at the B site of the cubic crystal center O (oxygen) is arranged in the face center of the metal, cubic crystal. When the B site is occupied only by a tetravalent metal, the crystal structure has no oxygen deficiency, but when a trivalent metal is included, the same oxygen deficiency as the number of atoms of the metal is included. Due to this oxygen deficiency, the perovskite oxide has proton conductivity. Further, since RuO 2 is a conductive oxide and exhibits metallic conductivity, the perovskite oxide has electronic conductivity when it contains Ru.

下部プロトン透過膜104の具体的な材料の例は、組成式A11-x1(D1-yRuy)Oz1で表されるペロブスカイト結晶構造を有する酸化物である。A1はBa、Sr及びCaから選ばれる少なくとも一つの元素、DはZr、Hf、Y、La、Ce、Gd、In、Ga及びAlから選ばれる少なくとも一つの元素である。0<x1≦0.5、0.3≦y≦0.8、及びz1<3の関係を満たす。 A specific material example of the lower proton permeable membrane 104 is an oxide having a perovskite crystal structure represented by a composition formula A1 1-x1 (D 1-y Ru y ) O z1 . A1 is at least one element selected from Ba, Sr and Ca, and D is at least one element selected from Zr, Hf, Y, La, Ce, Gd, In, Ga and Al. The relations 0 <x1 ≦ 0.5, 0.3 ≦ y ≦ 0.8, and z1 <3 are satisfied.

また、A1の元素は、少なくともBaを含み、かつ、Sr、Ca、及びMgから選ばれる少なくとも1種類以上の元素を含んでいても良い。例えば、A1の元素は、BaαA1'1-α(α>0)である。A1'の例は、Sr、Ca、及びMg少なくとも1種類である。 Further, the element A1 contains at least Ba, and may contain at least one element selected from Sr, Ca, and Mg. For example, the element of A1 is BaαA1 ′ 1- α (α> 0). An example of A1 ′ is at least one kind of Sr, Ca, and Mg.

また、Dの元素は、少なくともZrを含み、かつ、Hf、Y、La、Ce、Gd、In、Ga及びAlから選ばれる少なくとも1種類以上の元素を含んでいても良い。例えば、Dの元素は、ZrβD'1-β(β>0)である。D'の例は、Hf、Y、La、Ce、Gd、In、Ga及びAlの少なくとも1種類である。 The element of D contains at least Zr, and may contain at least one element selected from Hf, Y, La, Ce, Gd, In, Ga, and Al. For example, the element of D is ZrβD ′ 1- β (β> 0). An example of D ′ is at least one of Hf, Y, La, Ce, Gd, In, Ga, and Al.

x1が0<x1≦0.5の範囲にある場合、ペロブスカイト型酸化物のAサイトが欠損した状態となる。その結果、下部プロトン透過膜104の結晶構造の自由度が大きくなり、下部プロトン透過膜の格子定数とバッファー膜103の格子定数との差が緩和されやすくなることで、下部プロトン透過膜104がバッファー膜103上にエピタキシャル成長しやすくなり、プロトン伝導性が向上するため望ましい。   When x1 is in the range of 0 <x1 ≦ 0.5, the A site of the perovskite oxide is lost. As a result, the degree of freedom of the crystal structure of the lower proton permeable membrane 104 is increased, and the difference between the lattice constant of the lower proton permeable membrane and the lattice constant of the buffer membrane 103 is easily relaxed. This is desirable because it facilitates epitaxial growth on the film 103 and improves proton conductivity.

さらに、Aサイトが欠損した状態となることで、プロトンが下部プロトン透過膜104内に取り込まれやすくなるため、下部プロトン透過膜104内がプロトンで満たされ、プロトン伝導しやすくなる。   Furthermore, since the A site is deficient, protons are easily taken into the lower proton permeable membrane 104, so that the lower proton permeable membrane 104 is filled with protons and proton conduction is facilitated.

また、yが0.3≦y≦0.8の範囲にあることにより、下部プロトン透過膜104の高い電子伝導性と高いプロトン伝導性とを両立できる。   In addition, when y is in the range of 0.3 ≦ y ≦ 0.8, both high electron conductivity and high proton conductivity of the lower proton permeable membrane 104 can be achieved.

なお、Bサイトの4価の金属の一部が3価の金属で置換されることで、酸素欠損が生じることを示しており、酸素欠損量は最大で0.4程度であるため、2.6≦z1<3の範囲にあることが望ましい。   In addition, it is shown that oxygen deficiency occurs when a part of the tetravalent metal at the B site is substituted with a trivalent metal, and the amount of oxygen deficiency is about 0.4 at the maximum. It is desirable that the range is 6 ≦ z1 <3.

下部プロトン透過膜104は、50nm以上500nm以下の範囲の厚みを有することが望ましい。   The lower proton permeable membrane 104 desirably has a thickness in the range of 50 nm to 500 nm.

<電解質膜105>
電解質膜105は、下部プロトン透過膜104の上部に形成される。電解質膜105は、プロトン伝導性を有するペロブスカイト型の結晶構造を有する材料で構成される。
電解質膜105の具体的な材料の例は、組成式A21-x2(E1-ww)Oz2で表されるペロブスカイト型結晶構造を有する。A2はBa、Sr及びCaから選ばれる少なくとも一つの元素であり、EはZr、Hf、In、Ga及びAlから選ばれる少なくとも一つの元素であり、GはY、La、Ce及びGdから選ばれる少なくとも一つの元素である。0<x2≦0.5、0.2≦w≦0.6、z2<3を満たす。
<Electrolyte membrane 105>
The electrolyte membrane 105 is formed on the lower proton permeable membrane 104. The electrolyte membrane 105 is made of a material having a perovskite crystal structure having proton conductivity.
A specific material example of the electrolyte membrane 105 has a perovskite crystal structure represented by a composition formula A2 1-x2 (E 1-w G w ) O z2 . A2 is at least one element selected from Ba, Sr and Ca, E is at least one element selected from Zr, Hf, In, Ga and Al, and G is selected from Y, La, Ce and Gd At least one element. 0 <x2 ≦ 0.5, 0.2 ≦ w ≦ 0.6, and z2 <3 are satisfied.

また、A2の元素は、少なくともBaを含み、かつ、Sr、Ca、及びMgから選ばれる少なくとも1種類以上の元素を含んでいても良い。例えば、A2の元素は、BaγA2'1-γ(γ>0)である。A2'の例は、Sr、Ca、及びMg少なくとも1種類である。 Further, the element A2 contains at least Ba, and may contain at least one element selected from Sr, Ca, and Mg. For example, the element of A2 is BaγA2 ′ 1- γ (γ> 0). An example of A2 ′ is at least one kind of Sr, Ca, and Mg.

また、Eの元素は、少なくともZrを含み、かつ、Hf、Y、La、Ce、Gd、In、Ga及びAlから選ばれる少なくとも1種類以上の元素を含んでいても良い。例えば、Dの元素は、ZrδD'1-δ(δ>0)である。D'の例は、Hf、Y、La、Ce、Gd、In、Ga及びAlの少なくとも1種類である。 Further, the element of E contains at least Zr, and may contain at least one element selected from Hf, Y, La, Ce, Gd, In, Ga, and Al. For example, the element of D is ZrδD ′ 1− δ (δ> 0). An example of D ′ is at least one of Hf, Y, La, Ce, Gd, In, Ga, and Al.

Gの元素は、少なくともYを含み、かつ、La、Ce及びGdから選ばれる少なくとも一つ種類以上の元素を含んでいても良い。例えば、Gの元素は、YεD'1-ε(ε>0)である。 The element of G contains at least Y and may contain at least one element selected from La, Ce and Gd. For example, the element of G is YεD ′ 1− ε (ε> 0).

x2が0<x2≦0.5の範囲にある場合、上述したように、ペロブスカイト型酸化物のAサイトが欠損した状態となる。その結果、電解質膜105の結晶構造の自由度が大きくなり、電解質膜105の格子定数と下部プロトン透過膜104の格子定数との差が緩和されやすくなることで、電解質膜105が下部プロトン透過膜104上にエピタキシャル成長しやすくなり、プロトン伝導性が大幅に向上するため好ましい。   When x2 is in the range of 0 <x2 ≦ 0.5, the A site of the perovskite oxide is lost as described above. As a result, the degree of freedom of the crystal structure of the electrolyte membrane 105 increases, and the difference between the lattice constant of the electrolyte membrane 105 and the lattice constant of the lower proton permeable membrane 104 is easily relaxed, so that the electrolyte membrane 105 becomes lower proton permeable membrane. It is preferable because epitaxial growth is easily performed on the layer 104 and proton conductivity is greatly improved.

さらに、Aサイトが欠損した状態となることで、プロトンが電解質膜105内に取り込まれやすくなるため、電解質膜105内がプロトンで満たされ、プロトン伝導しやすくなる。   Furthermore, since the A site is in a deficient state, protons are easily taken into the electrolyte membrane 105, so that the electrolyte membrane 105 is filled with protons and proton conduction is facilitated.

また、0.2≦w≦0.6を満たすことにより、電解質膜105の酸素欠損量が望ましい量となり、プロトン伝導性が向上する。   Moreover, by satisfying 0.2 ≦ w ≦ 0.6, the oxygen deficiency amount of the electrolyte membrane 105 becomes a desirable amount, and proton conductivity is improved.

なお、z2<3の関係となるのは、上述の下部プロトン透過膜104の部分で記述したとおりである。酸素欠損量は最大で0.4程度であるため、2.6≦z2<3の範囲にあることが望ましい。電解質膜105は、100nm以上5000nm以下の範囲の厚みを有することが望ましい。   Note that the relationship of z2 <3 is as described for the lower proton permeable membrane 104 described above. Since the oxygen deficiency is about 0.4 at the maximum, it is desirable that the oxygen deficiency be in the range of 2.6 ≦ z2 <3. The electrolyte membrane 105 preferably has a thickness in the range of 100 nm to 5000 nm.

なお、バッファー膜103、下部プロトン透過膜104、及び電解質膜105は、下から上に順に、大きな格子定数を有することが望ましい。また、バッファー膜103の格子定数と下部プロトン透過膜104の格子定数との差、及び下部プロトン透過膜104の格子定数4と電解質膜105の格子定数との差が0.03nm以下であることがより望ましい。   Note that the buffer membrane 103, the lower proton permeable membrane 104, and the electrolyte membrane 105 desirably have large lattice constants from the bottom to the top. Further, the difference between the lattice constant of the buffer membrane 103 and the lattice constant of the lower proton permeable membrane 104, and the difference between the lattice constant 4 of the lower proton permeable membrane 104 and the lattice constant of the electrolyte membrane 105 are 0.03 nm or less. More desirable.

例えば、バッファー膜103の例であるSrRuO3の格子定数は0.394nmであり、下部プロトン透過膜104の例である(Ba0.9Zr0.80.22.90.5(SrRuO30.5の格子定数は0.415nmであり、電解質膜105の例であるBa0.8Zr0.70.32.85の格子定数は0.425nmであり、上記関係を満たしている。 For example, the lattice constant of SrRuO 3 which is an example of the buffer film 103 is 0.394 nm, and the lattice constant of (Ba 0.9 Zr 0.8 Y 0.2 O 2.9 ) 0.5 (SrRuO 3 ) 0.5 which is an example of the lower proton permeable film 104 is The lattice constant of Ba 0.8 Zr 0.7 Y 0.3 O 2.85 which is 0.415 nm and is an example of the electrolyte membrane 105 is 0.425 nm, which satisfies the above relationship.

<上部プロトン透過膜106>
上部プロトン透過膜106は、電解質膜105の上部に形成される。上部プロトン透過膜106の材料の例は、下部プロトン透過膜104と同様に、組成式A11-x1(D1-yRuy)Oz1で表されるペロブスカイト結晶構造を有する酸化物である。A1はBa、Sr及びCaから選ばれる少なくとも一つの元素、DはZr、Hf、Y、La、Ce、Gd、In、Ga及びAlから選ばれる少なくとも一つの元素である。0<x1≦0.5、0.3≦y≦0.8、及びz1<3の関係を満たす。
<Upper proton permeable membrane 106>
The upper proton permeable membrane 106 is formed on the electrolyte membrane 105. An example of the material of the upper proton permeable membrane 106 is an oxide having a perovskite crystal structure represented by a composition formula A1 1-x1 (D 1-y Ru y ) O z1 , similarly to the lower proton permeable membrane 104. A1 is at least one element selected from Ba, Sr and Ca, and D is at least one element selected from Zr, Hf, Y, La, Ce, Gd, In, Ga and Al. The relations 0 <x1 ≦ 0.5, 0.3 ≦ y ≦ 0.8, and z1 <3 are satisfied.

上部プロトン透過膜106の厚みの例は、50nm以上500nm以下の範囲であることが望ましい。   An example of the thickness of the upper proton permeable membrane 106 is desirably in the range of 50 nm to 500 nm.

<変形例>
なお、図3に示されるように、上部プロトン透過膜106の無い水素透過構造体100を作製しても良い。図3に示す水素透過構造体100は、Si基板101と、バッファー膜103と、下部プロトン透過膜104と、電解質膜105とを備える。
<Modification>
As shown in FIG. 3, a hydrogen permeable structure 100 without the upper proton permeable membrane 106 may be produced. A hydrogen permeable structure 100 shown in FIG. 3 includes a Si substrate 101, a buffer film 103, a lower proton permeable film 104, and an electrolyte film 105.

