JP2015147992A - 水素ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】より実用的な水素ポンプを提供する。
【解決手段】本開示の実施形態による水素ポンプは、水素を酸化する触媒を含むアノードと、プロトンを還元する触媒を含むカソードと、アノード及びカソードの間に配置されたプロトン伝導体とを備える。プロトン伝導体は、組成式Ａ_aＢ_1-xＢ’_xＯ_3-δで表されるペロブスカイト型結晶構造を有し、Ａの元素はアルカリ土類金属であって、その元素の組成比率を示すａの値が、０．４＜ａ＜０．９の範囲で含み、Ｂ’の元素は３価の３族および１３族の元素であって、その元素の組成比率を示すｘの値が、０．２＜ｘ＜０．６の範囲で含まれている。
【選択図】図３

Description

本開示は、プロトンを電気化学的に輸送する水素ポンプに関する。本開示は、特に、プロトン伝導体を備える水素ポンプに関する。

プロトン伝導性固体電解質の中でも、組成式ＡＢ_1-xＢ’_xＯ_3-δで表されるペロブスカイト型プロトン伝導性酸化物は数多く報告されている。ここで、Ａはアルカリ土類金属、Ｂは４価の４族遷移金属元素や４価のランタノイド元素であるＣｅ、Ｂ’は３価の３族または１３族の元素、Ｏは酸素である。ｘは、Ｂの元素を置換するＢ’の元素の組成比率であり、０＜ｘ＜１．０を満たす。δは酸素欠損または酸素過剰を表す値である。ペロブスカイト構造の基本構成については、後に図面を参照しながら簡単に説明する。

非特許文献１に、ペロブスカイト構造を有する酸化物が開示されている。非特許文献１の酸化物は、組成式ＢａＺｒ_1-xＹ_xＯ_3-δ又は組成式ＢａＣｅ_1-xＹ_xＯ_3-δである。ここで、Ａがバリウム（Ｂａ）であり、ＢがＺｒ又はＣｅであり、Ｂ’がＹの酸化物である。

また、特許文献１に、ペロブスカイト構造を有するプロトン伝導性膜が開示されている。特許文献１のプロトン伝導性膜は、化学式ＡＬ_1-XＭ_XＯ_3-αである。Ａがアルカリ土類金属である。Ｌがセリウム、チタン、ジルコニウム及びハフニウムから選ばれる１種以上の元素である。Ｍがネオジム、ガリウム、アルミニウム、イットリウム、インジウム、イッテルビウム、スカンジウム、ガドリウム、サマリウム及びプラセオジムから選ばれる１種以上の元素である。ここで、Ｘは、Ｌの元素を置換するＭの元素の組成比率であり、αは酸素欠損の原子比率である。特許文献１のプロトン伝導性膜において、０．０５＜Ｘ＜０．３５であり、０．１５＜α＜１．００である。

プロトン伝導性固体電解質を介して、プロトン（Ｈ⁺）を電気化学的に輸送する水素ポンプが知られている。

特開２００８−２３４０４号公報 特許第４７８９９４９号明細書

Ｎａｔｕｒｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｖｏｌ９（Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０１０） ８４６〜８５２ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｉｏｎｉｃｓ １１０（１９９８） １０３〜１１０

より実用的な水素ポンプを提供することが求められている。

本開示の水素ポンプの一態様は、電気化学的にプロトンを輸送する水素ポンプであって、水素を酸化する触媒を含むアノードと、プロトンを還元する触媒を含むカソードと、前記アノード及び前記カソードの間に配置されたプロトン伝導体とを備え、前記プロトン伝導体は、組成式Ａ_aＢ_1-xＢ’_xＯ_3-δで表されるペロブスカイト型結晶構造を有し、前記Ａは、アルカリ土類金属から選択される少なくとも１つであり、前記Ｂは、４価の４族の遷移金属又はＣｅであり、前記Ｂ’は、３価の３族又は１３族の元素であり、０．４＜ａ＜０．９、かつ、０．２＜ｘ＜０．６を満たす。

本開示の実施形態によれば、より実用的な水素ポンプが提供される。

組成式ＡＢＯ₃で示される一般的なペロブスカイト構造を示す図である。 実施例１における１００℃から６００℃の温度範囲におけるプロトン伝導度を示す図である。 本開示の実施形態による水素ポンプの例を示す模式的な断面図である。

（水素ポンプについて）
典型的な水素ポンプは、アノードと、カソードと、これらの間に挟まれたプロトン伝導性固体電解質とを備え、アノード側に設けられた流路と、カソード側に設けられた流路とが、電解質によって分離された構造を有する。プロトン伝導性固体電解質の一方の主面上に形成されるアノードは、水素を酸化する触媒を含んでいる。プロトン伝導性固体電解質の他方の主面上に形成されるカソードは、プロトンを還元する触媒を含んでいる。アノード側の流路に水素を含有する気体を供給するとともに、アノードとカソードとの間に電位差を与えることにより、カソード側の流路に水素ガスを得ることができる。水素ポンプでは、アノードにおいて水素を含有する気体から引き抜かれたプロトンが、プロトン伝導性固体電解質中を移動し、カソードにおいて水素に還元される。これにより、カソード側の流路に水素ガスが発生する。

水素ポンプの運転条件は、プロトン伝導性固体電解質がプロトン伝導性を発揮するために必要な温度に大きく影響される。

例えば、特許文献２に、固体高分子膜をプロトン伝導性固体電解質として用いた水素ポンプが開示されている。このような水素ポンプでは、固体高分子膜の耐熱温度である１００℃前後より低温で水素ポンプを運転しなければならない。そのため、１００℃前後においても高活性な触媒が必要である。また、固体高分子膜を湿潤した状態に保つために、アノード側の流路に供給する気体を加湿しなければならず、カソード側の流路内に得られる気体に水分が含まれてしまう。したがって、純粋な水素ガスを取り出すことが困難である。

また、従来、プロトン伝導性を有する電解質としてペロブスカイト型プロトン伝導性酸化物が知られている。ペロブスカイト型プロトン伝導性酸化物は、６００℃以上の温度で実用可能なプロトン伝導性を示す。そのため、ペロブスカイト型プロトン伝導性酸化物をプロトン伝導性固体電解質として用いた場合には、６００℃以上の高温での運転が必要である。このような水素ポンプは、加熱装置が必要であり、漏洩しやすい水素ガスを得るための水素ポンプを構成する部材の選択の幅が狭かった。

以上の理由から、１００℃以上５００℃以下の温度域において動作できる、より実用的な水素ポンプが求められている。

本発明者は、鋭意研究を重ねることにより、１００℃以上５００℃以下の温度域においても高いプロトン伝導度を維持するプロトン伝導性酸化物を見出し、このようなプロトン伝導性酸化物を電解質として用いた水素ポンプを想到した。

本発明の一態様の概要は、以下のとおりである。

本発明の一態様である水素ポンプは、電気化学的にプロトンを輸送する水素ポンプであって、水素を酸化する触媒を含むアノードと、プロトンを還元する触媒を含むカソードと、前記アノード及び前記カソードの間に配置されたプロトン伝導体とを備え、前記プロトン伝導体は、組成式Ａ_aＢ_1-xＢ’_xＯ_3-δで表されるペロブスカイト型結晶構造を有し、前記Ａは、アルカリ土類金属から選択される少なくとも１つであり、前記Ｂは、４価の４族の遷移金属又はＣｅであり、前記Ｂ’は、３価の３族又は１３族の元素であり、０．４＜ａ＜０．９、かつ、０．２＜ｘ＜０．６を満たす。

前記Ａは、Ｂａ及びＳｒから選択される少なくとも１つであってもよい。前記Ｂは、Ｚｒであってもよい。前記Ｂ’は、Ｙ又はＩｎであってもよい。

前記ａの値が、０．４＜ａ＜０．８であってもよい。前記ｘの値が、０．３＜ｘ＜０．６であってもよい。

前記ａの値が、０．４＜ａ＜０．８であってもよい。前記ｘの値が、０．４＜ｘ＜０．６であってもよい。

前記ａの値が、０．４＜ａ＜０．６であってもよい。前記ｘの値が、０．４＜ｘ＜０．６であってもよい。

前記ａの値が、０．４＜ａ＜０．５であってもよい。前記ｘの値が、０．４＜ｘ＜０．６であってもよい。

１００℃以上５００℃以下の温度範囲における、前記プロトン伝導体のプロトン伝導の活性化エネルギが０．１ｅＶ以下であってもよい。

０．２１≦ｘ≦０．５８、ａ≧−０．０５４ｘ＋０．４４１、及びａ≦−０．０２７ｘ＋０．８８６の関係が成立してもよい。

前記プロトン伝導体は、組成および結晶構造が実質的に均一な単相から構成されていてもよい。

前記水素を酸化する触媒は、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｒｅ及びＲｈからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む金属又は合金であってもよい。

