JP2015148563A - hydrogen sensor - Google Patents

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勇磁 銭谷
Yuji Zenitani
勇磁 銭谷
西原 孝史
Takashi Nishihara
孝史 西原
哲也 浅野
Tetsuya Asano
哲也 浅野
伊藤 彰宏
Akihiro Ito
彰宏 伊藤
宏樹 竹内
Hiroki Takeuchi
宏樹 竹内
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a more practical hydrogen sensor.SOLUTION: A hydrogen sensor comprises: a proton conductor having a perovskite crystal structure represented by a composition formula ABB'O; a detection electrode that is disposed in contact with the proton conductor and has a catalytic action in which hydrogen gas is transmitted, hydrogen is oxidized, and protons are generated; and a reference electrode disposed in contact with the proton conductor. The element of A is an alkaline earth metal, and the value of a showing a composition ratio of the element is included in the range of 0.4<a<0.9. The element of B' is trivalent elements in groups 3 and 13, and the value of x showing a composition ratio of the element is included in the range of 0.2<x<0.6.

Description

本開示は、水素センサに関する。本開示は、特に、プロトン伝導体を備える水素センサに関する。   The present disclosure relates to hydrogen sensors. The present disclosure particularly relates to a hydrogen sensor comprising a proton conductor.

プロトン伝導性固体電解質の中でも、組成式AB1-xB’x3-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。 Among the proton conductive solid electrolytes, a number of perovskite proton conductive oxides represented by the composition formula AB 1-x B ′ x O 3-δ have been reported. Here, A is an alkaline earth metal, B is a tetravalent group 4 transition metal element or a tetravalent lanthanoid element Ce, B ′ is a trivalent group 3 or group 13 element, and O is oxygen. x is the composition ratio of the B ′ element that replaces the B element, and satisfies 0 <x <1.0. δ is a value representing oxygen deficiency or oxygen excess. The basic configuration of the perovskite structure will be briefly described later with reference to the drawings.

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BaZr1-xx3-δ又は組成式BaCe1-xx3-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。 Non-Patent Document 1 discloses an oxide having a perovskite structure. The oxide of Non-Patent Document 1 has the composition formula BaZr 1-x Y x O 3-δ or the composition formula BaCe 1-x Y x O 3-δ . Here, A is barium (Ba), B is Zr or Ce, and B ′ is an oxide of Y.

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AL1-XX3-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。 Patent Document 1 discloses a proton conductive membrane having a perovskite structure. The proton conductive membrane of Patent Document 1 has the chemical formula AL 1-X M X O 3-α . A is an alkaline earth metal. L is one or more elements selected from cerium, titanium, zirconium and hafnium. M is one or more elements selected from neodymium, gallium, aluminum, yttrium, indium, ytterbium, scandium, gadolinium, samarium and praseodymium. Here, X is the composition ratio of the M element that replaces the L element, and α is the atomic ratio of oxygen deficiency. In the proton conductive membrane of Patent Document 1, 0.05 <X <0.35 and 0.15 <α <1.00.

プロトン伝導体は、例えば、水素センサに用いられる。特許文献2は、イットリアを添加した4価の金属酸バリウムからなるプロトン伝導体を備えた水素センサを開示している。   The proton conductor is used for a hydrogen sensor, for example. Patent Document 2 discloses a hydrogen sensor including a proton conductor made of tetravalent barium metal acid to which yttria is added.

特開2008−23404号公報JP 2008-23404 A 特開2007−066885号公報JP 2007-066885 A

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

より実用的な水素センサを提供することが求められている。   There is a need to provide more practical hydrogen sensors.

本開示の水素センサの一態様は、組成式Aa1-xB’x3-δで表されるペロブスカイト型結晶構造を有するプロトン伝導体と、前記プロトン伝導体に接して配置され、水素ガスを透過し、水素を酸化して、プロトンを生成する触媒作用を有する検出電極と、前記プロトン伝導体に接して配置された基準電極と、を備え、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。 One aspect of the hydrogen sensor of the present disclosure is disposed in contact with a proton conductor having a perovskite crystal structure represented by a composition formula A a B 1-x B ′ x O 3−δ , A detection electrode that has a catalytic action to transmit hydrogen gas and oxidize hydrogen to generate protons, and a reference electrode disposed in contact with the proton conductor, and the A is made of an alkaline earth metal At least one selected, B is a tetravalent group 4 transition metal or Ce, B ′ is a trivalent group 3 or group 13 element, and 0.4 <a < 0.9 and 0.2 <x <0.6.

本開示の実施形態によれば、より実用的な水素センサが提供される。   According to the embodiment of the present disclosure, a more practical hydrogen sensor is provided.