電解質膜105上に、メッシュを電極として接触させることにより、上部プロトン透過膜106と同様に、水素透過構造体100は、電子と水素とを同時に流す機能を有する。メッシュの材料の例は、Pt、Au、Pd、Agなどである。   By bringing the mesh into contact with the electrolyte membrane 105 as an electrode, the hydrogen permeable structure 100 has a function of flowing electrons and hydrogen at the same time as the upper proton permeable membrane 106. Examples of the mesh material are Pt, Au, Pd, Ag, and the like.

なお、Si基板101の多孔質部102とバッファー膜103の間に、緩衝膜(図示せず)がさらに配置されていても良い。緩衝膜が配置されることにより、Si基板101とバッファー膜103の線膨張係数の差によって、バッファー膜103が割れることを低減できる。   A buffer film (not shown) may be further disposed between the porous portion 102 of the Si substrate 101 and the buffer film 103. By arranging the buffer film, it is possible to reduce the cracking of the buffer film 103 due to the difference in the linear expansion coefficient between the Si substrate 101 and the buffer film 103.

緩衝膜は、Si基板101の線膨張係数と、バッファー膜103の線膨張係数との間の線膨張係数を有する材料が用いられることが望ましい。例えば、バッファー膜103としてMgO膜を用いる場合には、Si基板101の線膨張係数(線膨張係数:2.6E-6-1)とMgO膜の線膨張係数(線膨張係数:13.5E-6-1)のとの間にある、4E-6以上10E-6-1以下の範囲の腺膨張係数を有する材料を緩衝膜の材料として用いることが望ましい。例えば、緩衝膜として、7E-6-1程度の線膨張係数を有する材料を用いることがより望ましい。 The buffer film is preferably made of a material having a linear expansion coefficient between the linear expansion coefficient of the Si substrate 101 and the linear expansion coefficient of the buffer film 103. For example, when an MgO film is used as the buffer film 103, the linear expansion coefficient of the Si substrate 101 (linear expansion coefficient: 2.6E −6 K −1 ) and the linear expansion coefficient of the MgO film (linear expansion coefficient: 13.5E). −6 K −1 ), and a material having a gland expansion coefficient in the range of 4E −6 to 10E −6 K −1 is preferably used as the buffer film material. For example, it is more desirable to use a material having a linear expansion coefficient of about 7E- 6K- 1 as the buffer film.

特に、バッファー膜103としてMgO膜を用いた場合、主としてMg、Al、及びO(酸素)を含むスピネル材料(MgAl24)は、7.5E-6-1程度の線膨張係数を有し、かつ、MgO膜と同じ元素を含むため、バッファー膜103と緩衝膜との密着強度も高くなるため望ましい。 In particular, when an MgO film is used as the buffer film 103, a spinel material (MgAl 2 O 4 ) mainly containing Mg, Al, and O (oxygen) has a linear expansion coefficient of about 7.5E −6 K −1. In addition, since it contains the same element as the MgO film, the adhesion strength between the buffer film 103 and the buffer film is increased, which is desirable.

<製造方法>
本実施の形態に係る水素透過構造体100は、以下に説明する方法によって製造できる。
<Manufacturing method>
The hydrogen permeable structure 100 according to the present embodiment can be manufactured by the method described below.

<S1>
多孔質部102が形成される表面を有するSi基板101が準備される。例えば、Si基板101の表面を陽極酸化することにより、多孔質部102が形成される。
<S1>
A Si substrate 101 having a surface on which the porous portion 102 is formed is prepared. For example, the porous portion 102 is formed by anodizing the surface of the Si substrate 101.

Si基板101の例は、単結晶のSi基板である。例えば、単結晶のSi基板の例は、厚み0.5mm、直径(Φ)2インチ、N型、面方位(100)、比抵抗1Ω・cmである。多孔質部101の例は、平均孔径は50nmであり、開口率は50%、深さは10μmである。   An example of the Si substrate 101 is a single crystal Si substrate. For example, an example of a single crystal Si substrate has a thickness of 0.5 mm, a diameter (Φ) of 2 inches, an N type, a plane orientation (100), and a specific resistance of 1 Ω · cm. In the example of the porous portion 101, the average pore diameter is 50 nm, the aperture ratio is 50%, and the depth is 10 μm.

<S2>
Si基板101の多孔質部102が形成される表面上に、バッファー膜103が形成される。例えば、スパッタリング法を用いて、Si基板101の上に、バッファー膜103を形成する。
<S2>
A buffer film 103 is formed on the surface of the Si substrate 101 where the porous portion 102 is formed. For example, the buffer film 103 is formed on the Si substrate 101 by sputtering.

希ガス(例えば、Arガス)雰囲気中、又は希ガスと反応ガス(例えば、O2ガス)との混合ガス雰囲気中に、Si基板101を配置する。ターゲットには、金属又は化合物が用いられる。直流(DC)電源、パルスDC電源、又は高周波(RF)電源を用いて、スパッタリングすることによって、Si基板101上にバッファー膜103を形成する。 The Si substrate 101 is disposed in a rare gas (for example, Ar gas) atmosphere or a mixed gas atmosphere of a rare gas and a reactive gas (for example, O 2 gas). A metal or a compound is used for the target. A buffer film 103 is formed on the Si substrate 101 by sputtering using a direct current (DC) power supply, a pulsed DC power supply, or a radio frequency (RF) power supply.

例えば、バッファー膜103がMgO膜で構成される場合、ターゲットには、Mgに用いられる。ArガスとO2ガスの混合ガスの雰囲気中で、DC電源、パルスDC電源、又はRF電源を用いて、反応性スパッタリングを行うことにより、MgO膜を形成する。また、ターゲットには、MgOに用いる場合、Arガス、或いはArガスとO2ガスの混合ガスの雰囲気中で、RF電源を用いて、スパッタリングにより、MgO膜を形成することもできる。 For example, when the buffer film 103 is composed of an MgO film, the target is used for Mg. An MgO film is formed by performing reactive sputtering using a DC power source, a pulsed DC power source, or an RF power source in an atmosphere of a mixed gas of Ar gas and O 2 gas. Further, when using MgO as a target, an MgO film can be formed by sputtering using an RF power source in an atmosphere of Ar gas or a mixed gas of Ar gas and O 2 gas.

なお、バッファー膜103をSi基板101上にエピタキシャル成長させるために、Si基板101上に付着した粒子のマイグレーションを促進するために、Si基板101を700℃以上に加熱して成膜することが望ましい。また、イオンビームをSi基板101に照射して、Si基板101上に付着した粒子にエネルギーを与えることにより、粒子のマイグレーションを促進できる。   In order to epitaxially grow the buffer film 103 on the Si substrate 101, it is desirable to form the film by heating the Si substrate 101 to 700 ° C. or higher in order to promote the migration of particles attached to the Si substrate 101. Further, by irradiating the Si substrate 101 with an ion beam to give energy to the particles attached on the Si substrate 101, the migration of the particles can be promoted.

<S3>
バッファー膜103上に、下部プロトン透過膜104が形成される。例えば、スパッタリング法を用いて、バッファー膜103の上に、下部プロトン透過膜104を形成する。
<S3>
A lower proton permeable membrane 104 is formed on the buffer membrane 103. For example, the lower proton permeable film 104 is formed on the buffer film 103 by using a sputtering method.

希ガス(例えば、Arガス)雰囲気中、又は希ガスと反応ガス(例えば、O2ガス、N2ガス及びH2ガスから選ばれる少なくとも一つのガス)との混合ガス雰囲気中に、上部にバッファー膜103が形成されているSi基板101を配置する。ターゲットの例は、(Ba0.9Zr0.80.22.90.5(SrRuO30.5)である。RF電源を用いて、スパッタリングすることによって、バッファー膜103上に、下部プロトン透過膜104を形成する。 In a rare gas (for example, Ar gas) atmosphere or a mixed gas atmosphere of a rare gas and a reactive gas (for example, at least one gas selected from O 2 gas, N 2 gas, and H 2 gas), a buffer is provided on the upper part. A Si substrate 101 on which a film 103 is formed is disposed. An example of the target is (Ba 0.9 Zr 0.8 Y 0.2 O 2.9 ) 0.5 (SrRuO 3 ) 0.5 ). A lower proton permeable film 104 is formed on the buffer film 103 by sputtering using an RF power source.

なお、下部プロトン透過膜104を構成する酸化物は導電性を有するため、成膜速度を高めるため、DC電源、又はパルスDC電源を用いて、スパッタリングしても良い。   Note that since the oxide constituting the lower proton permeable membrane 104 has conductivity, sputtering may be performed using a DC power source or a pulsed DC power source in order to increase the deposition rate.

また、ターゲットに下部プロトン透過膜104を構成する金属を用いる場合、希ガスと反応ガスとの混合ガス雰囲気中でDC電源、パルスDC電源、又はRF電源を用いて、反応性スパッタリングすることによって、下部プロトン透過膜104を形成できる。   Further, when using a metal constituting the lower proton permeable membrane 104 as a target, by performing reactive sputtering using a DC power source, a pulsed DC power source, or an RF power source in a mixed gas atmosphere of a rare gas and a reactive gas, The lower proton permeable membrane 104 can be formed.

或いは、単独の酸化物の各々のターゲットを、複数の電源を用いて、同時にスパッタリングすることによって、下部プロトン透過膜104を形成することもできる。   Alternatively, the lower proton permeable membrane 104 can be formed by simultaneously sputtering each target of a single oxide using a plurality of power supplies.

また、下部プロトン透過膜104は、2種以上の酸化物を組み合わせた2元系ターゲット又は3元系ターゲット等(例えば、Ba0.9Zr0.80.22.9とSrRuO3)を、複数の電源を用いて同時にスパッタリングすることによって形成することもできる。これらのターゲットを使用する場合でも、希ガス雰囲気中、又は希ガスと反応ガス(例えば、O2ガス、N2ガス及びH2ガスから選ばれる少なくとも一つのガス)との混合ガス雰囲気中で、スパッタリングすることで、バッファー膜103を形成できる。 The lower proton permeable membrane 104 uses a binary target or a ternary target combining two or more oxides (for example, Ba 0.9 Zr 0.8 Y 0.2 O 2.9 and SrRuO 3 ) using a plurality of power supplies. It can also be formed by sputtering at the same time. Even when these targets are used, in a rare gas atmosphere or a mixed gas atmosphere of a rare gas and a reactive gas (for example, at least one gas selected from O 2 gas, N 2 gas, and H 2 gas) The buffer film 103 can be formed by sputtering.

なお、バッファー膜103をSi基板101上にエピタキシャル成長させる場合と同様に、バッファー膜103上に付着した粒子のマイグレーションを促進するために、Si基板101を700℃以上に加熱し、又はイオンビームをバッファー膜103の表面に照射し、バッファー膜103上の粒子にエネルギーを与えることが望ましい。   As in the case where the buffer film 103 is epitaxially grown on the Si substrate 101, the Si substrate 101 is heated to 700 ° C. or higher or the ion beam is buffered in order to promote the migration of particles attached on the buffer film 103. It is desirable to irradiate the surface of the film 103 to give energy to the particles on the buffer film 103.

<S4>
下部プロトン透過膜104上に、電解質膜105が形成される。例えば、スパッタリング法を用いて、下部プロトン透過膜104の上に、電解質膜105を形成する。
<S4>
An electrolyte membrane 105 is formed on the lower proton permeable membrane 104. For example, the electrolyte membrane 105 is formed on the lower proton permeable membrane 104 by sputtering.

希ガス(例えば、Arガス)雰囲気中、又は希ガスと反応ガス(例えば、O2ガス、N2ガス及びH2ガスから選ばれる少なくとも一つのガス)との混合ガス雰囲気中に、上部にバッファー膜103及び下部プロトン透過膜104が形成されているSi基板101を配置する。ターゲットの例は、Ba0.8Zr0.70.32.85である。RF電源を用いて、スパッタリングすることによって、下部プロトン透過膜104の上に、電解質膜105を形成する。 In a rare gas (for example, Ar gas) atmosphere or a mixed gas atmosphere of a rare gas and a reactive gas (for example, at least one gas selected from O 2 gas, N 2 gas, and H 2 gas), a buffer is provided on the upper part. A Si substrate 101 on which a membrane 103 and a lower proton permeable membrane 104 are formed is disposed. An example of the target is Ba 0.8 Zr 0.7 Y 0.3 O 2.85 . An electrolyte membrane 105 is formed on the lower proton permeable membrane 104 by sputtering using an RF power source.

電解質膜105の成膜速度を高めるため、電解質膜105を構成する材料に、導電性材料が所定以下の量添加することによって、ターゲットに導電性を付加する。DC電源、又はパルスDC電源を用いて、導電性を付加したターゲットをスパッタリングすることもできる。   In order to increase the deposition rate of the electrolyte membrane 105, conductivity is added to the target by adding a predetermined amount or less of a conductive material to the material constituting the electrolyte membrane 105. A target with conductivity can be sputtered using a DC power source or a pulsed DC power source.