前記水素を酸化する触媒は、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｒｅ及びＲｈからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む酸化物であってもよい。

前記水素を酸化する触媒は、組成式ＣＤＯ_3-δで表されるペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物であってもよい。前記Ｃは、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｌａ及びＳｍからなる群から選ばれる少なくとも１つを含んでいてもよい。前記Ｄは、Ｚｒ及びＣｅからなる群から選ばれる少なくとも１つとＲｕとを含むか、又は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ及びＭｎからなる群から選ばれる少なくとも１つを含んでいてもよい。

前記水素を酸化する触媒は、組成式Ｌａ_2-zＳｒ_zＮｉＯ_4-δで表されるＫ₂ＮｉＦ₄結晶構造を有する酸化物であってもよい。０≦ｚ≦０．５が満たされてもよい。

前記水素を酸化する触媒は、組成式ＥＦ_1-yＦ’_yＯ_3-δで表されるペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物であってもよい。前記Ｅは、Ｂａ、Ｓｒ及びＣａからなる群から選ばれる少なくとも１つを含んでいてもよい。前記Ｆは、Ｚｒ及びＣｅからなる群から選ばれる少なくとも１つとＲｕとを含んでいてもよい。前記Ｆ’は、Ｙ若しくはＩｎ又は３価のランタノイド元素であってもよい。０．１０＜ｙ＜０．８０が満たされてもよい。

前記プロトンを還元する触媒は、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｒｅ及びＲｈからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む金属又は合金であってもよい。

前記プロトンを還元する触媒は、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｒｅ及びＲｈからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む酸化物であってもよい。

前記プロトンを還元する触媒は、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｒｅ及びＲｈからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む酸化物を含有するサーメットであってもよい。

本開示による水素ポンプの実施形態を説明する前に、この水素ポンプに用いられるプロトン伝導性酸化物を説明する。以下に説明するプロトン伝導性酸化物は、ペロブスカイト構造を有するペロブスカイト型プロトン伝導体であり、１００℃以上５００℃以下の温度域においても、高いプロトン伝導性を有する。

（ペロブスカイト構造）
まず、図１を参照しながら、ペロブスカイト構造の基本構成を簡単に説明する。一般的なペロブスカイト構造は、図１に例示されるように、元素Ａ、Ｂ、Ｏによって構成され、組成式ＡＢＯ₃によって表される。ここで、Ａは２価のカチオンとなり得る元素、Ｂは４価のカチオンとなり得る元素、Ｏは酸素である。ペロブスカイト構造を有する結晶の単位格子は、典型的には立方体に近い形を有している。図示されるように、単位格子の８個の頂点には元素Ａのイオンが位置する。一方、単位格子の６個の面の中心には酸素Ｏのイオンが位置する。また、単位格子の中央付近には元素Ｂのイオンが位置する。元素Ａ、Ｂ、Ｏが占める位置を、それぞれ、Ａサイト、Ｂサイト、Ｏサイトと呼んでもよい。

上記の構造は、ペロブスカイト結晶の基本的な構造であり、元素Ａ、Ｂ、Ｏの一部が欠損していたり、過剰であったり、あるいは他の元素によって置換されていてもよい。例えば、元素Ｂ以外の元素Ｂ’がＢサイトに位置する結晶は、組成式ＡＢ_(1-x)Ｂ’_xＯ₃によって表されるペロブスカイト結晶である。ここで、ｘは、Ｂ’の組成比率（ｍｏｌｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ）であり、置換率と呼んでもよい。このような元素の置換、欠損、または過剰が生じると、単位格子の構造は立方体から歪んだり、変形したりし得る。ペロブスカイト結晶は、「立方晶」に限定されず、より対称性の低い「斜方晶」や「正方晶」に相転移した結晶を広く含む。

（本発明者らの知見）
ペロブスカイト構造を有する従来のプロトン伝導性酸化物では、４価の元素であるＢを、３価の元素であるＢ’で置換すると、プロトン伝導性酸化物に酸素欠損が生じる。すなわち、４価のカチオンの一部が３価のカチオンで置換されると、カチオンが有するプラス電荷の合計が減るため、電気的中性を維持する電荷補償の作用により、２価のアニオンである酸素イオンの組成比率が低下し、酸素欠損が生じると考えられている。このような組成を有するプロトン伝導性酸化物では、酸素欠損の位置（Ｏサイト）に水分子（Ｈ₂Ｏ）が導入されることにより、プロトン伝導性酸化物にプロトン伝導のキャリアが導入されると考えられている。

従来のプロトン伝導性酸化物内では、酸素原子の周囲をプロトンがホッピング伝導することにより、プロトン伝導性が発現すると考えられている。この場合、プロトン伝導度の温度依存性は、活性化エネルギが０．４〜１．０ｅＶ程度の熱活性型になる。そのため、プロトン伝導度は温度の低下に伴って指数関数的に低下する。

１００℃以上５００℃以下の温度域においても、プロトン伝導性酸化物が、１０^-1Ｓ／ｃｍ（ジーメンス／センチメートル）以上の高いプロトン伝導度を維持するためには、プロトン伝導度の活性化エネルギを０．１ｅＶ以下にすることにより、温度の低下に伴うプロトン伝導度の低下を抑制することが望まれる。

本発明者らは、３価の元素Ｂ’の固溶量（置換量）を増加させてプロトンキャリアの濃度または密度を高め、従来のホッピングよりも容易にプロトンが移動できる状態を作ることを試みた。しかし、従来のペロブスカイト型プロトン伝導性酸化物において、Ｂ’の元素の組成比率の上限が０．２程度であり、酸素欠損量に上限があった。

本発明者は、より多くのプロトンキャリアを導入する方法として、Ａの元素の組成比率を減少させることにより、Ｂ’の元素の組成比率の増加と同様な効果が得られる可能性に着目した。しかし、非特許文献２に記載されているように、Ａの元素の組成比率ａが１より減少するとプロトン伝導度が低下する。この理由は、プロトン伝導性を有しない成分（異相：ペロブスカイト型の結晶構造を有しない相）が結晶組織内に生成されるためと考えられる。

そこで、本発明者らは、Ａの元素の組成比率ａを１より減少させるという、従来プロトン伝導には不適とされていた化学組成領域において、Ｂ’の元素の組成比率ｘを従来の０．２よりも高くすることにより、予想外にも単相のペロブスカイト構造を維持しつつ、活性化エネルギを低くできることを見出した。その結果、高いプロトン伝導性を有するペロブスカイト型プロトン伝導性酸化物が得られた。

（プロトン伝導性酸化物）
以下、本開示の実施形態による水素ポンプに用いられるプロトン伝導性酸化物を説明する。

本開示の実施形態による水素ポンプに用いられるプロトン伝導性酸化物は、組成式Ａ_aＢ_1-xＢ’_xＯ_3-δで表されるペロブスカイト結晶構造を有する金属酸化物である。Ａの元素はアルカリ土類金属である。Ａの元素の組成比率を示すａの値は、ＢとＢ’の和を１とした場合のＡの元素の原子数比率であり、０．４＜ａ＜０．９の範囲である。Ｂ’の元素は３価の３族および１３族の元素である。Ｂの元素の組成比率を示すｘの値が、０．２＜ｘ＜０．６の範囲である。組成比率については、後述の実施例で詳細に説明する。なお、δは、前述したように、酸素欠損または酸素過剰を示す。以下の実施例においてδの値は測定されていないが、酸素欠損が生じ、０＜δ＜３．０の関係を満たしていると考えられる。

＜Ａの元素＞
Ａの元素の例は、アルカリ土類金属である。ペロブスカイト構造が安定である。Ａの元素の具体的な例は、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、及びマグネシウム（Ｍｇ）から選ばれる少なくとも１種類以上の元素である。Ａの元素がバリウム（Ｂａ）及びストロンチウム（Ｓｒ）から選択させる少なくとも１種類であるプロトン伝導性酸化物は、高いプロトン伝導性を有するので望ましい。また、Ａの元素は、少なくともバリウム（Ｂａ）を含み、かつ、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、及びマグネシウム（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よい。例えば、Ａの元素は、Ｂａ_yＡ’_1-y（０＜ｙ≦１）である。