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。It is a diagram showing a general perovskite structure represented by the composition formula ABO 3. 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。3 is a graph showing proton conductivity in a temperature range of 100 ° C. to 600 ° C. in Example 1. FIG. 本開示の実施形態による水素センサの例を示す模式的な断面図である。It is a typical sectional view showing an example of a hydrogen sensor by an embodiment of this indication. 本開示の実施形態による水素センサの他の例を示す模式的な断面図である。It is a typical sectional view showing other examples of a hydrogen sensor by an embodiment of this indication.

(水素センサについて)
従来の水素センサは、水素吸蔵金属であるパラジウムや、それを含む水素吸蔵合金の物性変化を利用する。具体的には、水素吸蔵金属もしくは水素吸蔵合金が検出対象の気体に含まれる水素を吸蔵もしくは放出することによって生じる金属や合金の電気抵抗率や光透過度、光の反射率等を測定し、その物性値の変化を水素濃度に換算している。この水素吸蔵金属及び水素吸蔵合金は温度によって物性値が変化するため、広い温度範囲で正確に水素濃度を測定することが難しい。
(About hydrogen sensor)
A conventional hydrogen sensor utilizes changes in physical properties of palladium, which is a hydrogen storage metal, or a hydrogen storage alloy containing it. Specifically, the hydrogen storage metal or hydrogen storage alloy measures the electrical resistivity, light transmittance, light reflectance, etc. of the metal or alloy produced by storing or releasing hydrogen contained in the gas to be detected, Changes in the physical property values are converted to hydrogen concentration. Since the physical properties of the hydrogen storage metal and hydrogen storage alloy change depending on the temperature, it is difficult to accurately measure the hydrogen concentration in a wide temperature range.

一方、特許文献2に開示された水素センサは、検出電極、プロトン伝導体及び基準電極を備え、検出電極が被測定ガス側に配置される。被測定ガス中に含まれる水素の濃度に応じて、プロトンをキャリアとする電流が流れるため、検出電極と基準電極との間に流れる電流値に基づき水素濃度を測定することができる。   On the other hand, the hydrogen sensor disclosed in Patent Document 2 includes a detection electrode, a proton conductor, and a reference electrode, and the detection electrode is disposed on the measured gas side. Since a current using protons as carriers flows according to the concentration of hydrogen contained in the gas to be measured, the hydrogen concentration can be measured based on the value of the current flowing between the detection electrode and the reference electrode.

しかし、特許文献2に開示された水素センサによれば、プロトン伝導体は600℃程度において高いプロトン伝導度を有する。このため、600℃程度の高い温度で動作させることが必要である。   However, according to the hydrogen sensor disclosed in Patent Document 2, the proton conductor has a high proton conductivity at about 600 ° C. For this reason, it is necessary to operate at a high temperature of about 600 ° C.

また、プロトン伝導体として、プロトン伝導性固体高分子膜が知られており、このプロトン伝導性固体高分子膜を水素センサに用いることも考えられる。しかし、プロトン伝導性固体高分子膜がプロトン伝導性を発現するためには、膜自体を湿潤させる必要がある。このため、プロトン伝導性固体高分子膜を用いた水素センサは、湿潤させる水分が凍結しない温度であり、かつ、プロトン伝導性固体高分子膜が変質しない温度(一般的には120℃より低温)である比較的狭い範囲の温度で動作させる必要があると考えられる。   Further, a proton conductive solid polymer membrane is known as a proton conductor, and it is conceivable to use this proton conductive solid polymer membrane for a hydrogen sensor. However, in order for the proton conducting solid polymer membrane to exhibit proton conductivity, it is necessary to wet the membrane itself. For this reason, in the hydrogen sensor using the proton conductive solid polymer membrane, the temperature at which the moisture to be wet is not frozen and the temperature at which the proton conductive solid polymer membrane does not change (generally lower than 120 ° C.). It is considered necessary to operate at a relatively narrow temperature range.

本願本発明者は、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体を見出し、このようなプロトン伝導体を用いた水素センサを想到した。   The present inventor has found a proton conductor that maintains high proton conductivity even in a temperature range of 100 ° C. or more and 500 ° C. or less by intensive research, and conceived a hydrogen sensor using such a proton conductor. did.

本発明の一態様の概要は、以下のとおりである。   The outline of one embodiment of the present invention is as follows.