また、ターゲットに電解質膜105を構成する金属を用いる場合、希ガスと反応ガスとの混合ガス雰囲気中で、DC電源、パルスDC電源、又はRF電源を用いて反応性スパッタリングすることによって、電解質膜105を形成できる。   Further, when the metal constituting the electrolyte film 105 is used as a target, the electrolyte film is formed by reactive sputtering using a DC power source, a pulsed DC power source, or an RF power source in a mixed gas atmosphere of a rare gas and a reactive gas. 105 can be formed.

或いは、単独の酸化物の各々のターゲット(例えば、Ba0.8OとZrO2とY23)を複数の電源を用いて、同時にスパッタリングすることによって、電解質膜105を形成できる。 Alternatively, the electrolyte membrane 105 can be formed by sputtering each target of a single oxide (for example, Ba 0.8 O, ZrO 2 and Y 2 O 3 ) simultaneously using a plurality of power supplies.

また、2種以上の酸化物を組み合わせた2元系ターゲット又は3元系ターゲット等を用いる場合、複数の電源を用いて、同時にスパッタリングすることによって、電解質膜105を形成できる。これらのターゲットを使用する場合でも、スパッタリングは、希ガス雰囲気中、又は希ガスと反応ガス(例えば、O2ガス、N2ガス及びH2ガスから選ばれる少なくとも一つのガス)との混合ガス雰囲気中で、スパッタリングすることで、電解質膜105を形成できる。 In the case of using a binary target or a ternary target in which two or more kinds of oxides are combined, the electrolyte film 105 can be formed by sputtering simultaneously using a plurality of power supplies. Even when these targets are used, sputtering is performed in a rare gas atmosphere or a mixed gas atmosphere of a rare gas and a reactive gas (for example, at least one gas selected from O 2 gas, N 2 gas, and H 2 gas). In particular, the electrolyte membrane 105 can be formed by sputtering.

なお、下部プロトン透過膜104をバッファー膜103上にエピタキシャル成長させる場合と同様に、下部プロトン透過膜104上に付着した粒子のマイグレーションを促進するために、Si基板101を700℃以上に加熱し、又はイオンビームを下部プロトン透過膜104上に照射し、下部プロトン透過膜104上の粒子にエネルギーを与えることが望ましい。   As in the case of epitaxially growing the lower proton permeable film 104 on the buffer film 103, the Si substrate 101 is heated to 700 ° C. or higher in order to promote the migration of particles attached on the lower proton permeable film 104, or It is desirable to irradiate the lower proton permeable membrane 104 with an ion beam to give energy to particles on the lower proton permeable membrane 104.

<S5>
電解質膜105上に、上部プロトン透過膜106が形成される。例えば、スパッタリング法を用いて、電解質膜105上に、上部プロトン透過膜106を形成する。上部プロトン透過膜106は、下部プロトン透過膜104と同様の方法で形成される。
<S5>
An upper proton permeable membrane 106 is formed on the electrolyte membrane 105. For example, the upper proton permeable membrane 106 is formed on the electrolyte membrane 105 by using a sputtering method. The upper proton permeable membrane 106 is formed by the same method as the lower proton permeable membrane 104.

なお、Si基板101の多孔質部102とバッファー膜103との間に、緩衝膜(図示せず)を成膜してもよい。なお、緩衝膜は、電解質膜105と同様の方法で成膜できる。   Note that a buffer film (not shown) may be formed between the porous portion 102 of the Si substrate 101 and the buffer film 103. Note that the buffer film can be formed by a method similar to that for the electrolyte film 105.

なお、本実施の形態においては、各層の成膜方法としてスパッタリング法を用いたが、これに限定されずPLD(Pulsed Laser Deposition)法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、又はMBE(Molecular Beam Epitaxy)法等を用いることも可能である。   In this embodiment mode, a sputtering method is used as a method for forming each layer. However, the present invention is not limited to this, but a PLD (Pulsed Laser Deposition) method, a vacuum deposition method, an ion plating method, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. It is also possible to use the method or the MBE (Molecular Beam Epitaxy) method.

<その他>
図2に示す水素透過構造体100の製造方法を説明する。S3、S4、S5のいずれかの工程の後、Si基板101及びバッファー膜103を所望の形状に加工する。
<Others>
A method for manufacturing the hydrogen permeable structure 100 shown in FIG. 2 will be described. After any of the steps S3, S4, and S5, the Si substrate 101 and the buffer film 103 are processed into desired shapes.

例えば、Si基板101の第2の表面(多孔質部102が形成される表面と対向する面)に、スピンコート法を用いてフォトレジストを塗布する。   For example, a photoresist is applied to the second surface of the Si substrate 101 (the surface facing the surface on which the porous portion 102 is formed) using a spin coating method.

次に、所望の形状を描画したフォトマスクをレジストに近づけて露光することにより、フォトレジストにフォトマスクの形状を転写する。所望の形状の例は、複数の孔を有する断面のパターンである。   Next, the shape of the photomask is transferred to the photoresist by exposing the photomask on which a desired shape is drawn close to the resist. An example of the desired shape is a cross-sectional pattern having a plurality of holes.

次に、フォトレジストを現像して露光した部分を除去(ポジ型)、あるいは露光していない部分を除去(ネガ型)することにより、フォトレジストに所望のパターンを有するマスクを形成する。   Next, a mask having a desired pattern is formed on the photoresist by developing the photoresist and removing the exposed portion (positive type) or removing the unexposed portion (negative type).

フォトレジストには、一般的なフォトリソグラフィ用の有機材料からなるレジストを用いることができる。なお、フォトレジストの材料は、Si基板101、バッファー膜103とのエッチングレート比を考慮して選択することが望ましい。   As the photoresist, a resist made of a general organic material for photolithography can be used. Note that the photoresist material is preferably selected in consideration of the etching rate ratio between the Si substrate 101 and the buffer film 103.

また、フォトレジストに所望の形状と反転したパターンを形成した後、マスクとして用いる金属、酸化物等の無機物を成膜し、その後フォトレジストを溶解してフォトレジスト上の膜を除去するリフトオフ法により、所望の形状の無機物のマスクを形成できる。   In addition, after forming a pattern reversed to a desired shape on the photoresist, a film of an inorganic material such as a metal or an oxide used as a mask is formed, and then the photoresist is dissolved to remove the film on the photoresist by a lift-off method. , An inorganic mask having a desired shape can be formed.

その後、Si基板101、及びバッファー膜103をウェットエッチング、又はドライエッチングすることにより、Si基板101、及びバッファー膜103を所望の形状に加工することができる。なお、ウェットエッチングには、フッ酸、硝酸、塩酸、リン酸、酢酸、王水等を用いることができ、ドライエッチングには、フッ素系ガス(CF4、SF6、CHF3等)やArガス、及びO2ガス等を用いることができる。 Thereafter, the Si substrate 101 and the buffer film 103 can be processed into desired shapes by performing wet etching or dry etching on the Si substrate 101 and the buffer film 103. For wet etching, hydrofluoric acid, nitric acid, hydrochloric acid, phosphoric acid, acetic acid, aqua regia, etc. can be used. For dry etching, fluorine-based gas (CF 4 , SF 6 , CHF 3 etc.) or Ar gas is used. , And O 2 gas can be used.

図4に、水素透過構造体100の水素透過性能を評価する際の構成例を示す。図4に示す構成は、水素透過構造体100と、直流電源301と、第1のアルミナ管201と、第2のアルミナ管202とを備える。   FIG. 4 shows a configuration example when evaluating the hydrogen permeation performance of the hydrogen permeable structure 100. The configuration shown in FIG. 4 includes a hydrogen permeable structure 100, a DC power supply 301, a first alumina tube 201, and a second alumina tube 202.

水素透過構造体100の下部プロトン透過膜104、及び上部プロトン透過膜106の間に、電極配線を介して、直流電源301が接続され、下部プロトン透過膜104、電解質膜105、及び上部プロトン透過膜106の間に電界をかける。   A direct current power supply 301 is connected between the lower proton permeable membrane 104 and the upper proton permeable membrane 106 of the hydrogen permeable structure 100 via an electrode wiring, and the lower proton permeable membrane 104, the electrolyte membrane 105, and the upper proton permeable membrane. An electric field is applied during 106.

第1のアルミナ管201は上部プロトン透過膜106に接続され、第2のアルミナ管202はSi基板101に接続される。第1のアルミナ管201と第2のアルミナ管202とが、異なるガス中に配置されることを可能にする。例えば、下部プロトン透過膜104を中心として、第1のアルミナ管201が配置される第1空間と、第2のアルミナ管202が配置される第2空間とに分ける。第1空間と第2空間との間に、対象とするガスを透過しない膜などが配置される。   The first alumina tube 201 is connected to the upper proton permeable membrane 106, and the second alumina tube 202 is connected to the Si substrate 101. The first alumina tube 201 and the second alumina tube 202 can be arranged in different gases. For example, the lower proton permeable membrane 104 is divided into a first space in which the first alumina tube 201 is disposed and a second space in which the second alumina tube 202 is disposed. A film or the like that does not transmit the target gas is disposed between the first space and the second space.

第1のアルミナ管201及び第2のアルミナ管202は、耐熱性のセラミック接着剤(例えば、アレムコ社のセラマボンド等)又は封止ガラス等を用いて、それぞれ、上部プロトン透過膜106及びSi基板101に接続する。   The first alumina tube 201 and the second alumina tube 202 are made of an upper proton permeable membrane 106 and an Si substrate 101 using a heat-resistant ceramic adhesive (for example, Alemco Ceramer Bond) or sealing glass, respectively. Connect to.

<電解質膜105の水素イオン(プロトン)の伝導度>
図4に示される構造において、第1空間(上部プロトン透過膜106側)、及びSi基板101側(第2空間)に、同種のガスを供給(例えばAr:H2=95:5)する。下部プロトン透過膜104、電解質膜105、及び上部プロトン透過膜106を、所望のガス雰囲気(Ar:H2=95:5)に、配置する。
<Conductivity of hydrogen ion (proton) of electrolyte membrane 105>
In the structure shown in FIG. 4, the same type of gas is supplied (for example, Ar: H 2 = 95: 5) to the first space (upper proton permeable membrane 106 side) and the Si substrate 101 side (second space). The lower proton permeable membrane 104, the electrolyte membrane 105, and the upper proton permeable membrane 106 are arranged in a desired gas atmosphere (Ar: H 2 = 95: 5).

インピーダンスアナライザー302を用いて、電解質膜105の電気伝導度を測定する。この電解質膜105の電気伝導度が、電解質膜105の水素イオン(プロトン)の伝導度に対応する。   The electrical conductivity of the electrolyte membrane 105 is measured using the impedance analyzer 302. The electrical conductivity of the electrolyte membrane 105 corresponds to the conductivity of hydrogen ions (protons) in the electrolyte membrane 105.

<水素透過構造体100の水素透過性能>
図4に示される構造において、第1空間(上部プロトン透過膜106側)に水蒸気を供給し、上部プロトン透過膜106と下部プロトン透過膜104との間に、直流電源301を用いて2V程度の電圧を印加する(上部プロトン透過膜106側を正であり、下部プロトン透過膜104側が負である。)ことにより、水蒸気を電気分解して水素イオン(プロトン)とし、Si基板101側から水素を取り出すことができる。
<Hydrogen permeation performance of hydrogen permeable structure 100>
In the structure shown in FIG. 4, water vapor is supplied to the first space (upper proton permeable membrane 106 side), and about 2 V is applied between the upper proton permeable membrane 106 and the lower proton permeable membrane 104 using a DC power supply 301. By applying a voltage (the upper proton permeable membrane 106 side is positive and the lower proton permeable membrane 104 side is negative), water vapor is electrolyzed to hydrogen ions (protons), and hydrogen is supplied from the Si substrate 101 side. It can be taken out.

このとき、例えばトルエンをSi基板101側から供給し、水素透過構造体100を外部のヒーター等により200℃程度に昇温することにより、供給したトルエンに水素が付加され、メチルシクロヘキサンを得ることができる。   At this time, for example, toluene is supplied from the Si substrate 101 side, and the hydrogen permeable structure 100 is heated to about 200 ° C. by an external heater or the like, whereby hydrogen is added to the supplied toluene to obtain methylcyclohexane. it can.

水素透過構造体100の水素透過性能は、水素透過構造体100を透過してSi基板101側から得られる水素量、又はSi基板101側に生成されるメチルシクロヘキサン量を、ガスクロマトグラフ等を用いて測定することにより評価される。   The hydrogen permeation performance of the hydrogen permeable structure 100 is determined by using a gas chromatograph or the like to determine the amount of hydrogen obtained from the Si substrate 101 side through the hydrogen permeable structure 100 or the amount of methylcyclohexane produced on the Si substrate 101 side. It is evaluated by measuring.