Ａの元素は、２価であるアルカリ土類金属元素であれば、Ａの元素の組成比率を減少させることにより、Ｂ’の元素の組成比率の増加と同様な効果が得られ、酸素欠損を生じやすくなり、プロトンのキャリア濃度を高める効果が得られる。

＜Ｂの元素＞
Ｂの元素の例は、４族の元素である。Ｂの元素の具体的な例は、ジルコニウム（Ｚｒ）、セリウム（Ｃｅ）、チタン（Ｔｉ）、又はハフニウム（Ｈｆ）である。Ｂの元素がジルコニウム（Ｚｒ）の場合、ペロブスカイト構造が安定になるので、プロトン伝導性を有しない組織成分の生成が少なくなる。その結果、高いプロトン伝導性を有するプロトン伝導性酸化物が得られるので望ましい。

Ｂの元素は、４価である４族のジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、ハフニウム（Ｈｆ）およびセリウム（Ｃｅ）であれば、ペロブスカイト構造が安定になり、プロトン伝導性を有しない組織成分の生成が少なくなり、高いプロトン伝導性が得られる。

＜Ｂ’の元素＞
Ｂ’の元素は、３族の元素、１３族の元素、又は３価のランタノイドである。Ｂ’の元素は、イオン半径が０．５Åより大きく１．０２Åより小さいイオン半径を有する３族の元素、１３族の元素、及び３価のランタノイドが望ましい。これにより、ｘの値が０．２より大きい場合でも、ペロブスカイト構造を安定に保ち、高いプロトン伝導性を有するプロトン伝導性酸化物が得られる。Ｂ’の元素がイットリウム（Ｙ）又はインジウム（Ｉｎ）であるプロトン伝導性酸化物は、ペロブスカイト構造が安定であり、高いプロトン伝導性も有するので、より望ましい。

Ｂ’の元素は、３価である３族の元素、３価の１３族の元素、３価のランタノイドであって、イオン半径が０．５Åより大きく１．０２Åより小さい値を有する元素であれば、ｘの値が０．２より大きい場合でも、ペロブスカイト構造を安定に保持した状態で、酸素欠損が生じやすくなり、プロトンのキャリア濃度を高める効果が得られる。

（ａ、ｘ、及びδについて）
Ａの元素の組成比率を示すａの値は、０．４＜ａ＜０．９の範囲である。０．４より小さいａの値を有する酸化物は、ペロブスカイト構造が不安定になり、プロトン伝導性酸化物に、プロトン伝導性を有しない相が生成されるため望ましくない。

Ｂ’の元素の組成比率を示すｘの値は、０．２＜ｘ＜０．６の範囲である。０．６より大きいａの値を有する酸化物は、ペロブスカイト構造が不安定になり、プロトン伝導性を有しない相が生成されるため好ましくない。

０．９≦ａ＜１．１であり、かつ、０≦ｘ≦０．２である酸化物は、活性化エネルギが０．１ｅＶ以上になり、１００℃以上５００℃以下の温度範囲におけるプロトン伝導性が低下するため望ましくない。

０．９≦ａ＜１．１であり、かつ、０．２＜ｘ＜０．６である酸化物は、プロトン伝導性を持たない相が生成されるため望ましくない。

ａ＞１．１である酸化物は、ペロブスカイト構造が不安定になり、プロトン伝導性が低下するため望ましくない。

よって、０．４＜ａ＜０．９であり、かつ、０．２＜ｘ＜０．６であるプロトン伝導性酸化物は、ペロブスカイト構造が安定に得られ、プロトン伝導度が１０^-1Ｓ／ｃｍ以上になるため望ましい。０．４＜ａ＜０．９であり、かつ、０．０≦ｘ≦０．２である酸化物は、ペロブスカイト構造を有するが、プロトン伝導度が１０^-1Ｓ／ｃｍ未満になるため望ましくない。

さらに、０．４＜ａ＜０．８であり、０．３＜ｘ＜０．６であるプロトン伝導性酸化物は、５００℃において、より高いプロトン伝導度を有するので、より望ましい。さらに、０．４＜ａ＜０．８であり、かつ、０．４＜ｘ＜０．６であるプロトン伝導性酸化物は、１００℃においても、高いプロトン伝導度を有するので、より望ましい。

Ａは２価の元素、Ｂは４価の元素、Ｂ’は３価の元素である。また、Ｏは２価である。したがって、電気的中性条件を満たすとき、Ａの欠損量の値とＢ’の置換量の半分の量の和が酸素欠損量になると考えられる。すなわち、結晶のユニットセルあたり、Ａの欠損量は１−ａ、Ｂ’の置換量はｘ、酸素欠損量はδであるので、これらの元素のイオンによって電気的中性条件が満たされていると仮定すれば、δ＝（１−ａ）＋ｘ／２が成立する。したがって、０．４＜ａ＜０．９、かつ、０．２＜ｘ＜０．６を満たすとき、０．２＜δ＜０．９が満たされる。

Ａの元素の組成比率を示すａの値、及びＢ’の元素の組成比率を示すｘの値をそれぞれ上記の範囲内となるように調整することにより、組成および結晶構造が実質的に均一な（ホモジニアスな）単相から構成された単結晶または多結晶のペロブスカイト構造体が実現される。ここで、「組成および結晶構造が実質的に均一な単相から構成された」とは、プロトン伝導体が、上述した範囲から外れる組成を有する異相を含まないこと意味している。なお、本開示の実施形態による水素ポンプに用いられるプロトン伝導体は、不可避的な不純物を微量に含有していてもよい。また、本開示の実施形態による水素ポンプに用いられるプロトン伝導体を焼結によって製造する場合、焼結助剤などの化合物や元素を一部に含んでいてもよい。その他、製造プロセスの途上で意図せず、あるいは、何らかの効果を得るために意図的に不純物が添加されていてもよい。重要な点は、Ａ、Ｂ、Ｂ’、Ｏの各元素が、上述した範囲内にあり、これらがペロブスカイト結晶構造を構成している点にある。従って、製造途中に混入される不純物の含有は許容され得る。

（製造方法）
プロトン伝導性酸化物は、スパッタ法、プラズマレーザーデポジション法（ＰＬＤ法）、ケミカルベイパーデポジション法（ＣＶＤ法）等の膜形成方法によって形成出来る。膜の形成方法には、特に限定されない。

（その他）
プロトン伝導性酸化物を、プロトン伝導体とも表記する。プロトン伝導性酸化物の形状の例は膜である。プロトン伝導性酸化物はプロトン伝導性固体電解質として機能すれば良く、連続体の膜でなくてかまわない。

また、プロトン伝導性酸化物の膜が形成される基材は、平坦でなくてもかまわない。反応物である、例えば水素及び酸素が、固体電解質としてのペロブスカイト型プロトン伝導性酸化物を介さずに直接反応することを避ける観点から、ペロブスカイト型プロトン伝導性酸化物に供給される反応物の漏れがないことが望ましい。そのため平滑な平面を有する、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ₃）、又はシリコン（Ｓｉ）等で構成される基材上に、ペロブスカイト型プロトン伝導性酸化物の薄膜を形成する。その後、エッチング等を用いて、基材の一部又は全体を除去し、プロトン伝導性固体電解質とするのがより望ましい。基材の材料および形状について、特に限定されない。

プロトン伝導性酸化物の結晶構造は、単結晶又は多結晶でも構わない。酸化マグネシウム（ＭｇＯ）又はチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ₃）の基板、および格子定数を制御したバッファ層が形成されたシリコン（Ｓｉ）基板上に、結晶成長の方位を制御することにより配向された結晶組織を有するプロトン伝導性酸化物は、より高いプロトン伝導性を有するので望ましい。また、基板に対してエピタキシャル成長した単結晶の結晶組織を有するプロトン伝導性酸化物は、より高いプロトン伝導性を有するので望ましい。なお、基板の面方位、温度、圧力、雰囲気等の成膜条件の制御により、単結晶の結晶組織にすることができるが、薄膜形成条件および薄膜の結晶系は特に限定されない。

以下、実施例により、プロトン伝導性酸化物を具体的に説明する。

（実施例１）
基材（１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ）を、真空チャンバー内部の加熱機構を有する基板ホルダーにセットし、真空チャンバー内を１０^-3Ｐａ程度の真空度に排気した。基材の材料は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）単結晶であった。

真空排気後、基材を６５０℃〜７５０℃に加熱した。酸素ガス（２ｓｃｃｍの流量）とアルゴンガス（８ｓｃｃｍの流量）とを導入し、真空チャンバー内の圧力を１Ｐａ程度に調整した。