本発明の一態様である水素センサは、組成式Aa1-xB’x3-δで表されるペロブスカイト型結晶構造を有するプロトン伝導体と、前記プロトン伝導体に接して配置され、水素ガスを透過し、水素を酸化して、プロトンを生成する触媒作用を有する検出電極と、前記プロトン伝導体に接して配置された基準電極とを備え、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。 A hydrogen sensor which is one embodiment of the present invention is disposed in contact with a proton conductor having a perovskite crystal structure represented by a composition formula A a B 1-x B ′ x O 3-δ and the proton conductor. A detection electrode having a catalytic action of permeating hydrogen gas and oxidizing hydrogen to generate protons, and a reference electrode disposed in contact with the proton conductor, wherein A is an alkaline earth metal At least one selected, B is a tetravalent group 4 transition metal or Ce, B ′ is a trivalent group 3 or group 13 element, and 0.4 <a < 0.9 and 0.2 <x <0.6.

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。   The A may be at least one selected from Ba and Sr. B may be Zr. B ′ may be Y or In.

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。   The value of a may be 0.4 <a <0.8. The value of x may be 0.3 <x <0.6.

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。   The value of a may be 0.4 <a <0.8. The value of x may be 0.4 <x <0.6.

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。   The value of a may be 0.4 <a <0.6. The value of x may be 0.4 <x <0.6.

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。   The value of a may be 0.4 <a <0.5. The value of x may be 0.4 <x <0.6.

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。   The proton conduction activation energy of the proton conductor in a temperature range of 100 ° C. or more and 500 ° C. or less may be 0.1 eV or less.

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。   The relationship of 0.21 ≦ x ≦ 0.58, a ≧ −0.054x + 0.441, and a ≦ −0.027x + 0.886 may be established.

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。   The proton conductor may be composed of a single phase having a substantially uniform composition and crystal structure.

前記検出電極は、Ti、Zr、Ta、Zn、Cr、Fe、Co、Al、Ni、Sn及びVからなる群から選ばれる少なくとも1つを有する金属又は合金を含んでいてもよい。   The detection electrode may include a metal or alloy having at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Ta, Zn, Cr, Fe, Co, Al, Ni, Sn, and V.

前記検出電極は、Ti、Zr、Ta、Zn、Cr、Fe、Co、Al、Ni、Sn及びVからなる群から選ばれる少なくとも1つ有する酸化物を含んでいてもよい。   The detection electrode may include an oxide having at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Ta, Zn, Cr, Fe, Co, Al, Ni, Sn, and V.

前記検出電極は、Ti、Zr、Ta、Zn、Cr、Fe、Co、Al、Ni、Sn及びVからなる群から選ばれる少なくとも1つと、B、C及びNからなる群から選ばれる少なくとも1つとを有する金属間化合物を含んでいてもよい。   The detection electrode is at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Ta, Zn, Cr, Fe, Co, Al, Ni, Sn and V, and at least one selected from the group consisting of B, C and N It may contain an intermetallic compound.

前記基準電極は、水素ガスを透過しない構造を備えていてもよい。   The reference electrode may have a structure that does not transmit hydrogen gas.

前記基準電極は、水素よりイオン化傾向の小さい金属、又は、水素よりイオン化傾向の小さい金属を含む合金を含んでいてもよい。   The reference electrode may include a metal having a lower ionization tendency than hydrogen or an alloy including a metal having a lower ionization tendency than hydrogen.

前記基準電極は、Cu、Ir、Pt及びAuからなる群から選ばれる少なくとも1つを有する金属又は合金を含んでいてもよい。   The reference electrode may include a metal or alloy having at least one selected from the group consisting of Cu, Ir, Pt, and Au.

前記基準電極は、Cu、Ir、Pt及びAuからなる群から選ばれる少なくとも1つと、B、C及びNからなる群から選ばれる、少なくとも1つとを有する金属間化合物を含んでいてもよい。   The reference electrode may include an intermetallic compound having at least one selected from the group consisting of Cu, Ir, Pt, and Au and at least one selected from the group consisting of B, C, and N.

本開示による水素センサの実施形態を説明する前に、この水素センサ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。   Before describing an embodiment of a hydrogen sensor according to the present disclosure, a proton conductive oxide used in the hydrogen sensor will be described. The proton conductive oxide described below is a perovskite proton conductor having a perovskite structure, and has high proton conductivity even in a temperature range of 100 ° C. or higher and 500 ° C. or lower.

(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。
(Perovskite structure)
First, the basic configuration of the perovskite structure will be briefly described with reference to FIG. A typical perovskite structure is composed of elements A, B, and O, as illustrated in FIG. 1, and is represented by a composition formula ABO 3 . Here, A is an element that can be a divalent cation, B is an element that can be a tetravalent cation, and O is oxygen. A unit cell of a crystal having a perovskite structure typically has a shape close to a cube. As shown in the figure, ions of the element A are located at the eight vertices of the unit cell. On the other hand, oxygen O ions are located at the centers of the six faces of the unit cell. In addition, an element B ion is located near the center of the unit cell. The positions occupied by the elements A, B, and O may be referred to as A site, B site, and O site, respectively.