また、上部プロトン透過膜106と下部プロトン透過膜104との間に印加する電圧を逆にして(下部プロトン透過膜104側を正であり、上部プロトン透過膜106側が負である。)、水素透過構造体100を外部のヒーター等により300℃程度に昇温することにより、メチルシクロヘキサンから水素を引き抜き、トルエンに戻すこともできる。この場合の水素透過構造体100の水素透過性能は、水素透過構造体100を透過して上部プロトン透過膜106側から得られる水素量、又はSi基板101側に生成されるトルエン量を、ガスクロマトグラフ等を用いて測定することにより評価する。   Further, the voltage applied between the upper proton permeable membrane 106 and the lower proton permeable membrane 104 is reversed (the lower proton permeable membrane 104 side is positive and the upper proton permeable membrane 106 side is negative), and hydrogen permeation is performed. By heating the structure 100 to about 300 ° C. with an external heater or the like, hydrogen can be extracted from methylcyclohexane and returned to toluene. In this case, the hydrogen permeation performance of the hydrogen permeable structure 100 is determined by measuring the amount of hydrogen permeated through the hydrogen permeable structure 100 and obtained from the upper proton permeable membrane 106 side or the amount of toluene produced on the Si substrate 101 side by gas chromatography. It evaluates by measuring using etc.

図4に示される構造において、下部プロトン透過膜104、及び上部プロトン透過膜106の間に外部回路を接続し、例えば上部プロトン透過膜106側に水素、Si基板101側に酸素を供給し、水素透過構造体100を外部のヒーター等で昇温することにより、上部プロトン透過膜106と下部プロトン透過膜104との間に電位差が生じ、燃料電池として動作させることができる。なお、上部プロトン透過膜106側に酸素、Si基板101側に水素を供給しても良い。この場合の水素透過構造体100の水素透過性能は、外部回路に供給される電力を測定することによって評価する。   In the structure shown in FIG. 4, an external circuit is connected between the lower proton permeable membrane 104 and the upper proton permeable membrane 106. For example, hydrogen is supplied to the upper proton permeable membrane 106 side and oxygen is supplied to the Si substrate 101 side. By raising the temperature of the permeable structure 100 with an external heater or the like, a potential difference is generated between the upper proton permeable membrane 106 and the lower proton permeable membrane 104, and the fuel cell can be operated. Note that oxygen may be supplied to the upper proton permeable membrane 106 side and hydrogen to the Si substrate 101 side. The hydrogen permeation performance of the hydrogen permeable structure 100 in this case is evaluated by measuring the power supplied to the external circuit.

なお、発明を実施するための形態の項においてなされた具体的な実施の形態又は実施例は、あくまでも本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と特許請求事項との範囲内で、種々変更して実施できる。   It should be noted that the specific embodiments or examples made in the section for carrying out the invention are intended to clarify the technical contents of the present invention, and are limited to such specific examples. The present invention should not be interpreted in a narrow sense, and various modifications can be made within the spirit and scope of the present invention.

実施例により、本開示を詳細に説明する。   The present disclosure is described in detail by way of examples.

(実施例1)
実施例1では、実施形態で説明した製造方法を用いて、水素透過構造体100が作製された。Si基板101として、単結晶のSi基板(カンタム社製)が準備された。このSi基板101は、0.5mmの厚みを有し、Φ2インチであり、N型半導体であり、面方位(100)であり、比抵抗1Ω・cmであった。Si基板101は、陽極酸化により形成された多孔質部102を有する表面を有していた。多孔質部102の平均孔径は50nm、開口率は50%、深さは10μmであった。
Example 1
In Example 1, the hydrogen permeable structure 100 was produced using the manufacturing method described in the embodiment. As the Si substrate 101, a single crystal Si substrate (manufactured by Quantum) was prepared. The Si substrate 101 had a thickness of 0.5 mm, a diameter of 2 inches, an N-type semiconductor, a plane orientation (100), and a specific resistance of 1 Ω · cm. The Si substrate 101 had a surface having a porous portion 102 formed by anodic oxidation. The porous portion 102 had an average pore diameter of 50 nm, an aperture ratio of 50%, and a depth of 10 μm.

<バッファー膜103>
スパッタ装置のチャンバー内は、Si基板101が配置され、750℃まで昇温した。チャンバー内は、Arガス雰囲気であり、圧力は1Paであった。
<Buffer film 103>
The Si substrate 101 was disposed in the chamber of the sputtering apparatus, and the temperature was raised to 750 ° C. The inside of the chamber was an Ar gas atmosphere, and the pressure was 1 Pa.

スパッタ法を用いて、Si基板101の多孔質部102が形成された表面上に、バッファー膜103として、MgO膜が形成された。スパッタリングターゲットとして、MgOを用いた。高周波(RF)電源を用い、投入パワーは50Wであった。形成されたバッファー膜103は、100nmの厚みを有していた。   An MgO film was formed as the buffer film 103 on the surface of the Si substrate 101 on which the porous portion 102 was formed by using the sputtering method. MgO was used as a sputtering target. A high frequency (RF) power supply was used and the input power was 50W. The formed buffer film 103 had a thickness of 100 nm.

<下部プロトン透過膜104、電解質膜105、上部プロトン透過膜106>
次に、スパッタ装置のチャンバー内の温度は、700℃にした。チャンバー内は、ArガスとO2ガスの混合ガス(Ar:O2=8:2)雰囲気、圧力1Paであった。で高周波(RF)電源を用いて投入パワー150Wで行った。
<Lower proton permeable membrane 104, electrolyte membrane 105, upper proton permeable membrane 106>
Next, the temperature in the chamber of the sputtering apparatus was set to 700 ° C. The inside of the chamber was a mixed gas atmosphere of Ar gas and O 2 gas (Ar: O 2 = 8: 2), and the pressure was 1 Pa. And using a high frequency (RF) power source at an input power of 150 W.

スパッタ法を用いて、バッファー膜103の上部に、下部プロトン透過膜104として、(Ba0.9Zr0.80.22.90.5(SrRuO30.5膜が形成された。スパッタリングターゲットして、(Ba0.9Zr0.80.22.90.5(SrRuO30.5を用いた。形成された下部プロトン透過膜104は、100nmの厚みを有していた。 Using a sputtering method, a (Ba 0.9 Zr 0.8 Y 0.2 O 2.9 ) 0.5 (SrRuO 3 ) 0.5 film was formed as the lower proton permeable film 104 on the buffer film 103. As a sputtering target, (Ba 0.9 Zr 0.8 Y 0.2 O 2.9 ) 0.5 (SrRuO 3 ) 0.5 was used. The formed lower proton permeable membrane 104 had a thickness of 100 nm.

スパッタ法を用いて、下部プロトン透過膜104の上部に、電解質膜105として、Ba0.8Zr0.70.32.85膜が形成された。スパッタリングターゲットとして、Ba0.8Zr0.70.32.85を用いた。形成された電解質膜105は、1000nmの厚みを有していた。 A Ba 0.8 Zr 0.7 Y 0.3 O 2.85 film was formed as the electrolyte film 105 on the lower proton permeable film 104 by sputtering. Ba 0.8 Zr 0.7 Y 0.3 O 2.85 was used as a sputtering target. The formed electrolyte membrane 105 had a thickness of 1000 nm.

電解質膜105の上部に、スパッタ法を用いて、上部プロトン透過膜106として、(Ba0.9Zr0.80.22.90.5(SrRuO30.5膜が形成された。上部プロトン透過膜106は、100nmの厚みを有していた。 A (Ba 0.9 Zr 0.8 Y 0.2 O 2.9 ) 0.5 (SrRuO 3 ) 0.5 film was formed as the upper proton permeable film 106 on the electrolyte film 105 by sputtering. The upper proton permeable membrane 106 had a thickness of 100 nm.

次に、図4に示す構造が作製された。   Next, the structure shown in FIG. 4 was produced.

最初に、Si基板101及びバッファー膜103に、Φ0.5mmを有する複数の開口を形成した。各開口の間の長さ(ピッチ)は1mmであった。具体的には、
フォトリソグラフィ法により、Si基板101におけるバッファー膜103が形成された表面と対向する表面(第2の表面)に、ピッチ1mmであり、かつ、Φ0.5mmを有するフォトレジストのパターンを作製した。
First, a plurality of openings having Φ0.5 mm were formed in the Si substrate 101 and the buffer film 103. The length (pitch) between the openings was 1 mm. In particular,
A photoresist pattern having a pitch of 1 mm and having a diameter of 0.5 mm was formed on the surface (second surface) of the Si substrate 101 opposite to the surface on which the buffer film 103 was formed by photolithography.

スパッタ法により、第2の表面に100nmの厚みを有するAu膜を形成した。リフトオフ法を用いて、第2表面上に作製されたフォトレジストをリムーバで除去した。その結果、Φ0.5mmの開口、ピッチ1mmのAu膜のパターンを、バッファー膜103及びSi基板101の第2の表面に形成された。   An Au film having a thickness of 100 nm was formed on the second surface by sputtering. The photoresist formed on the second surface was removed with a remover using a lift-off method. As a result, an opening having a diameter of 0.5 mm and a pattern of an Au film having a pitch of 1 mm were formed on the second surface of the buffer film 103 and the Si substrate 101.

フッ酸でSi基板101をウェットエッチングし、リン酸でバッファー膜103のMgO膜をウェットエッチングした。Arガスでドライエッチングすることにより、Si基板101の第2の表面に形成されたAu膜を除去した。   The Si substrate 101 was wet etched with hydrofluoric acid, and the MgO film of the buffer film 103 was wet etched with phosphoric acid. The Au film formed on the second surface of the Si substrate 101 was removed by dry etching with Ar gas.

次に、上部プロトン透過膜106の表面に、第1のアルミナ管201を形成し、Si基板101の表面に、第2のアルミナ管202を形成した。第1のアルミナ管201及び第2のアルミナ管202は、封止ガラスにより接着された。   Next, a first alumina tube 201 was formed on the surface of the upper proton permeable membrane 106, and a second alumina tube 202 was formed on the surface of the Si substrate 101. The first alumina tube 201 and the second alumina tube 202 were bonded with sealing glass.

最後に、下部プロトン透過膜104及び上部プロトン透過膜106の間に、AgペーストとAu線を用いて、直流電源301及びインピーダンスアナライザー302を電気的に接続した。   Finally, a DC power supply 301 and an impedance analyzer 302 were electrically connected between the lower proton permeable membrane 104 and the upper proton permeable membrane 106 using Ag paste and Au wire.

<X線回折結果>
作製した水素透過構造体100のX線回折を測定した。X線回折の測定結果において、バッファー膜103、下部プロトン透過膜104、上部プロトン透過膜106、及び電解質膜105のいずれも、Si基板101の面方位に由来する非常に強い回折ピークが存在していた。つまり、バッファー膜103、下部プロトン透過膜104、上部プロトン透過膜106、及び電解質膜105のそれぞれは、エピタキシャル成長(結晶方位が揃っている)していることが確認された。
<X-ray diffraction results>
X-ray diffraction of the produced hydrogen permeable structure 100 was measured. In the measurement result of X-ray diffraction, the buffer film 103, the lower proton permeable film 104, the upper proton permeable film 106, and the electrolyte film 105 all have very strong diffraction peaks derived from the plane orientation of the Si substrate 101. It was. That is, it was confirmed that each of the buffer film 103, the lower proton permeable film 104, the upper proton permeable film 106, and the electrolyte film 105 was epitaxially grown (the crystal orientation was aligned).

また、バッファー膜103、下部プロトン透過膜104(上部プロトン透過膜106)、及び電解質膜105のSi基板101の第1の表面に平行な方向の格子定数は、それぞれ0.421nm、0.415nm、0.425nmであった。電解質膜105は、下部プロトン透過膜104よりも、大きい格子定数を有していた。   The lattice constants of the buffer film 103, the lower proton permeable membrane 104 (upper proton permeable membrane 106), and the electrolyte membrane 105 in the direction parallel to the first surface of the Si substrate 101 are 0.421 nm and 0.415 nm, respectively. It was 0.425 nm. The electrolyte membrane 105 had a larger lattice constant than the lower proton permeable membrane 104.

バッファー膜103と下部プロトン透過膜104との格子定数の差、及び下部プロトン透過膜104と電解質膜105の格子定数との差は、いずれも0.03nm以下であった。   The difference in lattice constant between the buffer membrane 103 and the lower proton permeable membrane 104 and the difference between the lattice constant between the lower proton permeable membrane 104 and the electrolyte membrane 105 were both 0.03 nm or less.

また、Si基板101と比較して、下部プロトン透過膜104、電解質膜105、及び上部プロトン透過膜106は、大きい線膨張係数(約7E-6-1)を有する。そのため、水素透過構造体100を作製後、小さい線膨張係数を有するSi基板101と、大きい線膨張係数を有する下部プロトン透過膜104、電解質膜105、及び上部プロトン透過膜106との間の膨張係数の差がある。この差により、下部プロトン透過膜104、電解質膜105、及び上部プロトン透過膜106には、引張り応力がかかる。下部プロトン透過膜104、電解質膜105、及び上部プロトン透過膜106におけるSi基板101の第1の表面に垂直な方向の格子定数のそれぞれが、Si基板101の第1表面に平行な方向の格子定数より小さくなっており、正方晶に歪んでいることがわかった。 Further, compared to the Si substrate 101, the lower proton permeable membrane 104, the electrolyte membrane 105, and the upper proton permeable membrane 106 have a large linear expansion coefficient (about 7E -6 K -1 ). Therefore, after producing the hydrogen permeable structure 100, the expansion coefficient between the Si substrate 101 having a small linear expansion coefficient and the lower proton permeable membrane 104, the electrolyte membrane 105, and the upper proton permeable membrane 106 having a large linear expansion coefficient. There is a difference. Due to this difference, tensile stress is applied to the lower proton permeable membrane 104, the electrolyte membrane 105, and the upper proton permeable membrane 106. The lattice constants in the direction perpendicular to the first surface of the Si substrate 101 in the lower proton permeable membrane 104, the electrolyte membrane 105, and the upper proton permeable membrane 106 are each in the direction parallel to the first surface of the Si substrate 101. It was found to be smaller and distorted to tetragonal crystals.