Ｂａ：Ｚｒ：Ｙ＝７：７：３の元素比率を有する焼結体ターゲットを用い、スパッタ法にて、プロトン伝導性酸化物を成膜した。

成膜したプロトン伝導性酸化物の構造、組成比、及びプロトン伝導性を評価した。表１に結果を示す。以下、それぞれの評価方法及びその結果を示す。なお、表１には、後述する実施例２〜１３、および比較例１〜５も記載されている。

Ｃｕターゲットを用いて、成膜したプロトン伝導性酸化物のＸ線回折を測定した。表１に示すように、実施例１のプロトン伝導性酸化物は、ペロブスカイト型の結晶構造であり、かつ、単結晶であることが確認された。

イオン結合プラズマ分光分析法（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）を用いて、成膜したプロトン伝導性酸化物の組成比を調べた。表１に示すように、実施例１のプロトン伝導性酸化物（Ａ_aＢ_1-xＢ’_xＯ_3-δ）は、Ａの元素がバリウム（Ｂａ）であり、ａの値は０．７３であった。また、Ｂの元素がジルコニウム（Ｚｒ）であり、Ｂ’の元素がイットリウム（Ｙ）であり、ｘの値が０．３１（Ｚｒ：０．６９、Ｙ：０．３１）であった。

図２に、実施例１におけるプロトン伝導性酸化物のプロトン伝導度の測定結果を示す。プロトン伝導性酸化物の上に銀ペーストを用いて電極を形成した。５％の水素（Ｈ₂）を混合したアルゴン（Ａｒ）ガス中で、かつ、１００℃から６００℃の温度範囲の条件下で、インピーダンス法を用いてプロトン伝導度を測定した。

表１に示すように、１００℃での実施例１のプロトン伝導度は０．３６Ｓ／ｃｍであり、５００℃でのプロトン伝導度は０．７１Ｓ／ｃｍであった。

（実施例２）
Ｂａ：Ｚｒ：Ｙ＝１：１：１の元素比率を有する焼結体ターゲットを用いて成膜したこと以外は、実施例１と同様に実験を行った。表１に、成膜したプロトン伝導性酸化物の構造、組成比、及びプロトン伝導性を示す。

表１に示すように、実施例２のプロトン伝導性酸化物は、ペロブスカイト型の結晶構造であり、かつ、単結晶であることが確認された。表１に示すように、このプロトン伝導性酸化物（Ａ_aＢ_1-xＢ’_xＯ_3-δ）は、Ａの元素がバリウム（Ｂａ）であり、ａの値は０．４８であった。また、Ｂの元素がジルコニウム（Ｚｒ）であり、Ｂ’の元素がイットリウム（Ｙ）であり、ｘの値が０．４８（Ｚｒ：０．５２、Ｙ：０．４８）であった。表１に示すように、１００℃での実施例２のプロトン伝導度は０．４２Ｓ／ｃｍであり、５００℃でのプロトン伝導度は０．７９Ｓ／ｃｍであった。

（実施例３）
Ｂａ：Ｚｒ：Ｙ＝９：４：６の元素比率を有する焼結体ターゲットを用いて成膜したこと以外は、実施例１と同様に実験を行った。表１に、成膜したプロトン伝導性酸化物の構造、組成比、及びプロトン伝導性を示す。

表１に示すように、実施例３のプロトン伝導性酸化物は、ペロブスカイト型の結晶構造であり、かつ、多結晶であることが確認された。表１に示すように、このプロトン伝導性酸化物（Ａ_aＢ_1-xＢ’_xＯ_3-δ）は、Ａの元素がバリウム（Ｂａ）であり、ａの値は０．８９であった。また、Ｂの元素がジルコニウム（Ｚｒ）であり、Ｂ’の元素がイットリウム（Ｙ）であり、ｘの値が０．５８（Ｚｒ：０．４２、Ｙ：０．５８）であった。表１に示すように、１００℃での実施例３のプロトン伝導度は０．１４Ｓ／ｃｍであり、５００℃でのプロトン伝導度は０．５５Ｓ／ｃｍであった。

（実施例４）
Ｂａ：Ｚｒ：Ｉｎ＝５：８：２の元素比率になる焼結体ターゲットを用いて成膜したこと以外は、実施例１と同様に実験を行った。表１に、成膜したプロトン伝導性酸化物の構造、組成比、及びプロトン伝導性を示す。

表１に示すように、実施例４のプロトン伝導性酸化物は、ペロブスカイト型の結晶構造であり、かつ、単結晶であることが確認された。表１に示すように、このプロトン伝導性酸化物（Ａ_aＢ_1-xＢ’_xＯ_3-δ）は、Ａの元素がバリウム（Ｂａ）であり、ａの値は０．４４であった。また、Ｂの元素がジルコニウム（Ｚｒ）であり、Ｂ’の元素がインジウム（Ｉｎ）であり、ｘの値が０．２２（Ｚｒ：０．７８、Ｉｎ：０．２２）であった。表１に示すように、１００℃での実施例４のプロトン伝導度は０．３２Ｓ／ｃｍであり、５００℃でのプロトン伝導度は０．５７Ｓ／ｃｍであった。

（実施例５）
Ｂａ：Ｚｒ：Ｙ＝８：６：４の元素比率を有する焼結体ターゲットを用いて成膜したこと以外は、実施例１と同様に実験を行った。表１に、成膜したプロトン伝導性酸化物の構造、組成比、及びプロトン伝導性を示す。

表１に示すように、実施例５のプロトン伝導性酸化物は、ペロブスカイト型の結晶構造であり、かつ、単結晶であることが確認された。表１に示すように、このプロトン伝導性酸化物（Ａ_aＢ_1-xＢ’_xＯ_3-δ）は、Ａの元素がバリウム（Ｂａ）であり、ａの値は０．７１であった。また、Ｂの元素がジルコニウム（Ｚｒ）であり、Ｂ’の元素がイットリウム（Ｙ）であり、ｘの値が０．４１（Ｚｒ：０．５９、Ｙ：０．４１）であった。表１に示すように、１００℃での実施例５のプロトン伝導度は０．３９Ｓ／ｃｍであり、５００℃でのプロトン伝導度は０．７９Ｓ／ｃｍであった。

（実施例６）
基材の材料がチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ₃）単結晶であることと、Ｂａ：Ｓｒ：Ｚｒ：Ｙ＝３：４：７：３の元素比率を有する焼結体ターゲットを用いて成膜したこと以外は、実施例１と同様に実験を行った。表１に、成膜したプロトン伝導性酸化物の構造、組成比、及びプロトン伝導性を示す。

表１に示すように、実施例６のプロトン伝導性酸化物は、ペロブスカイト型の結晶構造であり、かつ、多結晶であることが確認された。表１に示すように、このプロトン伝導性酸化物（Ａ_aＢ_1-xＢ’_xＯ_3-δ）は、Ａの元素がバリウム（Ｂａ）とストロンチウム（Ｓｒ）とであった。バリウム（Ｂａ）とストロンチウム（Ｓｒ）との比率は、バリウム（Ｂａ）が０．２２、ストロンチウム（Ｓｒ）が０．４９であり、ａの値は０．７１であった。また、Ｂの元素がジルコニウム（Ｚｒ）であり、Ｂ’の元素がイットリウム（Ｙ）であり、ｘの値が０．２７（Ｚｒ：０．７３、Ｙ：０．２７）であった。表１に示すように、１００℃での実施例６のプロトン伝導度は０．３５Ｓ／ｃｍであり、５００℃でのプロトン伝導度は０．６６Ｓ／ｃｍであった。

（実施例７）
Ｂａ：Ｓｒ：Ｚｒ：Ｙ＝１：１：２：２の元素比率を有する焼結体ターゲットを用いて成膜したこと以外は、実施例６と同様に実験を行った。表１に、成膜したプロトン伝導性酸化物の構造、組成比、及びプロトン伝導性を示す。

表１に示すように、実施例７のプロトン伝導性酸化物は、ペロブスカイト型の結晶構造であり、かつ、多結晶であることが確認された。表１に示すように、このプロトン伝導性酸化物（Ａ_aＢ_1-xＢ’_xＯ_3-δ）は、Ａの元素がバリウム（Ｂａ）とストロンチウム（Ｓｒ）とであった。バリウム（Ｂａ）とストロンチウム（Ｓｒ）との比率は、バリウム（Ｂａ）が０．２２、ストロンチウム（Ｓｒ）が０．２５であり、ａの値は０．４７であった。また、Ｂの元素がジルコニウム（Ｚｒ）であり、Ｂ’の元素がイットリウム（Ｙ）であり、ｘの値が０．４７（Ｚｒ：０．５３、Ｙ：０．４７）であった。表１に示すように、１００℃での実施例７のプロトン伝導度は０．３９Ｓ／ｃｍであり、５００℃でのプロトン伝導度は０．７１Ｓ／ｃｍであった。