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’x3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。 The above structure is a basic structure of the perovskite crystal, and some of the elements A, B, and O may be missing, excessive, or substituted with other elements. For example, a crystal in which an element B ′ other than the element B is located at the B site is a perovskite crystal represented by a composition formula AB (1-x) B ′ x O 3 . Here, x is a composition ratio (mole fraction) of B ′, and may be called a substitution rate. When such element substitution, deficiency, or excess occurs, the structure of the unit cell can be distorted or deformed from the cube. Perovskite crystals are not limited to “cubic crystals”, but broadly include crystals that have phase transitions to “rhombic crystals” and “tetragonal crystals” with lower symmetry.

(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。
(Knowledge of the present inventors)
In a conventional proton conductive oxide having a perovskite structure, when B, which is a tetravalent element, is substituted with B ′, which is a trivalent element, oxygen vacancies are generated in the proton conductive oxide. In other words, if a part of the tetravalent cation is replaced with a trivalent cation, the total positive charge of the cation is reduced, so that it is a divalent anion due to charge compensation that maintains electrical neutrality. It is considered that the composition ratio of oxygen ions decreases and oxygen deficiency occurs. In the proton conductive oxide having such a composition, proton conductive carriers are introduced into the proton conductive oxide by introducing water molecules (H 2 O) into the oxygen deficient position (O site). It is believed that.

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。   In conventional proton-conductive oxides, it is considered that proton conductivity is expressed by protons hopping around oxygen atoms. In this case, the temperature dependence of proton conductivity is a thermal activation type having an activation energy of about 0.4 to 1.0 eV. Therefore, proton conductivity decreases exponentially with decreasing temperature.

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。 In order to maintain a high proton conductivity of 10 −1 S / cm (Siemens / centimeter) or more even in a temperature range of 100 ° C. or more and 500 ° C. or less, the proton conductivity is activated. It is desired to suppress a decrease in proton conductivity associated with a decrease in temperature by setting the energy to 0.1 eV or less.

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。   The inventors of the present invention have tried to increase the concentration or density of proton carriers by increasing the solid solution amount (substitution amount) of the trivalent element B ′ and to create a state in which protons can move more easily than conventional hopping. It was. However, in the conventional perovskite proton conductive oxide, the upper limit of the composition ratio of the B ′ element is about 0.2, and the oxygen deficiency has an upper limit.

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。   As a method for introducing more proton carriers, the present inventor has focused on the possibility of obtaining the same effect as increasing the composition ratio of the B ′ element by decreasing the composition ratio of the A element. However, as described in Non-Patent Document 2, when the composition ratio a of the element A decreases from 1, the proton conductivity decreases. The reason for this is considered to be that a component having no proton conductivity (heterophase: a phase not having a perovskite crystal structure) is generated in the crystal structure.

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。   Therefore, the present inventors reduced the composition ratio a of the element A from 1 in the chemical composition region, which is conventionally unsuitable for proton conduction, and set the composition ratio x of the B ′ element to 0. It has been found that the activation energy can be lowered while maintaining a single-phase perovskite structure unexpectedly by making it higher than 2. As a result, a perovskite proton conductive oxide having high proton conductivity was obtained.

(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センサに用いられるプロトン伝導性酸化物を説明する。
(Proton conductive oxide)
Hereinafter, the proton conductive oxide used in the hydrogen sensor according to the embodiment of the present disclosure will be described.

本開示の実施形態による水素センサに用いられるプロトン伝導性酸化物は、組成式Aa1-xB’x3-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。 The proton conductive oxide used in the hydrogen sensor according to the embodiment of the present disclosure is a metal oxide having a perovskite crystal structure represented by a composition formula A a B 1−x B ′ x O 3−δ . The element A is an alkaline earth metal. The value of a indicating the composition ratio of the A element is the atomic ratio of the A element when the sum of B and B ′ is 1, and is in the range of 0.4 <a <0.9. The element B ′ is a trivalent group 3 or group 13 element. The value of x indicating the composition ratio of the B element is in the range of 0.2 <x <0.6. The composition ratio will be described in detail in Examples described later. Note that δ represents oxygen deficiency or oxygen excess as described above. In the following examples, the value of δ is not measured, but oxygen deficiency occurs, and it is considered that the relationship 0 <δ <3.0 is satisfied.