<プロトン伝導度>
インピーダンスアナライザー302を用いて、電解質膜105の電気伝導度を測定した。この電解質膜105の電気伝導度は、電解質膜105のプロトン伝導度に相当する。
<Proton conductivity>
The electrical conductivity of the electrolyte membrane 105 was measured using the impedance analyzer 302. The electrical conductivity of the electrolyte membrane 105 corresponds to the proton conductivity of the electrolyte membrane 105.

外部ヒーターにより水素透過構造体100を200℃に昇温した。その後、上部プロトン透過膜106側及びSi基板101側に、10ml/分のArガスと水素ガスの混合ガス(Ar:H2=95:5)を供給し、Ar:H2=95:5の雰囲気で、電解質膜105の電気伝導度を測定した。表1に結果を示す。 The hydrogen permeable structure 100 was heated to 200 ° C. by an external heater. Thereafter, a mixed gas of Ar gas and hydrogen gas (Ar: H 2 = 95: 5) is supplied to the upper proton permeable membrane 106 side and the Si substrate 101 side so that Ar: H 2 = 95: 5. In the atmosphere, the electric conductivity of the electrolyte membrane 105 was measured. Table 1 shows the results.

<水素透過構造体100の水素透過性能>
ガスクロマトグラフを用いて、Si基板101側から得られる水素量を測定した。この水素量は水素透過構造体100の水素透過性能に相当する。
<Hydrogen permeation performance of hydrogen permeable structure 100>
The amount of hydrogen obtained from the Si substrate 101 side was measured using a gas chromatograph. This amount of hydrogen corresponds to the hydrogen permeation performance of the hydrogen permeable structure 100.

外部ヒーターを用いて、水素透過構造体100を200℃に昇温した。その後、上部プロトン透過膜106側から10ml/分の水素ガスを供給し、かつ、下部プロトン透過膜104側を接地した状態で、直流電源301により下部プロトン透過膜104と上部プロトン透過膜106との間に2Vの電圧を印加(下部プロトン透過膜104側を接地)した。このときSi基板101側から得られる水素量を、ガスクロマトグラフを用いて測定した。表1に結果を示す。   The hydrogen permeable structure 100 was heated to 200 ° C. using an external heater. Thereafter, hydrogen gas of 10 ml / min is supplied from the upper proton permeable membrane 106 side, and the lower proton permeable membrane 104 and the upper proton permeable membrane 106 are connected by the DC power source 301 with the lower proton permeable membrane 104 side grounded. A voltage of 2 V was applied between them (the lower proton permeable membrane 104 side was grounded). At this time, the amount of hydrogen obtained from the Si substrate 101 side was measured using a gas chromatograph. Table 1 shows the results.

<各膜の界面における剥離>
Si基板101の多孔質部102が形成される表面、バッファー膜103、下部プロトン透過膜104、電解質膜105、及び上部プロトン透過膜106のそれぞれの界面において剥離しているか否かを確認した。具体的には、上述のSi基板101側から得られる水素量を測定後に、光学顕微鏡を用いて、クラックの有無、及び膜界面で発生する隙間による光の干渉縞の有無を観察した。クラックが有ると観察された場合及び光の干渉縞が有ると観察された場合には、剥離していると判定した。クラックが観察されない場合及び光の干渉縞が観察されない場合には、剥離していないと判定した。実施例1においては、剥離されていないと判定した。表1に結果を示す。
<Peeling at the interface of each film>
It was confirmed whether the surface of the Si substrate 101 on which the porous portion 102 is formed, the interface between the buffer film 103, the lower proton permeable membrane 104, the electrolyte membrane 105, and the upper proton permeable membrane 106 are separated. Specifically, after measuring the amount of hydrogen obtained from the Si substrate 101, the presence or absence of cracks and the presence or absence of light interference fringes due to gaps generated at the film interface were observed using an optical microscope. When it was observed that there was a crack and when it was observed that there was a light interference fringe, it was determined that it was peeled off. When no cracks were observed and when no light interference fringes were observed, it was determined that no peeling occurred. In Example 1, it was determined that peeling was not performed. Table 1 shows the results.

(実施例2)
実施例2では、バッファー膜103として、10nmの厚みを有する(ZrO20.92(Y230.08膜と、厚み30nmを有するCeO2膜と、厚み10nmを有するLa0.5Sr0.5MnO3膜と、厚み50nmを有するSrRuO3膜とで構成される積層体が形成されたこと以外は、実施例1と同様に実験された。
(Example 2)
In Example 2, the buffer film 103 is a (ZrO 2 ) 0.92 (Y 2 O 3 ) 0.08 film having a thickness of 10 nm, a CeO 2 film having a thickness of 30 nm, and a La 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film having a thickness of 10 nm. And a SrRuO 3 film having a thickness of 50 nm was used, and the experiment was performed in the same manner as in Example 1.

<X線回折結果>
X線回折の測定結果において、バッファー膜103に含まれるSrRuO3膜、下部プロトン透過膜104、上部プロトン透過膜106、及び電解質膜105のいずれも、Si基板101の面方位に由来する非常に強い回折ピークが存在していた。つまり、バッファー膜103に含まれるSrRuO3膜、下部プロトン透過膜104、上部プロトン透過膜106、及び電解質膜105のそれぞれは、エピタキシャル成長(結晶方位が揃っている)していることが確認された。
<X-ray diffraction results>
In the measurement result of the X-ray diffraction, all of the SrRuO 3 film, the lower proton permeable film 104, the upper proton permeable film 106, and the electrolyte film 105 included in the buffer film 103 are very strong derived from the plane orientation of the Si substrate 101. A diffraction peak was present. That is, it was confirmed that each of the SrRuO 3 film, the lower proton permeable film 104, the upper proton permeable film 106, and the electrolyte film 105 included in the buffer film 103 is epitaxially grown (the crystal orientation is aligned).

SrRuO3膜におけるSi基板101の第1の表面に平行な方向の格子定数は、0.394nmであった。下部プロトン透過膜104(上部プロトン透過膜106)、及び電解質膜105のSi基板101の第1の表面に平行な方向の格子定数は、実施例1と同様であった。その他、実施例1と同様の結果であった。 The lattice constant of the SrRuO 3 film in the direction parallel to the first surface of the Si substrate 101 was 0.394 nm. The lattice constants of the lower proton permeable membrane 104 (upper proton permeable membrane 106) and the electrolyte membrane 105 in the direction parallel to the first surface of the Si substrate 101 were the same as in Example 1. The other results were the same as in Example 1.

<プロトン伝導度、水素透過構造体100の水素透過性能、各膜の界面における剥離>
上述のように、実施例1と同様に実験された。表1に結果を示す。
<Proton conductivity, hydrogen permeation performance of the hydrogen permeable structure 100, peeling at the interface of each membrane>
As described above, the experiment was performed in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results.

(実施例3)
実施例3では、下部プロトン透過膜104及び上部プロトン透過膜106として、(Ba0.2Ca0.2Zr0.70.32.850.4(SrRuO30.6膜が形成され、電解質膜105として、Ba0.4Ca0.5Zr0.80.22.9膜が形成されたこと以外は、実施例1と同様に実験された。
(Example 3)
In Example 3, (Ba 0.2 Ca 0.2 Zr 0.7 Y 0.3 O 2.85 ) 0.4 (SrRuO 3 ) 0.6 film is formed as the lower proton permeable membrane 104 and the upper proton permeable membrane 106, and Ba 0.4 Ca 0.5 is formed as the electrolyte membrane 105. The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that a Zr 0.8 Y 0.2 O 2.9 film was formed.

<X線回折結果>
X線回折の測定結果において、バッファー膜103、下部プロトン透過膜104、上部プロトン透過膜106、及び電解質膜105のいずれも、Si基板101の面方位に由来する非常に強い回折ピークが存在していた。つまり、バッファー膜103、下部プロトン透過膜104、上部プロトン透過膜106、及び電解質膜105のそれぞれは、エピタキシャル成長(結晶方位が揃っている)していることが確認された。
<X-ray diffraction results>
In the measurement result of X-ray diffraction, the buffer film 103, the lower proton permeable film 104, the upper proton permeable film 106, and the electrolyte film 105 all have very strong diffraction peaks derived from the plane orientation of the Si substrate 101. It was. That is, it was confirmed that each of the buffer film 103, the lower proton permeable film 104, the upper proton permeable film 106, and the electrolyte film 105 was epitaxially grown (the crystal orientation was aligned).

下部プロトン透過膜104、及び上部プロトン透過膜106は、0.412nmであり、電解質膜105は、0.425nmであった。その他、実施例1と同様の結果であった。   The lower proton permeable membrane 104 and the upper proton permeable membrane 106 were 0.412 nm, and the electrolyte membrane 105 was 0.425 nm. The other results were the same as in Example 1.

<プロトン伝導度、水素透過構造体100の水素透過性能、各膜の界面における剥離>
上述のように、実施例1と同様に実験された。表1に結果を示す。
<Proton conductivity, hydrogen permeation performance of the hydrogen permeable structure 100, peeling at the interface of each membrane>
As described above, the experiment was performed in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results.

(実施例4)
実施例4では、下部プロトン透過膜104及び上部プロトン透過膜106として、(Ba0.5Sr0.4Zr0.3Hf0.30.42.80.3(SrRuO30.7膜が形成され、電解質膜105として、Ba0.4Sr0.4Zr0.3Hf0.30.42.8膜が形成されたこと以外は、実施例1と同様に実験された。
Example 4
In Example 4, as a lower proton permeable membrane 104 and an upper proton permeable membrane 106, as (Ba 0.5 Sr 0.4 Zr 0.3 Hf 0.3 Y 0.4 O 2.8) 0.3 (SrRuO 3) 0.7 film is formed, the electrolyte membrane 105, Ba 0.4 The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that a Sr 0.4 Zr 0.3 Hf 0.3 Y 0.4 O 2.8 film was formed.

<X線回折結果>
X線回折の測定結果において、バッファー膜103、下部プロトン透過膜104、上部プロトン透過膜106、及び電解質膜105のいずれも、Si基板101の面方位に由来する非常に強い回折ピークが存在していた。つまり、バッファー膜103、下部プロトン透過膜104、上部プロトン透過膜106、及び電解質膜105のそれぞれは、エピタキシャル成長(結晶方位が揃っている)していることが確認された。
<X-ray diffraction results>
In the measurement result of X-ray diffraction, the buffer film 103, the lower proton permeable film 104, the upper proton permeable film 106, and the electrolyte film 105 all have very strong diffraction peaks derived from the plane orientation of the Si substrate 101. It was. That is, it was confirmed that each of the buffer film 103, the lower proton permeable film 104, the upper proton permeable film 106, and the electrolyte film 105 was epitaxially grown (the crystal orientation was aligned).

下部プロトン透過膜104、及び上部プロトン透過膜106は、0.408nmであり、電解質膜105は、0.419nmであった。その他、実施例1と同様の結果であった。   The lower proton permeable membrane 104 and the upper proton permeable membrane 106 were 0.408 nm, and the electrolyte membrane 105 was 0.419 nm. The other results were the same as in Example 1.

<プロトン伝導度、水素透過構造体100の水素透過性能、各膜の界面における剥離>
上述のように、実施例1と同様に実験された。表1に結果を示す。
<Proton conductivity, hydrogen permeation performance of the hydrogen permeable structure 100, peeling at the interface of each membrane>
As described above, the experiment was performed in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results.

(実施例5)
実施例5では、下部プロトン透過膜104及び上部プロトン透過膜106として、(Ba0.3Zr0.5Ce0.20.32.850.7(SrRuO30.3膜が形成され、電解質膜105として、Ba0.7Zr0.5Ce0.20.32.85膜が形成されたこと以外は、実施例1と同様に実験された。
(Example 5)
In Example 5, a (Ba 0.3 Zr 0.5 Ce 0.2 Y 0.3 O 2.85 ) 0.7 (SrRuO 3 ) 0.3 film is formed as the lower proton permeable membrane 104 and the upper proton permeable membrane 106, and Ba 0.7 Zr 0.5 is formed as the electrolyte membrane 105. The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that a Ce 0.2 Y 0.3 O 2.85 film was formed.

<X線回折結果>
X線回折の測定結果において、バッファー膜103、下部プロトン透過膜104、上部プロトン透過膜106、及び電解質膜105のいずれも、Si基板101の面方位に由来する非常に強い回折ピークが存在していた。つまり、バッファー膜103、下部プロトン透過膜104、上部プロトン透過膜106、及び電解質膜105のそれぞれは、エピタキシャル成長(結晶方位が揃っている)していることが確認された。
<X-ray diffraction results>
In the measurement result of X-ray diffraction, the buffer film 103, the lower proton permeable film 104, the upper proton permeable film 106, and the electrolyte film 105 all have very strong diffraction peaks derived from the plane orientation of the Si substrate 101. It was. That is, it was confirmed that each of the buffer film 103, the lower proton permeable film 104, the upper proton permeable film 106, and the electrolyte film 105 was epitaxially grown (the crystal orientation was aligned).