（実施例８）
Ｂａ：Ｓｒ：Ｚｒ：Ｙ＝２：７：４：６の元素比率を有する焼結体ターゲットを用いて成膜したこと以外は、実施例６と同様に実験を行った。表１に、成膜したプロトン伝導性酸化物の構造、組成比、及びプロトン伝導性を示す。

表１に示すように、実施例８のプロトン伝導性酸化物は、ペロブスカイト型の結晶構造であり、かつ、多結晶であることが確認された。表１に示すように、このプロトン伝導性酸化物（Ａ_aＢ_1-xＢ’_xＯ_3-δ）は、Ａの元素がバリウム（Ｂａ）とストロンチウム（Ｓｒ）とであった。バリウム（Ｂａ）とストロンチウム（Ｓｒ）との比率は、バリウム（Ｂａ）が０．２０、ストロンチウム（Ｓｒ）が０．６８であり、ａの値は０．８８であった。また、Ｂの元素がジルコニウム（Ｚｒ）であり、Ｂ’の元素がイットリウム（Ｙ）であり、ｘの値が０．５８（Ｚｒ：０．４２、Ｙ：０．５８）であった。表１に示すように、１００℃での実施例８のプロトン伝導度は０．１５Ｓ／ｃｍであり、５００℃でのプロトン伝導度は０．５７Ｓ／ｃｍであった。

（実施例９）
Ｂａ：Ｓｒ：Ｚｒ：Ｉｎ＝４：１：８：２の元素比率を有する焼結体ターゲットを用いて成膜したこと以外は、実施例６と同様に実験を行った。表１に、成膜したプロトン伝導性酸化物の構造、組成比、及びプロトン伝導性を示す。

表１に示すように、実施例９のプロトン伝導性酸化物は、ペロブスカイト型の結晶構造であり、かつ、単結晶であることが確認された。表１に示すように、このプロトン伝導性酸化物（Ａ_aＢ_1-xＢ’_xＯ_3-δ）は、Ａの元素がバリウム（Ｂａ）とストロンチウム（Ｓｒ）とであった。バリウム（Ｂａ）とストロンチウム（Ｓｒ）との比率は、バリウム（Ｂａ）が０．３５、ストロンチウム（Ｓｒ）が０．０８であり、ａの値は０．４３であった。また、Ｂの元素がジルコニウム（Ｚｒ）であり、Ｂ’の元素がインジウム（Ｉｎ）であり、ｘの値が０．２１（Ｚｒ：０．７９、Ｉｎ：０．２１）であった。表１に示すように、１００℃での実施例９のプロトン伝導度は０．２９Ｓ／ｃｍであり、５００℃でのプロトン伝導度は０．５５Ｓ／ｃｍであった。

（実施例１０）
Ｂａ：Ｓｒ：Ｚｒ：Ｙ＝５：２：６：４の元素比率を有する焼結体ターゲットを用いて成膜したこと以外は、実施例６と同様に実験を行った。表１に、成膜したプロトン伝導性酸化物の構造、組成比、及びプロトン伝導性を示す。

表１に示すように、実施例１０のプロトン伝導性酸化物は、ペロブスカイト型の結晶構造であり、かつ、単結晶であることが確認された。表１に示すように、このプロトン伝導性酸化物（Ａ_aＢ_1-xＢ’_xＯ_3-δ）は、Ａの元素がバリウム（Ｂａ）とストロンチウム（Ｓｒ）とであった。バリウム（Ｂａ）とストロンチウム（Ｓｒ）との比率は、バリウム（Ｂａ）が０．４８、ストロンチウム（Ｓｒ）が０．２１であり、ａの値は０．６９であった。また、Ｂの元素がジルコニウム（Ｚｒ）であり、Ｂ’の元素がイットリウム（Ｙ）であり、ｘの値が０．３９（Ｚｒ：０．６１、Ｙ：０．３９）であった。表１に示すように、１００℃での実施例１０のプロトン伝導度は０．３５Ｓ／ｃｍであり、５００℃でのプロトン伝導度は０．６９Ｓ／ｃｍであった。

（実施例１１）
Ｂａ：Ｚｒ：Ｙ＝２：２：３の元素比率を有する焼結体ターゲットを用いて成膜したこと以外は、実施例１と同様に実験を行った。表１に、成膜したプロトン伝導性酸化物の構造、組成比、及びプロトン伝導性を示す。

表１に示すように、実施例１１のプロトン伝導性酸化物は、ペロブスカイト型の結晶構造であり、かつ、単結晶であることが確認された。表１に示すように、このプロトン伝導性酸化物（Ａ_aＢ_1-xＢ’_xＯ_3-δ）は、Ａの元素がバリウム（Ｂａ）であり、ａの値は０．４１であった。また、Ｂの元素がジルコニウム（Ｚｒ）であり、Ｂ’の元素がイットリウム（Ｙ）であり、ｘの値が０．５８（Ｚｒ：０．４２、Ｙ：０．５８）であった。表１に示すように、１００℃での実施例１１のプロトン伝導度は０．４５Ｓ／ｃｍであり、５００℃でのプロトン伝導度は０．９５Ｓ／ｃｍであった。

（実施例１２）
Ｂａ：Ｚｒ：Ｙ＝９：８：２の元素比率を有する焼結体ターゲットを用いて成膜したこと以外は、実施例１と同様に実験を行った。表１に、成膜したプロトン伝導性酸化物の構造、組成比、及びプロトン伝導性を示す。

表１に示すように、実施例１２のプロトン伝導性酸化物は、ペロブスカイト型の結晶構造であり、かつ、単結晶であることが確認された。表１に示すように、このプロトン伝導性酸化物（Ａ_aＢ_1-xＢ’_xＯ_3-δ）は、Ａの元素がバリウム（Ｂａ）であり、ａの値は０．８８であった。また、Ｂの元素がジルコニウム（Ｚｒ）であり、Ｂ’の元素がイットリウム（Ｙ）であり、ｘの値が０．２１（Ｚｒ：０．７９、Ｙ：０．２１）であった。表１に示すように、１００℃での実施例１２のプロトン伝導度は０．１２Ｓ／ｃｍであり、５００℃でのプロトン伝導度は０．６５Ｓ／ｃｍであった。

（実施例１３）
Ｂａ：Ｚｒ：Ｙ＝３：４：１の元素比率を有する焼結体ターゲットを用いて成膜したこと以外は、実施例１と同様に実験を行った。表１に、成膜したプロトン伝導性酸化物の構造、組成比、及びプロトン伝導性を示す。

表１に示すように、実施例１３のプロトン伝導性酸化物は、ペロブスカイト型の結晶構造であり、かつ、単結晶であることが確認された。表１に示すように、このプロトン伝導性酸化物（Ａ_aＢ_1-xＢ’_xＯ_3-δ）は、Ａの元素がバリウム（Ｂａ）であり、ａの値は０．４２であった。また、Ｂの元素がジルコニウム（Ｚｒ）であり、Ｂ’の元素がイットリウム（Ｙ）であり、ｘの値が０．２２（Ｚｒ：０．７８、Ｙ：０．２２）であった。表１に示すように、１００℃での実施例１３のプロトン伝導度は０．３１Ｓ／ｃｍであり、５００℃でのプロトン伝導度は０．５４Ｓ／ｃｍであった。

（比較例１）
Ｂａ：Ｚｒ：Ｙ＝５：４：１の元素比率を有する焼結体ターゲットを用いて成膜したこと以外は、実施例１と同様に実験を行った。表１に、成膜したプロトン伝導性酸化物の構造、組成比、及びプロトン伝導性を示す。

表１に示すように、比較例１のプロトン伝導性酸化物は、ペロブスカイト型の結晶構造であり、かつ、単結晶であることが確認された。表１に示すように、この酸化物（Ａ_aＢ_1-xＢ’_xＯ_3-δ）は、Ａの元素がバリウム（Ｂａ）であり、ａの値は０．９８であった。また、Ｂの元素がジルコニウム（Ｚｒ）であり、Ｂ’の元素がイットリウム（Ｙ）であり、ｘの値が０．１９（Ｚｒ：０．８１、Ｙ：０．１９）であった。

表１に示すように、１００℃での比較例１のプロトン伝導度は２．３×１０^-5Ｓ／ｃｍであり、５００℃でのプロトン伝導度は０．０３９Ｓ／ｃｍであった。

（比較例２）
Ｂａ：Ｚｒ：Ｉｎ＝７：９：１の元素比率を有する焼結体ターゲットを用いて成膜したこと以外は、実施例１と同様に実験を行った。表１に、成膜したプロトン伝導性酸化物の構造、組成比、及びプロトン伝導性を示す。

表１に示すように、比較例２のプロトン伝導性酸化物は、ペロブスカイト型の結晶構造であり、かつ、単結晶であることが確認された。表１に示すように、この酸化物（Ａ_aＢ_1-xＢ’_xＯ_3-δ）は、Ａの元素がバリウム（Ｂａ）であり、ａの値は０．６５であった。また、Ｂの元素がジルコニウム（Ｚｒ）であり、Ｂ’の元素がインジウム（Ｉｎ）であり、ｘの値が０．１３（Ｚｒ：０．８７、Ｉｎ：０．１３）であった。表１に示すように、１００℃での比較例２のプロトン伝導度は０．０１Ｓ／ｃｍであり、５００℃でのプロトン伝導度は０．０１３Ｓ／ｃｍであった。

（比較例３）
Ｂａ：Ｚｒ：Ｙ＝４：７：３の元素比率を有する焼結体ターゲットを用いて成膜したこと以外は、実施例１と同様に実験を行った。表１に、成膜したプロトン伝導性酸化物の構造、組成比、及びプロトン伝導性を示す。

表１に示すように、比較例３のプロトン伝導性酸化物は、多結晶のペロブスカイト型の結晶構造が含まれていた。また、不純物層として、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）が検出された。表１に示すように、この酸化物（Ａ_aＢ_1-xＢ’_xＯ_3-δ）は、Ａの元素がバリウム（Ｂａ）であり、ａの値は０．３５であった。また、Ｂの元素がジルコニウム（Ｚｒ）であり、Ｂ’の元素がイットリウム（Ｙ）であり、ｘの値が０．３２（Ｚｒ：０．６８、Ｙ：０．３２）であった。表１に示すように、１００℃での比較例３のプロトン伝導度は３．２×１０^-6Ｓ／ｃｍであり、５００℃でのプロトン伝導度は８．５×１０^-3Ｓ／ｃｍであった。

（比較例４）
基材の材料がチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ₃）単結晶であり、Ｓｒ：Ｚｒ：Ｙ＝８：３：７の元素比率を有する焼結体ターゲットを用いて成膜したこと以外は、実施例１と同様に実験を行った。表１に、成膜したプロトン伝導性酸化物の構造、組成比、及びプロトン伝導性を示す。

表１に示すように、比較例４のプロトン伝導性酸化物は、多結晶のペロブスカイト型の結晶構造が含まれていた。また、不純物層として、炭酸バリウム（ＢａＣＯ₃）及び酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）も検出された。表１に示すように、この酸化物（Ａ_aＢ_1-xＢ’_xＯ_3-δ）は、Ａの元素がストロンチウム（Ｓｒ）であり、ａの値は０．７８であった。また、Ｂの元素がジルコニウム（Ｚｒ）であり、Ｂ’の元素がイットリウム（Ｙ）であり、ｘの値が０．６８（Ｚｒ：０．３２、Ｙ：０．６８）であった。

表１に示すように、１００℃での比較例４のプロトン伝導度は６．５×１０^-6Ｓ／ｃｍであり、５００℃でのプロトン伝導度は９．４×１０^-3Ｓ／ｃｍであった。

（比較例５）
Ｓｒ：Ｚｒ：Ｙ＝５：３：２の元素比率を有する焼結体ターゲットを用いて成膜したこと以外は、比較例４と同様に実験を行った。表１に、成膜したプロトン伝導性酸化物の構造、組成比、及びプロトン伝導性を示す。

表１に示すように、比較例５のプロトン伝導性酸化物は、ペロブスカイト型の結晶構造であり、かつ、多結晶であることが確認された。表１に示すように、この酸化物（Ａ_aＢ_1-xＢ’_xＯ_3-δ）は、Ａの元素がストロンチウム（Ｓｒ）であり、ａの値は１．０１であった。また、Ｂの元素がジルコニウム（Ｚｒ）であり、Ｂ’の元素がイットリウム（Ｙ）であり、ｘの値が０．４５（Ｚｒ：０．５５、Ｙ：０．４５）であった。

表１に示すように、１００℃での比較例５のプロトン伝導度は４．３×１０^-6Ｓ／ｃｍであり、５００℃でのプロトン伝導度は８．６×１０^-3／ｃｍであった。

表１に示すように、実施例１〜１３のプロトン伝導性酸化物は、比較例１〜５と比較して、高いプロトン伝導度を有していることがわかる。実施例１〜１３のプロトン伝導性酸化物は、０．４＜ａ＜０．９であり、かつ、０．２＜ｘ＜０．６の条件を満たしている。

少なくとも５％程度の製造誤差を有することがわかっており、実施例１〜１３のａ及びｘの値から、０．４＜ａ＜０．９であり、かつ、０．２＜ｘ＜０．６を満たすプロトン伝導性酸化物は、高いプロトン伝導度を有する。

より具体的には、実施例３、実施例９、実施例１１、及び実施例１２のプロトン伝導体酸化物は、ｘ＝０．２１、ｘ＝０．５８、ａ＝−０．０５４ｘ＋０．４４１、及びａ＝−０．０２７ｘ＋０．８８６の４つの式で囲まれる数値範囲である。すなわち、これらの実施例では、組成比率ｘ、ａが以下の関係を満たしている。
０．２１≦ｘ≦０．５８、
ａ≧−０．０５４ｘ＋０．４４１、及び
ａ≦−０．０２７ｘ＋０．８８６

また、実施例１〜１３のプロトン伝導性酸化物は、１００℃及び５００℃での活性化エネルギが、０．１ｅＶよりも低い活性化エネルギを示しているのに対して、比較例１、３〜５の酸化物は、０．１ｅＶよりも高い活性化エネルギを有していた。つまり、組成比率が上述の条件を満たす場合（実施例）に、１００℃以上５００℃以下の温度域においても、プロトン伝導性酸化物が、１０^-1Ｓ／ｃｍ以上の高いプロトン伝導度を維持する。実施例により示したように、ａ及びｘの値が上述した範囲内となるように調整することにより、プロトン伝導度の活性化エネルギを０．１ｅＶ以下にすることができるので、温度の低下に伴うプロトン伝導度の低下を抑制できる。さらに、０．４＜ａ＜０．９であり、かつ、０．２＜ｘ＜０．６の条件を満たすプロトン伝導性酸化物は、０．１ｅＶ以下のプロトン伝導度の活性化エネルギを有する、比較例２の酸化物よりも高いプロトン伝導度を有する。

なお、本発明者の実験から、Ａの元素の欠損量を示す（１−ａ）がＢ’の元素の組成比率ｘに近いとき、製造が容易であることが分かっている。このため、以下の関係が成立すると、実用上、有益である。
０．５＜（１−ａ）／ｘ＜２．５

また、表１から明らかなように、０．４＜ａ＜０．６であり、かつ、０．４＜ｘ＜０．６のとき、相対的に高いプロトン伝導度が実現し、０．４＜ａ＜０．５であり、かつ、０．４＜ｘ＜０．６のとき、最も高いプロトン伝導度が実現している。

さらに、実施例１、２、５、７、１０、及び１１のプロトン伝導性酸化物は、５００℃において、より高いプロトン伝導を有するので、より望ましい。実施例１、２、５、７、１０、及び１１のプロトン伝導性酸化物は、少なくとも５％程度の製造誤差を考慮して、０．４＜ａ＜０．８、かつ、０．３＜ｘ＜０．６の条件を満たす。より具体的には、実施例１、２、５、７、１０、及び１１のプロトン伝導性酸化物は、０．４１＜ａ＜０．７３、かつ、０．３１＜ｘ＜０．５８の数値範囲に対して製造誤差を加えた条件を満たす。

さらに、実施例２、５、７、及び１１のプロトン伝導性酸化物は、１００℃において、高いプロトン伝導度を有するので、より望ましい。実施例２、５、７、及び１１のプロトン伝導性酸化物は、少なくとも５％程度の製造誤差を考慮して、０．４＜ａ＜０．８、かつ、０．４＜ｘ＜０．６の条件を満たす。より具体的には、実施例２、５、７、及び１１のプロトン伝導性酸化物は、０．４１＜ａ＜０．７１、かつ、０．４１＜ｘ＜０．５８の数値範囲に対して製造誤差を加えた条件を満たす。