下部プロトン透過膜104、及び上部プロトン透過膜106は、0.410nmであり、電解質膜105は、0.426nmであった。その他、実施例1と同様の結果であった。   The lower proton permeable membrane 104 and the upper proton permeable membrane 106 were 0.410 nm, and the electrolyte membrane 105 was 0.426 nm. The other results were the same as in Example 1.

<プロトン伝導度、水素透過構造体100の水素透過性能、各膜の界面における剥離>
上述のように、実施例1と同様に実験された。表1に結果を示す。
<Proton conductivity, hydrogen permeation performance of the hydrogen permeable structure 100, peeling at the interface of each membrane>
As described above, the experiment was performed in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results.

(実施例6)
実施例6では、下部プロトン透過膜104及び上部プロトン透過膜106として、(Ba0.7Zr0.4In0.2Ce0.42.90.25(SrRuO30.75膜が形成され、電解質膜105として、Ba0.6Zr0.4In0.2Ce0.42.9膜が形成されたこと以外は、実施例1と同様に実験された。
(Example 6)
In Example 6, a (Ba 0.7 Zr 0.4 In 0.2 Ce 0.4 O 2.9 ) 0.25 (SrRuO 3 ) 0.75 film is formed as the lower proton permeable membrane 104 and the upper proton permeable membrane 106, and Ba 0.6 Zr 0.4 is formed as the electrolyte membrane 105. The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that an In 0.2 Ce 0.4 O 2.9 film was formed.

<X線回折結果>
X線回折の測定結果において、バッファー膜103、下部プロトン透過膜104、上部プロトン透過膜106、及び電解質膜105のいずれも、Si基板101の面方位に由来する非常に強い回折ピークが存在していた。つまり、バッファー膜103、下部プロトン透過膜104、上部プロトン透過膜106、及び電解質膜105のそれぞれは、エピタキシャル成長(結晶方位が揃っている)していることが確認された。
<X-ray diffraction results>
In the measurement result of X-ray diffraction, the buffer film 103, the lower proton permeable film 104, the upper proton permeable film 106, and the electrolyte film 105 all have very strong diffraction peaks derived from the plane orientation of the Si substrate 101. It was. That is, it was confirmed that each of the buffer film 103, the lower proton permeable film 104, the upper proton permeable film 106, and the electrolyte film 105 was epitaxially grown (the crystal orientation was aligned).

下部プロトン透過膜104、及び上部プロトン透過膜106は、0.417nmであり、電解質膜105は、0.429nmであった。その他、実施例1と同様の結果であった。   The lower proton permeable membrane 104 and the upper proton permeable membrane 106 were 0.417 nm, and the electrolyte membrane 105 was 0.429 nm. The other results were the same as in Example 1.

<プロトン伝導度、水素透過構造体100の水素透過性能、各膜の界面における剥離>
上述のように、実施例1と同様に実験された。表1に結果を示す。
<Proton conductivity, hydrogen permeation performance of the hydrogen permeable structure 100, peeling at the interface of each membrane>
As described above, the experiment was performed in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results.

(実施例7)
実施例7では、下部プロトン透過膜104及び上部プロトン透過膜106として、(Ba0.6Zr0.4Ga0.1La0.10.42.70.2(SrRuO30.8膜が形成され、電解質膜105として、Ba0.5Zr0.4Ga0.1La0.10.42.7膜が形成されたこと以外は、実施例1と同様に実験された。
(Example 7)
In Example 7, (Ba 0.6 Zr 0.4 Ga 0.1 La 0.1 Y 0.4 O 2.7 ) 0.2 (SrRuO 3 ) 0.8 film is formed as the lower proton permeable membrane 104 and the upper proton permeable membrane 106, and Ba 0.5 is used as the electrolyte membrane 105. The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that a Zr 0.4 Ga 0.1 La 0.1 Y 0.4 O 2.7 film was formed.

<X線回折結果>
X線回折の測定結果において、バッファー膜103、下部プロトン透過膜104、上部プロトン透過膜106、及び電解質膜105のいずれも、Si基板101の面方位に由来する非常に強い回折ピークが存在していた。つまり、バッファー膜103、下部プロトン透過膜104、上部プロトン透過膜106、及び電解質膜105のそれぞれは、エピタキシャル成長(結晶方位が揃っている)していることが確認された。
<X-ray diffraction results>
In the measurement result of X-ray diffraction, the buffer film 103, the lower proton permeable film 104, the upper proton permeable film 106, and the electrolyte film 105 all have very strong diffraction peaks derived from the plane orientation of the Si substrate 101. It was. That is, it was confirmed that each of the buffer film 103, the lower proton permeable film 104, the upper proton permeable film 106, and the electrolyte film 105 was epitaxially grown (the crystal orientation was aligned).

下部プロトン透過膜104、及び上部プロトン透過膜106は、0.415nmであり、電解質膜105は、0.425nmであった。その他、実施例1と同様の結果であった。   The lower proton permeable membrane 104 and the upper proton permeable membrane 106 were 0.415 nm, and the electrolyte membrane 105 was 0.425 nm. The other results were the same as in Example 1.

<プロトン伝導度、水素透過構造体100の水素透過性能、各膜の界面における剥離>
上述のように、実施例1と同様に実験された。表1に結果を示す。
<Proton conductivity, hydrogen permeation performance of the hydrogen permeable structure 100, peeling at the interface of each membrane>
As described above, the experiment was performed in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results.

(実施例8)
実施例8では、下部プロトン透過膜104、及び上部プロトン透過膜106の組成が(Ba0.3Zr0.3Al0.1Gd0.10.52.650.5(SrRuO30.5膜が形成され、電解質膜105として、Ba0.95Zr0.3Al0.1Gd0.10.52.65膜が形成されたこと以外は、実施例1と同様に実験された。
(Example 8)
In Example 8, the composition of the lower proton permeable membrane 104 and the upper proton permeable membrane 106 is (Ba 0.3 Zr 0.3 Al 0.1 Gd 0.1 Y 0.5 O 2.65 ) 0.5 (SrRuO 3 ) 0.5 membrane, and as the electrolyte membrane 105, The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that a Ba 0.95 Zr 0.3 Al 0.1 Gd 0.1 Y 0.5 O 2.65 film was formed.

<X線回折結果>
X線回折の測定結果において、バッファー膜103、下部プロトン透過膜104、上部プロトン透過膜106、及び電解質膜105のいずれも、Si基板101の面方位に由来する非常に強い回折ピークが存在していた。つまり、バッファー膜103、下部プロトン透過膜104、上部プロトン透過膜106、及び電解質膜105のそれぞれは、エピタキシャル成長(結晶方位が揃っている)していることが確認された。
<X-ray diffraction results>
In the measurement result of X-ray diffraction, the buffer film 103, the lower proton permeable film 104, the upper proton permeable film 106, and the electrolyte film 105 all have very strong diffraction peaks derived from the plane orientation of the Si substrate 101. It was. That is, it was confirmed that each of the buffer film 103, the lower proton permeable film 104, the upper proton permeable film 106, and the electrolyte film 105 was epitaxially grown (the crystal orientation was aligned).

下部プロトン透過膜104、及び上部プロトン透過膜106は、0.412nmであり、電解質膜105は、0.426nmであった。その他、実施例1と同様の結果であった。   The lower proton permeable membrane 104 and the upper proton permeable membrane 106 were 0.412 nm, and the electrolyte membrane 105 was 0.426 nm. The other results were the same as in Example 1.

<プロトン伝導度、水素透過構造体100の水素透過性能、各膜の界面における剥離>
上述のように、実施例1と同様に実験された。表1に結果を示す。
<Proton conductivity, hydrogen permeation performance of the hydrogen permeable structure 100, peeling at the interface of each membrane>
As described above, the experiment was performed in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results.

(実施例9)
実施例9では、Si基板101とバッファー膜103の間に、緩衝膜を形成したこと意外は、実施例1と同様に実験された。
Example 9
In Example 9, the experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that a buffer film was formed between the Si substrate 101 and the buffer film 103.

スパッタ法を用いて、Si基板101の多孔質部102が形成された表面上に、緩衝膜として、MgAl24膜が形成された。スパッタ装置のチャンバー内に配置されたSi基板101は、750℃であった。チャンバー内は、Arガス雰囲気であり、圧力は1Paであった。 Using a sputtering method, an MgAl 2 O 4 film was formed as a buffer film on the surface of the Si substrate 101 on which the porous portion 102 was formed. The Si substrate 101 disposed in the chamber of the sputtering apparatus was 750 ° C. The inside of the chamber was an Ar gas atmosphere, and the pressure was 1 Pa.

スパッタリングターゲットとして、MgAl24を用いた。高周波(RF)電源を用い、投入パワーは50Wであった。形成された緩衝膜(MgAl24膜)は、100nmの厚みを有していた。緩衝膜の上に、実施例1と同様に、バッファー膜103、下部プロトン透過膜104、上部プロトン透過膜106、及び電解質膜105が下から上に順に形成された。 MgAl 2 O 4 was used as a sputtering target. A high frequency (RF) power supply was used and the input power was 50W. The formed buffer film (MgAl 2 O 4 film) had a thickness of 100 nm. On the buffer membrane, similarly to Example 1, the buffer membrane 103, the lower proton permeable membrane 104, the upper proton permeable membrane 106, and the electrolyte membrane 105 were sequentially formed from the bottom to the top.

<X線回折結果>
X線回折の測定結果において、バッファー膜103、下部プロトン透過膜104、上部プロトン透過膜106、及び電解質膜105のいずれも、Si基板101の面方位に由来する非常に強い回折ピークが存在していた。つまり、バッファー膜103、下部プロトン透過膜104、上部プロトン透過膜106、及び電解質膜105のそれぞれは、エピタキシャル成長(結晶方位が揃っている)していることが確認された。その他、実施例1と同様の結果であった。
<X-ray diffraction results>
In the measurement result of X-ray diffraction, the buffer film 103, the lower proton permeable film 104, the upper proton permeable film 106, and the electrolyte film 105 all have very strong diffraction peaks derived from the plane orientation of the Si substrate 101. It was. That is, it was confirmed that each of the buffer film 103, the lower proton permeable film 104, the upper proton permeable film 106, and the electrolyte film 105 was epitaxially grown (the crystal orientation was aligned). The other results were the same as in Example 1.

<プロトン伝導度、水素透過構造体100の水素透過性能、各膜の界面における剥離>
上述のように、実施例1と同様に実験された。表1に結果を示す。
<Proton conductivity, hydrogen permeation performance of the hydrogen permeable structure 100, peeling at the interface of each membrane>
As described above, the experiment was performed in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results.

(比較例1)
比較例1では、下部プロトン透過膜104、電解質膜105、及び上部プロトン透過膜106を形成するときのSi基板101を500℃であったこと以外は、実施例1と同様に実験された。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, the experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the Si substrate 101 used to form the lower proton permeable membrane 104, the electrolyte membrane 105, and the upper proton permeable membrane 106 was 500 ° C.

<X線回折結果>
X線回折の測定結果において、下部プロトン透過膜104、電解質膜105、及び上部プロトン透過膜106のいずれも、Si基板101の面方位に由来する回折ピークだけでなく、Si基板101の面方位と異なる面方位の回折ピークを有していた。これらのピークはいずれも同程度の強度を有していた。つまり、下部プロトン透過膜104、電解質膜105、及び上部プロトン透過膜106は、多結晶であることが確認された。
<X-ray diffraction results>
In the measurement results of X-ray diffraction, the lower proton permeable membrane 104, the electrolyte membrane 105, and the upper proton permeable membrane 106 are not only diffraction peaks derived from the plane orientation of the Si substrate 101 but also the plane orientation of the Si substrate 101. It had diffraction peaks with different plane orientations. All of these peaks had the same intensity. That is, it was confirmed that the lower proton permeable membrane 104, the electrolyte membrane 105, and the upper proton permeable membrane 106 are polycrystalline.

<プロトン伝導度、水素透過構造体100の水素透過性能、各膜の界面における剥離>
上述のように、実施例1と同様に実験された。表1に結果を示す。
<Proton conductivity, hydrogen permeation performance of the hydrogen permeable structure 100, peeling at the interface of each membrane>
As described above, the experiment was performed in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results.

(比較例2)
比較例2では、バッファー膜103として、Pd膜が形成されたこと以外は、実施例1と同様に実験された。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, the experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that a Pd film was formed as the buffer film 103.

スパッタ法を用いて、Si基板101の多孔質部102が形成された表面上に、バッファー膜103として、Pd膜が形成された。スパッタ装置のチャンバー内に配置されたSi基板101は、250℃であった。チャンバー内は、Arガス雰囲気であり、圧力は1Paであった。   A sputtering method was used to form a Pd film as the buffer film 103 on the surface of the Si substrate 101 on which the porous portion 102 was formed. The Si substrate 101 disposed in the chamber of the sputtering apparatus was 250 ° C. The inside of the chamber was an Ar gas atmosphere, and the pressure was 1 Pa.

スパッタリングターゲットとして、Pdを用いた。高周波(RF)電源を用い、投入パワーは20Wであった。   Pd was used as a sputtering target. A high frequency (RF) power supply was used and the input power was 20W.