（水素ポンプの実施形態）
以下、図３を参照しながら、本開示の実施形態による水素ポンプの構成及び動作を説明する。

図３に示す水素ポンプ１００は、アノード１０２と、カソード１０３と、アノード１０２及びカソード１０３の間に配置されたプロトン伝導体１０１とを備える。プロトン伝導体１０１として、実施例を参照しながら説明した上述のプロトン伝導性酸化物を用いることができる。プロトン伝導体１０１は、１００℃以上５００℃以下の温度域においても、高いプロトン伝導性を有する。そのため、水素ポンプ１００は、１００℃以上５００℃以下の温度域において、動作することができる。さらに、プロトン伝導体１０１を備える水素ポンプ１００では、積極的に加湿されていない気体を導入することが可能である。

図３に例示したように、アノード１０２とカソード１０３とは、典型的には、プロトン伝導体１０１を挟むようにして配置される。図示する例では、アノード１０２は、プロトン伝導体１０１の一方の主面上に配置されており、カソード１０３は、プロトン伝導体１０１においてアノード１０２が配置されていない側の主面上に配置されている。プロトン伝導体１０１、アノード１０２及びカソード１０３の配置は、図３の例に限定されず、種々の配置を採用し得る。例えば、アノード１０２及びカソード１０３が、プロトン伝導体１０１における同一の主面上に配置されていてもよい。

水素ポンプ１００の動作時には、図示するように、アノード１０２に外部電源１０４の一端が接続され、カソード１０３に外部電源１０４の他端が接続される。外部電源１０４から供給される電力は、例えば商用系統から供給される電力であってもよいし、化学電池、燃料電池等の種々の電池又はキャパシタから供給される電力であってもよい。なお、図３に模式的に示したように、水素ポンプ１００の動作時においては、アノード１０２は、カソード１０３よりも高電位である。

アノード１０２は、水素を酸化する触媒を含む。すなわち、アノード１０２は、水素ガスを含有する気体からプロトンを引き抜くことができるように構成されている。アノード１０２に含まれる触媒の例は、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｒｅ及びＲｈからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む、金属、合金又は酸化物である。

アノード１０２に含まれる触媒の他の例は、組成式ＡＢＯ_3-δで表されるペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物である。ここで、Ａは、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｌａ及びＳｍからなる群から選ばれる少なくとも１つを含み、Ｂは、Ｚｒ及びＣｅからなる群から選ばれる少なくとも１つとＲｕとを含む。又は、Ｂは、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ及びＭｎからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む。なお、Ｏは酸素であり、δは、酸素欠損または酸素過剰を示す。このような酸化物として、Ｌａ_1-xＳｒ_xＦｅＯ_3-δ（０≦ｘ≦１．０）、Ｌａ_1-xＳｒ_xＣｏ_1-yＦｅ_yＯ_3-δ（０≦ｘ≦１．０、０．１≦ｙ≦０．８）、Ｌａ_1-xＳｒ_xＭｎＯ_3-δ（０≦ｘ≦０．４）、Ｓｍ_1-xＳｒ_xＣｏＯ_3-δ（０．２＜ｘ＜０．８）、Ｂａ_1-xＳｒ_xＣｏ_1-yＦｅ_yＯ_3-δ（０．４≦ｘ≦１．０、０．４≦ｙ≦１．０）等を例示することができる。なお、Ｌａ_2-xＳｒ_xＮｉＯ_4-δ（ただし、０≦ｘ≦０．５）で表されるＫ₂ＮｉＦ₄結晶構造を有する酸化物を用いることも可能である。

アノード１０２に含まれる触媒として、プロトンと電子とを伝導し得る混合伝導性酸化物を用いてもよい。例えば、組成式ＡＢ_1-xＢ’_xＯ_3-δで表される酸化物を用い得る。この酸化物は、前述したようなペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物である。ここで、Ａは、Ｂａ、Ｓｒ及びＣａからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む。Ｂは、Ｚｒ及びＣｅからなる群から選ばれる少なくとも１つとＲｕとを含み、Ｂ’は、Ｙ若しくはＩｎ又は３価のランタノイド元素である。Ｂ’の元素の組成比率を示すｘの値は、０．１０＜ｘ＜０．８０の範囲であり、より好ましくは、０．２５＜ｘ＜０．７５の範囲である。なお、ＡとＢとＢ’の和を２とした場合におけるＲｕの原子数比率は、例えば０．０１以上、０．８以下である。

なお、アノード１０２は、水素ガスを含む種々のガスに曝され得る。そのため、アノード１０２に含まれる触媒は、酸化性雰囲気及び還元性雰囲気に対して不活性であるか又は耐久性が高く、かつ、過電圧を低減し得る材料から選択されることが好ましい。上述した材料は、このような材料の例である。

アノード１０２は、スパッタ法、ＰＬＤ法、ＣＶＤ法等の膜形成方法によって形成できる。上記の材料の粉末を溶剤に分散させたインクをスクリーン印刷した後、加熱、真空処理等により乾燥及び固化させ、アノード１０２を形成してもよい。アノード１０２の形成方法は、特に限定されない。

カソード１０３は、プロトンを還元する触媒を含む。すなわち、カソード１０３は、プロトン伝導体１０１を介してアノード１０２からカソード１０３に輸送されたプロトンを還元することにより、水素ガスを発生できるように構成されている。カソード１０３は、発生する水素ガスに曝されるので、カソード１０３に含まれる触媒は、還元されても電気伝導性を確保できる、金属又は合金を含む触媒であると有益である。カソード１０３に含まれる触媒の例は、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｒｅ及びＲｈからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む、金属若しくは合金又は酸化物である。なお、カソード１０３に含まれる触媒として、サーメットも用い得る。例えば、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｒｅ及びＲｈからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む酸化物を含有するサーメットを用いてもよい。カソード１０３の形成の容易さ、価格等の観点からは、Ｎｉを含む酸化物を含有するサーメットを用いることが有益である。

カソード１０３は、スパッタ法、ＰＬＤ法、ＣＶＤ法等の膜形成方法によって形成できる。上記の材料の粉末を溶剤に分散させたインクをスクリーン印刷した後、加熱、真空処理等により乾燥固化させ、カソード１０３を形成してもよい。カソード１０３の形成方法は、特に限定されない。

図３に例示する構成では、水素ポンプ１００は、第１流体入口１０５及び第１流体出口１０６が設けられたアノード側反応容器１１１と、第２流体出口１０８が設けられたカソード側反応容器１１２とを有している。アノード側反応容器１１１内の空間とカソード側反応容器１１２内の空間とは、隔壁によって分離されており、図３に例示する構成では、プロトン伝導体１０１が、これら２つの空間を分離する隔壁として機能する。

図示する例において、アノード側反応容器１１１内には、第１流路１０９が設けられており、第１流体入口１０５から導入された流体は、第１流路１０９を介して第１流体出口１０６に向かって流れる。カソード側反応容器１１２内には、第２流路１１０が設けられている。第１流路１０９及び第２流路１１０は、それぞれ、気密及び水密が保たれており、各流路を流れる流体が互いに混ざり合わないように構成されている。図３に示したように、アノード１０２の表面の少なくとも一部は、第１流路１０９において露出し、カソード１０３の表面の少なくとも一部は、第２流路１１０において露出する。

図示する構成では、水素ポンプ１００の動作時、第１流体入口１０５を介して、第１流路１０９に、水素ガスを含有する気体が導入される。また、後に詳しく説明するように、水素ポンプ１００が動作することにより、第２流路１１０内において水素ガスが発生する。発生した水素ガスは、第２流体出口１０８を介して収集される。水素ガスを含有する気体を導入するために、第１流体入口１０５、第１流体出口１０６のそれぞれに不図示の配管が接続される。これらの配管の途中には、ボンベ、タンク、バルブ、コンプレッサ、マスフローコントローラ等が配置され得る。また、発生した水素ガスを収集するために、第２流体出口１０８に不図示の配管が接続される。第２流体出口１０８に接続された配管には、ボンベ、タンク、バルブ、コンプレッサ、マスフローコントローラ等がさらに接続され得る。