<X線回折結果>
X線回折の測定結果において、下部プロトン透過膜104、電解質膜105、及び上部プロトン透過膜106のいずれも、Si基板101の面方位に由来する回折ピークだけでなく、Si基板101の面方位と異なる面方位の回折ピークを有していた。これらのピークはいずれも同程度の強度を有していた。つまり、下部プロトン透過膜104、電解質膜105、及び上部プロトン透過膜106は、多結晶であることが確認された。
<X-ray diffraction results>
In the measurement results of X-ray diffraction, the lower proton permeable membrane 104, the electrolyte membrane 105, and the upper proton permeable membrane 106 are not only diffraction peaks derived from the plane orientation of the Si substrate 101 but also the plane orientation of the Si substrate 101. It had diffraction peaks with different plane orientations. All of these peaks had the same intensity. That is, it was confirmed that the lower proton permeable membrane 104, the electrolyte membrane 105, and the upper proton permeable membrane 106 are polycrystalline.

<プロトン伝導度、水素透過構造体100の水素透過性能、各膜の界面における剥離>
上述のように、実施例1と同様に実験された。表1に結果を示す。
<Proton conductivity, hydrogen permeation performance of the hydrogen permeable structure 100, peeling at the interface of each membrane>
As described above, the experiment was performed in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results.

(比較例3)
比較例3では、下部プロトン透過膜104及び上部プロトン透過膜106として、(Ba1.1Zr0.80.22.90.5(SrRuO30.5膜が形成され、電解質膜105として、Ba1.0Zr0.70.32.85膜が形成されたこと以外は、実施例1と同様に実験された。
(Comparative Example 3)
In Comparative Example 3, (Ba 1.1 Zr 0.8 Y 0.2 O 2.9 ) 0.5 (SrRuO 3 ) 0.5 film is formed as the lower proton permeable membrane 104 and the upper proton permeable membrane 106, and Ba 1.0 Zr 0.7 Y 0.3 is formed as the electrolyte membrane 105. The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the O 2.85 film was formed.

<X線回折結果>
X線回折の測定結果において、下部プロトン透過膜104、電解質膜105、及び上部プロトン透過膜106のいずれも、Si基板101の面方位に由来する回折ピークだけでなく、Si基板101の面方位と異なる面方位の回折ピークを有していた。これらのピークはいずれも同程度の強度を有していた。つまり、下部プロトン透過膜104、電解質膜105、及び上部プロトン透過膜106は、多結晶であることが確認された。
<X-ray diffraction results>
In the measurement results of X-ray diffraction, the lower proton permeable membrane 104, the electrolyte membrane 105, and the upper proton permeable membrane 106 are not only diffraction peaks derived from the plane orientation of the Si substrate 101 but also the plane orientation of the Si substrate 101. It had diffraction peaks with different plane orientations. All of these peaks had the same intensity. That is, it was confirmed that the lower proton permeable membrane 104, the electrolyte membrane 105, and the upper proton permeable membrane 106 are polycrystalline.

<プロトン伝導度、水素透過構造体100の水素透過性能、各膜の界面における剥離>
上述のように、実施例1と同様に実験された。表1に結果を示す。
<Proton conductivity, hydrogen permeation performance of the hydrogen permeable structure 100, peeling at the interface of each membrane>
As described above, the experiment was performed in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results.

(比較例4)
比較例4では、下部プロトン透過膜104及び上部プロトン透過膜106として、(Ba0.3Zr0.80.22.90.8(SrRuO30.2膜が形成され、電解質膜105として、Ba0.4Zr0.70.32.85膜が形成されたこと以外、実施例1と同様に実験された。
(Comparative Example 4)
In Comparative Example 4, a (Ba 0.3 Zr 0.8 Y 0.2 O 2.9 ) 0.8 (SrRuO 3 ) 0.2 film is formed as the lower proton permeable membrane 104 and the upper proton permeable membrane 106, and Ba 0.4 Zr 0.7 Y 0.3 is formed as the electrolyte membrane 105. The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that an O 2.85 film was formed.

<X線回折結果>
X線回折の測定結果において、下部プロトン透過膜104、電解質膜105、及び上部プロトン透過膜106のいずれも、Si基板101の面方位に由来する回折ピークだけでなく、Si基板101の面方位と異なる面方位の回折ピークを有していた。これらのピークはいずれも同程度の強度を有していた。つまり、下部プロトン透過膜104、電解質膜105、及び上部プロトン透過膜106は、多結晶であることが確認された。
<X-ray diffraction results>
In the measurement results of X-ray diffraction, the lower proton permeable membrane 104, the electrolyte membrane 105, and the upper proton permeable membrane 106 are not only diffraction peaks derived from the plane orientation of the Si substrate 101 but also the plane orientation of the Si substrate 101. It had diffraction peaks with different plane orientations. All of these peaks had the same intensity. That is, it was confirmed that the lower proton permeable membrane 104, the electrolyte membrane 105, and the upper proton permeable membrane 106 are polycrystalline.

<プロトン伝導度、水素透過構造体100の水素透過性能、各膜の界面における剥離>
上述のように、実施例1と同様に実験された。表1に結果を示す。
<Proton conductivity, hydrogen permeation performance of the hydrogen permeable structure 100, peeling at the interface of each membrane>
As described above, the experiment was performed in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results.

(比較例5)
比較例5では、下部プロトン透過膜104及び上部プロトン透過膜106として、(Ba0.9Zr0.80.22.90.8(SrRuO30.2膜が形成されたこと以外は、実施例1と同様に実験された。
(Comparative Example 5)
In Comparative Example 5, an experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that a (Ba 0.9 Zr 0.8 Y 0.2 O 2.9 ) 0.8 (SrRuO 3 ) 0.2 film was formed as the lower proton permeable membrane 104 and the upper proton permeable membrane 106. It was done.

<X線回折結果>
X線回折の測定結果において、バッファー膜103、下部プロトン透過膜104、上部プロトン透過膜106、及び電解質膜105のいずれも、Si基板101の面方位に由来する非常に強い回折ピークが存在していた。つまり、バッファー膜103、下部プロトン透過膜104、上部プロトン透過膜106、及び電解質膜105のそれぞれは、エピタキシャル成長(結晶方位が揃っている)していることが確認された。
<X-ray diffraction results>
In the measurement result of X-ray diffraction, the buffer film 103, the lower proton permeable film 104, the upper proton permeable film 106, and the electrolyte film 105 all have very strong diffraction peaks derived from the plane orientation of the Si substrate 101. It was. That is, it was confirmed that each of the buffer film 103, the lower proton permeable film 104, the upper proton permeable film 106, and the electrolyte film 105 was epitaxially grown (the crystal orientation was aligned).

下部プロトン透過膜104、及び上部プロトン透過膜106は、0.420nmであり、電解質膜105は、0.425nmであった。その他、実施例1と同様の結果であった。   The lower proton permeable membrane 104 and the upper proton permeable membrane 106 were 0.420 nm, and the electrolyte membrane 105 was 0.425 nm. The other results were the same as in Example 1.

<プロトン伝導度、水素透過構造体100の水素透過性能、各膜の界面における剥離>
上述のように、実施例1と同様に実験された。表1に結果を示す。
<Proton conductivity, hydrogen permeation performance of the hydrogen permeable structure 100, peeling at the interface of each membrane>
As described above, the experiment was performed in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results.

(比較例6)
比較例6では、下部プロトン透過膜104及び上部プロトン透過膜106として、(Ba0.9Zr0.80.22.90.1(SrRuO30.9膜が形成されたこと以外、実施例1と同様に実験された。
(Comparative Example 6)
In Comparative Example 6, the experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that a (Ba 0.9 Zr 0.8 Y 0.2 O 2.9 ) 0.1 (SrRuO 3 ) 0.9 film was formed as the lower proton permeable membrane 104 and the upper proton permeable membrane 106. It was.

<X線回折結果>
X線回折の測定結果において、バッファー膜103、下部プロトン透過膜104、上部プロトン透過膜106、及び電解質膜105のいずれも、Si基板101の面方位に由来する非常に強い回折ピークが存在していた。つまり、バッファー膜103、下部プロトン透過膜104、上部プロトン透過膜106、及び電解質膜105のそれぞれは、エピタキシャル成長(結晶方位が揃っている)していることが確認された。
<X-ray diffraction results>
In the measurement result of X-ray diffraction, the buffer film 103, the lower proton permeable film 104, the upper proton permeable film 106, and the electrolyte film 105 all have very strong diffraction peaks derived from the plane orientation of the Si substrate 101. It was. That is, it was confirmed that each of the buffer film 103, the lower proton permeable film 104, the upper proton permeable film 106, and the electrolyte film 105 was epitaxially grown (the crystal orientation was aligned).

下部プロトン透過膜104、及び上部プロトン透過膜106は、0.401nmであり、電解質膜105は、0.425nmであった。その他、実施例1と同様の結果であった。   The lower proton permeable membrane 104 and the upper proton permeable membrane 106 were 0.401 nm, and the electrolyte membrane 105 was 0.425 nm. The other results were the same as in Example 1.

<プロトン伝導度、水素透過構造体100の水素透過性能、各膜の界面における剥離>
上述のように、実施例1と同様に実験された。表1に結果を示す。
<Proton conductivity, hydrogen permeation performance of the hydrogen permeable structure 100, peeling at the interface of each membrane>
As described above, the experiment was performed in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results.

(比較例7)
比較例7では、下部プロトン透過膜104及び上部プロトン透過膜106として、(Ba0.9Zr0.90.12.950.5(SrRuO30.5膜が形成され、電解質膜105として、Ba0.8Zr0.90.12.95の膜が形成されたこと以外、実施例1と同様に実験された。
(Comparative Example 7)
In Comparative Example 7, (Ba 0.9 Zr 0.9 Y 0.1 O 2.95 ) 0.5 (SrRuO 3 ) 0.5 film is formed as the lower proton permeable membrane 104 and the upper proton permeable membrane 106, and Ba 0.8 Zr 0.9 Y 0.1 is formed as the electrolyte membrane 105. The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that an O 2.95 film was formed.

<X線回折結果>
X線回折の測定結果において、バッファー膜103、下部プロトン透過膜104、上部プロトン透過膜106、及び電解質膜105のいずれも、Si基板101の面方位に由来する非常に強い回折ピークが存在していた。つまり、バッファー膜103、下部プロトン透過膜104、上部プロトン透過膜106、及び電解質膜105のそれぞれは、エピタキシャル成長(結晶方位が揃っている)していることが確認された。
<X-ray diffraction results>
In the measurement result of X-ray diffraction, the buffer film 103, the lower proton permeable film 104, the upper proton permeable film 106, and the electrolyte film 105 all have very strong diffraction peaks derived from the plane orientation of the Si substrate 101. It was. That is, it was confirmed that each of the buffer film 103, the lower proton permeable film 104, the upper proton permeable film 106, and the electrolyte film 105 was epitaxially grown (the crystal orientation was aligned).

下部プロトン透過膜104、及び上部プロトン透過膜106は、0.413nmであり、電解質膜105は、0.423nmであった。その他、実施例1と同様の結果であった。   The lower proton permeable membrane 104 and the upper proton permeable membrane 106 were 0.413 nm, and the electrolyte membrane 105 was 0.423 nm. The other results were the same as in Example 1.

<プロトン伝導度、水素透過構造体100の水素透過性能、各膜の界面における剥離>
上述のように、実施例1と同様に実験された。表1に結果を示す。
<Proton conductivity, hydrogen permeation performance of the hydrogen permeable structure 100, peeling at the interface of each membrane>
As described above, the experiment was performed in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results.

(比較例8)
比較例8では、下部プロトン透過膜104及び上部プロトン透過膜106として、(Ba0.9Zr0.30.72.650.5(SrRuO30.5膜が形成され、電解質膜105として、Ba0.8Zr0.30.72.65膜が形成されたこと以外、実施例1と同様に実験された。
(Comparative Example 8)
In Comparative Example 8, (Ba 0.9 Zr 0.3 Y 0.7 O 2.65 ) 0.5 (SrRuO 3 ) 0.5 film is formed as the lower proton permeable membrane 104 and the upper proton permeable membrane 106, and Ba 0.8 Zr 0.3 Y 0.7 is formed as the electrolyte membrane 105. The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that an O 2.65 film was formed.

<X線回折結果>
X線回折の測定結果において、下部プロトン透過膜104、電解質膜105、及び上部プロトン透過膜106のいずれも、Si基板101の面方位に由来する回折ピークだけでなく、Si基板101の面方位と異なる面方位の回折ピークを有していた。これらのピークはいずれも同程度の強度を有していた。つまり、下部プロトン透過膜104、電解質膜105、及び上部プロトン透過膜106は、多結晶であることが確認された。
<X-ray diffraction results>
In the measurement results of X-ray diffraction, the lower proton permeable membrane 104, the electrolyte membrane 105, and the upper proton permeable membrane 106 are not only diffraction peaks derived from the plane orientation of the Si substrate 101 but also the plane orientation of the Si substrate 101. It had diffraction peaks with different plane orientations. All of these peaks had the same intensity. That is, it was confirmed that the lower proton permeable membrane 104, the electrolyte membrane 105, and the upper proton permeable membrane 106 are polycrystalline.

<プロトン伝導度、水素透過構造体100の水素透過性能、各膜の界面における剥離>
上述のように、実施例1と同様に実験された。表1に結果を示す。
なお、水素透過性能については、比較例2においてSi基板101側で検出された水素量を1として規格化してある。
<Proton conductivity, hydrogen permeation performance of the hydrogen permeable structure 100, peeling at the interface of each membrane>
As described above, the experiment was performed in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results.
The hydrogen permeation performance is standardized with the amount of hydrogen detected on the Si substrate 101 side in Comparative Example 2 as 1.

Figure 2015058399
Figure 2015058399

また、表2及び表3に、実施例1から実施例9、比較例1から比較例8における電解質膜105、下部プロトン透過膜104及び上部プロトン透過膜106の組成を示す。   Tables 2 and 3 show the compositions of the electrolyte membrane 105, the lower proton permeable membrane 104, and the upper proton permeable membrane 106 in Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 to 8.

Figure 2015058399
Figure 2015058399

Figure 2015058399
Figure 2015058399

実施例1から実施例9における電解質膜105は、比較例1から比較例8の電解質膜105と比較して、高い水素透過性能を有することがわかった。さらに、実施例1から実施例9は、比較例1から比較例8の電解質膜105と比較して、同等以上のプロトン伝導度も有することがわかった。   It was found that the electrolyte membranes 105 in Examples 1 to 9 have higher hydrogen permeation performance than the electrolyte membranes 105 in Comparative Examples 1 to 8. Furthermore, it was found that Examples 1 to 9 also have proton conductivity equal to or higher than that of the electrolyte membrane 105 of Comparative Examples 1 to 8.

また、実施例1から実施例9は、高い水素透過性能及びプロトン伝導を有し、かつ、Si基板101、バッファー膜103、下部プロトン透過膜104、電解質膜105、及び上部プロトン透過膜106のそれぞれの界面での剥離していないことがわかった。   Examples 1 to 9 have high hydrogen permeation performance and proton conduction, and each of the Si substrate 101, the buffer film 103, the lower proton permeable film 104, the electrolyte film 105, and the upper proton permeable film 106. It was found that no peeling occurred at the interface.

実施例1から実施例9では、下部プロトン透過膜104、電解質膜105、及び上部プロトン透過膜106が多結晶膜であった比較例1から比較例4、及び比較例8と比較して、20倍〜100倍程度の高い水槽透過性を有していた。   In Examples 1 to 9, compared with Comparative Examples 1 to 4 and Comparative Example 8 in which the lower proton permeable membrane 104, the electrolyte membrane 105, and the upper proton permeable membrane 106 were polycrystalline membranes, 20 The water tank permeability was as high as about 100 to 100 times.

なお、比較例5では、下部プロトン透過膜104、及び上部プロトン透過膜106に含まれるSrRuO3の量が少なすぎたため、下部プロトン透過膜104、及び上部プロトン透過膜106の電子伝導性が小さかったため、電解質膜105の伝導度及び水素透過構造体100の水素透過性能を測定することができなかった。また、比較例6では、下部プロトン透過膜104、及び上部プロトン透過膜106に含まれるSrRuO3の量が多すぎたため、下部プロトン透過膜104、及び上部プロトン透過膜106が水素を透過せず、水素透過構造体100の水素透過性能を測定することができなかった。さらに、比較例8では、下部プロトン透過膜104、電解質膜105、及び上部プロトン透過膜106に含まれるYの量が少なすぎたため、下部プロトン透過膜104、電解質膜105、及び上部プロトン透過膜106の酸素欠損量が不十分で、電解質膜105のプロトン伝導度、及び水素透過構造体100の水素透過性能が小さかった。 In Comparative Example 5, since the amount of SrRuO 3 contained in the lower proton permeable membrane 104 and the upper proton permeable membrane 106 was too small, the electron conductivity of the lower proton permeable membrane 104 and the upper proton permeable membrane 106 was small. The conductivity of the electrolyte membrane 105 and the hydrogen permeation performance of the hydrogen permeable structure 100 could not be measured. In Comparative Example 6, since the amount of SrRuO 3 contained in the lower proton permeable membrane 104 and the upper proton permeable membrane 106 was too large, the lower proton permeable membrane 104 and the upper proton permeable membrane 106 did not pass hydrogen, The hydrogen permeation performance of the hydrogen permeable structure 100 could not be measured. Furthermore, in Comparative Example 8, since the amount of Y contained in the lower proton permeable membrane 104, the electrolyte membrane 105, and the upper proton permeable membrane 106 was too small, the lower proton permeable membrane 104, the electrolyte membrane 105, and the upper proton permeable membrane 106 were used. The amount of oxygen deficiency was insufficient, and the proton conductivity of the electrolyte membrane 105 and the hydrogen permeation performance of the hydrogen permeable structure 100 were small.

なお、実施例1から実施例9において、下部プロトン透過膜104及び上部プロトン透過膜106のAサイトは、Baを含む。Sr及びCaはアルカリ土類金属であり、Baに代えて用いても、同様の効果があると推定される。実施例1から実施例9において、下部プロトン透過膜104及び上部プロトン透過膜106のDサイトは、Zrを含む。Zrと、Hf、Y、La、Ce、Gd、In、Ga及びAlとは、同族の元素であり、Zrに代えて用いても、同様の効果があると推定される。   In Examples 1 to 9, the A sites of the lower proton permeable membrane 104 and the upper proton permeable membrane 106 contain Ba. Sr and Ca are alkaline earth metals, and it is presumed that the same effect is obtained even if they are used instead of Ba. In Example 1 to Example 9, the D sites of the lower proton permeable membrane 104 and the upper proton permeable membrane 106 contain Zr. Zr and Hf, Y, La, Ce, Gd, In, Ga, and Al are elements of the same family, and it is estimated that the same effect can be obtained even if they are used instead of Zr.

なお、実施例1から実施例9において、電解質膜105のAサイトは、Baを含む。Sr及びCaはアルカリ土類金属であり、Baに代えて用いても、同様の効果があると推定される。   In Example 1 to Example 9, the A site of the electrolyte membrane 105 contains Ba. Sr and Ca are alkaline earth metals, and it is presumed that the same effect is obtained even if they are used instead of Ba.

また、Dは4A族のZr、Hf、希土類金属のY、La、Ce、Gd、及び3B族のIn、Ga、Alから選ばれれば良く、同様の効果が推定される。   Further, D may be selected from 4A group Zr, Hf, rare earth metal Y, La, Ce, Gd, and 3B group In, Ga, Al, and the same effect is estimated.

空隙の無い緻密な界面を有する積層体を形成する際に、プロトン透過膜、及び電解質膜がエピタキシャル成長することで、界面における結合が強固になり、膜界面での剥離を抑制することができる。また、プロトン透過膜、及び電解質膜がエピタキシャル成長することで、膜界面の原子配列の乱れが少なくなり膜界面でのプロトン伝導に対する抵抗が小さくなるため、膜の垂直方向にプロトン伝導しやすくなる効果もある。その結果、高い信頼性を有し、水素透過性も良好な構造体を実現することができる。   When a laminate having a dense interface without voids is formed, the proton permeable membrane and the electrolyte membrane are epitaxially grown, so that the bond at the interface becomes strong, and peeling at the membrane interface can be suppressed. In addition, since the proton permeable membrane and the electrolyte membrane are epitaxially grown, the disorder of the atomic arrangement at the membrane interface is reduced and the resistance to proton conduction at the membrane interface is reduced, so that proton conduction is facilitated in the vertical direction of the membrane. is there. As a result, a structure having high reliability and good hydrogen permeability can be realized.

なお、実施例の項においてなされた具体的な実施形態又は実施例は、あくまでも本発明の技術内容を明らかしており、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきではなく、本発明の精神と特許請求事項との範囲内で、種々変更して実施することができる。   It should be noted that the specific embodiments or examples made in the section of the examples only clarify the technical contents of the present invention, and should not be construed in a narrow sense by limiting only to such specific examples. Various changes can be made within the spirit and scope of the present invention.

本開示の一例に係る水素透過構造体は、高いプロトン伝導性と、電解質膜及びプロトン透過膜の剥離を低減する高い信頼性とを有し、水素付加装置、燃料電池、水蒸気電解等に有用である。   The hydrogen permeable structure according to an example of the present disclosure has high proton conductivity and high reliability that reduces separation of the electrolyte membrane and the proton permeable membrane, and is useful for hydrogenation devices, fuel cells, steam electrolysis, and the like. is there.

100 水素透過構造体
101 Si基板
102 多孔質部
103 バッファー膜
104 下部プロトン透過膜
105 電解質膜
106 上部プロトン透過膜
201、202 アルミナ管
301 直流電源
302 インピーダンスアナライザー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Hydrogen permeable structure 101 Si substrate 102 Porous part 103 Buffer film 104 Lower proton permeable film 105 Electrolyte film 106 Upper proton permeable film 201, 202 Alumina tube 301 DC power supply 302 Impedance analyzer

Claims (6)

多孔質部が形成される表面を有するSi基板と、
前記Si基板の表面上部に形成され、かつ、単結晶である下部プロトン透過膜と、
前記下部プロトン透過膜の上部に形成され、かつ、単結晶である電解質膜とを備え、
前記下部プロトン透過膜は、組成式A11-x1(D1-yRuy)Oz1で表されるペロブスカイト型結晶構造を有し、
前記A1はBa、Sr及びCaから選ばれる少なくとも一つの元素であり、
前記DはZr、Hf、Y、La、Ce、Gd、In、Ga及びAlから選ばれる少なくとも一つの元素であり、
0<x1≦0.5、0.3≦y≦0.8、及びz1<3を満たし、
前記電解質膜は、組成式A21-x2(E1-ww)Oz2で表されるペロブスカイト型結晶構造を有し、
前記A2はBa、Sr及びCaから選ばれる少なくとも一つの元素であり、
前記EはZr、Hf、In、Ga及びAlから選ばれる少なくとも一つの元素であり、
前記GはY、La、Ce及びGdから選ばれる少なくとも一つの元素であり、
0<x2≦0.5、0.2≦w≦0.6、z2<3を満たす、
水素透過構造体。
A Si substrate having a surface on which a porous part is formed;
A lower proton permeable membrane formed on the upper surface of the Si substrate and being a single crystal;
An electrolyte membrane that is formed on the lower proton permeable membrane and is a single crystal;
The lower proton permeable membrane has a perovskite crystal structure represented by a composition formula A1 1-x1 (D 1-y Ru y ) O z1 ,
A1 is at least one element selected from Ba, Sr and Ca;
D is at least one element selected from Zr, Hf, Y, La, Ce, Gd, In, Ga and Al;
0 <x1 ≦ 0.5, 0.3 ≦ y ≦ 0.8, and z1 <3 are satisfied,
The electrolyte membrane has a perovskite crystal structure represented by a composition formula A2 1-x2 (E 1-w G w ) O z2
A2 is at least one element selected from Ba, Sr and Ca;
E is at least one element selected from Zr, Hf, In, Ga and Al,
G is at least one element selected from Y, La, Ce and Gd;
0 <x2 ≦ 0.5, 0.2 ≦ w ≦ 0.6, z2 <3,
Hydrogen permeable structure.
前記下部プロトン透過膜は、及び前記電解質膜の結晶構造がともに正方晶である請求項1に記載の水素透過構造体。   The hydrogen permeable structure according to claim 1, wherein the lower proton permeable membrane and the electrolyte membrane both have a tetragonal crystal structure. さらに、前記電解質膜の上部に形成され、かつ、単結晶である上部プロトン透過膜を備え、
前記上部プロトン透過膜は、組成式A11-x1(D1-yRuy)Oz1で表されるペロブスカイト型結晶構造を有し、
前記A1はBa、Sr及びCaから選ばれる少なくとも一つの元素であり、
前記DはZr、Hf、Y、La、Ce、Gd、In、Ga及びAlから選ばれる少なくとも一つの元素であり、
0<x1≦0.5、0.3≦y≦0.8、及びz1<3を満たす、
請求項1に記載の水素透過構造体。
Furthermore, an upper proton permeable membrane that is formed on the electrolyte membrane and is a single crystal is provided,
The upper proton permeable membrane has a perovskite crystal structure represented by a composition formula A1 1-x1 (D 1-y Ru y ) O z1 .
A1 is at least one element selected from Ba, Sr and Ca;
D is at least one element selected from Zr, Hf, Y, La, Ce, Gd, In, Ga and Al;
Satisfy 0 <x1 ≦ 0.5, 0.3 ≦ y ≦ 0.8, and z1 <3
The hydrogen-permeable structure according to claim 1.
さらに、前記Si基板と前記下部プロトン透過膜の間に、酸化物で構成されるバッファー膜を備える請求項1に記載の水素透過構造体。   The hydrogen permeable structure according to claim 1, further comprising a buffer film made of an oxide between the Si substrate and the lower proton permeable film. 前記バッファー膜が、Mg及びOを含む請求項3に記載の水素透過構造体。   The hydrogen permeable structure according to claim 3, wherein the buffer film contains Mg and O. 前記バッファー膜が、Sr、Ru、及びOを含む請求項3に記載の水素透過構造体。   The hydrogen permeable structure according to claim 3, wherein the buffer film contains Sr, Ru, and O.
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