水素ポンプ１００は、水素ガスを含有する気体をアノード１０２に供給し、アノード１０２とカソード１０３との間に電位差を与えることにより、カソード１０３においてプロトンを還元する。これにより、第２流路１１０内に水素ガスが発生する。ここで、アノード１０２に供給される気体は、例えば、水蒸気、炭化水素系ガス、窒素ガス、二酸化炭素ガス、酸素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等と、水素ガスとの混合気体である。第２流路１１０内に得られる水素ガスは、ほぼ純粋な水素ガスである。したがって、水素ポンプ１００を利用することにより、水素ガスとの混合気体から水素ガスを分離して、より純度の高い水素ガスを得ることができる。すなわち、水素ポンプ１００を用いて水素ガスを精製することができる。

第１流体入口１０５から例えば水素ガスを導入し、第１流路１０９において水素ガスをアノード１０２に接触させる。これにより、水素からプロトンが引き抜かれる。すなわち、アノード１０２では、以下の式（１）に示す反応が進行する。
Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- （１）

アノード１０２において生成したプロトンは、プロトン伝導体１０１中を伝導し、カソード１０３に到達する。プロトン伝導体１０１は、アノード１０２とカソード１０３との間の短絡を防ぎ、かつ、アノード１０２において生成されたプロトンをカソード１０３に供給する。動作時、外部電源１０４によりアノード１０２とカソード１０３との間に電圧が印加され、アノード１０２において生成したプロトンが、プロトン伝導体１０１を介してカソード１０３に電気化学的に輸送される。

アノード１０２において水素を含有する気体から引き抜かれ、プロトン伝導体１０１中を移動したプロトンは、カソード１０３において水素に還元される。カソード１０３では、以下の式（２）に示す反応が進行する。
２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂ （２）

上記の反応により、第２流路１１０内に水素ガスが発生する。上記の反応式からも明らかなように、カソード１０３においては水が生成されない。また、固体高分子膜をプロトン伝導性固体電解質として用いる場合と異なり、電解質を湿潤した状態に保つ必要がない。そのため、乾燥した水素ガスを得ることが可能である。

なお、第１流体出口１０６を介して排出される気体には、水素ガスが含有され得る。第１流体出口１０６を介して排出された気体を回収して第１流体入口１０５から第１流路１０９に再度導入してもよい。水素を含有する気体を導入するための流路と、得られた水素ガスを収集するための流路とは、図３に例示した構成に限定されず、種々の構成及び配置を採用し得る。また、アノード１０２、プロトン伝導体１０１及びカソード１０３が順に積層される構成では、アノード側の空間とカソード側の空間とを分離する隔壁の少なくとも一部が、アノード１０２、プロトン伝導体１０１及びカソード１０３の積層体であればよい。

以上に説明したように、本開示の実施形態によれば、１００℃以上５００℃以下の温度域において動作可能な、より実用的な水素ポンプを提供できる。本開示の実施形態によれば、積極的に加湿されていない気体を導入することができ、加湿器、結露防止用の加熱装置等を省くことができる。さらに、カソードにおいて水が生成されず、電解質を湿潤した状態に保つ必要もないので、より簡易な構成でありながら、純度の高い乾燥した水素ガスを得ることができる。したがって、本開示の実施形態によれば、小型かつ実用的な水素ポンプを提供することが可能である。また、５００℃以下の温度域において水素ガスを分離及び精製することが可能であるので、反応容器、配管等の材料をより幅広い選択肢の中から選択することができる。なお、本開示の実施形態による水素ポンプは、プロトン伝導体中のプロトンの移動を電気的に制御できるので、水素ガスの透過及び遮断を迅速に切り替えられるバルブとして利用することも可能である。

本開示の実施形態による水素ポンプは、水素ガスの抽出、精製等に利用できる。また、水素ガスの透過及び遮断を電気的に切り替えるバルブとして利用することも可能である。

１００ 水素ポンプ
１０１ プロトン伝導体
１０２ アノード
１０３ カソード
１０４ 外部電源
１０５ 第１流体入口
１０６ 第１流体出口
１０８ 第２流体出口
１０９ 第１流路
１１０ 第２流路
１１１ アノード側反応容器
１１２ カソード側反応容器

Claims (17)

1. 電気化学的にプロトンを輸送する水素ポンプであって、
   水素を酸化する触媒を含むアノードと、
   プロトンを還元する触媒を含むカソードと、
   前記アノード及び前記カソードの間に配置されたプロトン伝導体と
   を備え、
   前記プロトン伝導体は、組成式Ａ_aＢ_1-xＢ’_xＯ_3-δで表されるペロブスカイト型結晶構造を有し、
   前記Ａは、アルカリ土類金属から選択される少なくとも１つであり、
   前記Ｂは、４価の４族の遷移金属又はＣｅであり、
   前記Ｂ’は、３価の３族又は１３族の元素であり、
   ０．４＜ａ＜０．９、かつ、０．２＜ｘ＜０．６を満たす、水素ポンプ。
2. 前記Ａは、Ｂａ及びＳｒから選択される少なくとも１つであり、
   前記Ｂは、Ｚｒであり、
   前記Ｂ’は、Ｙ又はＩｎである、
   請求項１に記載の水素ポンプ。
3. 前記ａの値が、０．４＜ａ＜０．８であり、
   前記ｘの値が、０．３＜ｘ＜０．６である、
   請求項１又は２に記載の水素ポンプ。
4. 前記ａの値が、０．４＜ａ＜０．８であり、
   前記ｘの値が、０．４＜ｘ＜０．６である、
   請求項１又は２に記載の水素ポンプ。
5. 前記ａの値が、０．４＜ａ＜０．６であり、
   前記ｘの値が、０．４＜ｘ＜０．６である、
   請求項１又は２に記載の水素ポンプ。
6. 前記ａの値が、０．４＜ａ＜０．５であり、
   前記ｘの値が、０．４＜ｘ＜０．６である、
   請求項１又は２に記載の水素ポンプ。
7. １００℃以上５００℃以下の温度範囲における、前記プロトン伝導体のプロトン伝導の活性化エネルギが０．１ｅＶ以下である、
   請求項１から６のいずれかに記載の水素ポンプ。
8. ０．２１≦ｘ≦０．５８、
   ａ≧−０．０５４ｘ＋０．４４１、及び
   ａ≦−０．０２７ｘ＋０．８８６
   の関係が成立する、
   請求項１又は２に記載の水素ポンプ。
9. 前記プロトン伝導体は、組成および結晶構造が実質的に均一な単相から構成されている、
   請求項１から８のいずれかに記載の水素ポンプ。
10. 前記水素を酸化する触媒は、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｒｅ及びＲｈからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む金属又は合金である、
    請求項１から９のいずれかに記載の水素ポンプ。
11. 前記水素を酸化する触媒は、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｒｅ及びＲｈからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む酸化物である、
    請求項１から９のいずれかに記載の水素ポンプ。
12. 前記水素を酸化する触媒は、組成式ＣＤＯ_3-δで表されるペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物であり、
    前記Ｃは、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｌａ及びＳｍからなる群から選ばれる少なくとも１つを含み、
    前記Ｄは、Ｚｒ及びＣｅからなる群から選ばれる少なくとも１つとＲｕとを含むか、又は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ及びＭｎからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む、
    請求項１から９のいずれかに記載の水素ポンプ。
13. 前記水素を酸化する触媒は、組成式Ｌａ_2-zＳｒ_zＮｉＯ_4-δで表されるＫ₂ＮｉＦ₄結晶構造を有する酸化物であり、
    ０≦ｚ≦０．５を満たす、
    請求項１から９のいずれかに記載の水素ポンプ。
14. 前記水素を酸化する触媒は、組成式ＥＦ_1-yＦ’_yＯ_3-δで表されるペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物であり、
    前記Ｅは、Ｂａ、Ｓｒ及びＣａからなる群から選ばれる少なくとも１つを含み、
    前記Ｆは、Ｚｒ及びＣｅからなる群から選ばれる少なくとも１つとＲｕとを含み、
    前記Ｆ’は、Ｙ若しくはＩｎ又は３価のランタノイド元素であり、
    ０．１０＜ｙ＜０．８０を満たす、
    請求項１から９のいずれかに記載の水素ポンプ。
15. 前記プロトンを還元する触媒は、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｒｅ及びＲｈからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む金属又は合金である、
    請求項１から９のいずれかに記載の水素ポンプ。
16. 前記プロトンを還元する触媒は、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｒｅ及びＲｈからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む酸化物である、
    請求項１から９のいずれかに記載の水素ポンプ。
17. 前記プロトンを還元する触媒は、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｒｅ及びＲｈからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む酸化物を含有するサーメットである、
    請求項１から９のいずれかに記載の水素ポンプ。

Images