<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、BayA’1-y(0<y≦1)である。
<Element of A>
An example of the element A is an alkaline earth metal. The perovskite structure is stable. A specific example of the element A is at least one element selected from barium (Ba), strontium (Sr), calcium (Ca), and magnesium (Mg). A proton conductive oxide in which the element A is at least one selected from barium (Ba) and strontium (Sr) is desirable because it has high proton conductivity. The element A includes at least barium (Ba) and may include at least one element selected from strontium (Sr), calcium (Ca), and magnesium (Mg). For example, elements A is Ba y A '1-y ( 0 <y ≦ 1).

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。   If the element of A is an alkaline earth metal element that is divalent, by reducing the composition ratio of the element of A, an effect similar to the increase of the composition ratio of the element of B ′ can be obtained, and oxygen deficiency can be reduced. This is likely to occur, and the effect of increasing the proton carrier concentration is obtained.

<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 element>
An example of the element of B is a group 4 element. Specific examples of the element of B are zirconium (Zr), cerium (Ce), titanium (Ti), or hafnium (Hf). When the element of B is zirconium (Zr), the perovskite structure becomes stable, so that generation of a tissue component having no proton conductivity is reduced. As a result, a proton conductive oxide having high proton conductivity is obtained, which is desirable.

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。   If the element of B is tetravalent group 4 zirconium (Zr), titanium (Ti), hafnium (Hf) and cerium (Ce), the perovskite structure becomes stable, and the tissue component has no proton conductivity Is reduced, and high proton conductivity is obtained.

<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 'element>
The element of B ′ is a group 3 element, a group 13 element, or a trivalent lanthanoid. The element B ′ is preferably a group 3 element, a group 13 element, or a trivalent lanthanoid having an ionic radius larger than 0.5 Å and smaller than 1.02 Å. As a result, even when the value of x is larger than 0.2, a proton conducting oxide having a stable perovskite structure and high proton conductivity can be obtained. A proton conductive oxide in which the element of B ′ is yttrium (Y) or indium (In) is more desirable because the perovskite structure is stable and it has high proton conductivity.

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。   The element of B ′ is a trivalent group 3 element, a trivalent group 13 element, or a trivalent lanthanoid element that has an ionic radius greater than 0.5 Å and less than 1.02 Å. For example, even when the value of x is larger than 0.2, oxygen deficiency is likely to occur in a state where the perovskite structure is stably maintained, and the effect of increasing the proton carrier concentration can be obtained.

(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。
(About a, x, and δ)
The value of a indicating the composition ratio of the element A is in the range of 0.4 <a <0.9. An oxide having a value of less than 0.4 is not desirable because the perovskite structure becomes unstable and a phase having no proton conductivity is generated in the proton conductive oxide.

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。   The value x indicating the composition ratio of the element B ′ is in the range of 0.2 <x <0.6. An oxide having a value greater than 0.6 is not preferable because the perovskite structure becomes unstable and a phase having no proton conductivity is generated.

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。   An oxide in which 0.9 ≦ a <1.1 and 0 ≦ x ≦ 0.2 has an activation energy of 0.1 eV or more, and proton conduction in a temperature range of 100 ° C. or more and 500 ° C. or less. This is not desirable because the properties are reduced.

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。   An oxide satisfying 0.9 ≦ a <1.1 and 0.2 <x <0.6 is not desirable because a phase having no proton conductivity is generated.

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。   An oxide with a> 1.1 is not desirable because the perovskite structure becomes unstable and the proton conductivity decreases.

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。 Therefore, in the proton conductive oxide in which 0.4 <a <0.9 and 0.2 <x <0.6, a perovskite structure can be stably obtained, and the proton conductivity is 10 −1 S. / Cm or more, which is desirable. An oxide satisfying 0.4 <a <0.9 and 0.0 ≦ x ≦ 0.2 has a perovskite structure, which is desirable because proton conductivity is less than 10 −1 S / cm. Absent.

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。   Furthermore, proton conducting oxides with 0.4 <a <0.8 and 0.3 <x <0.6 are more desirable because they have higher proton conductivity at 500 ° C. Further, a proton conductive oxide satisfying 0.4 <a <0.8 and 0.4 <x <0.6 is more desirable because it has high proton conductivity even at 100 ° C.

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 is a divalent element, B is a tetravalent element, and B 'is a trivalent element. O is divalent. Therefore, when the electrical neutral condition is satisfied, it is considered that the sum of the value of the deficiency of A and the half of the substitution amount of B ′ becomes the oxygen deficiency. That is, since the amount of deficiency of A is 1-a, the amount of substitution of B ′ is x, and the amount of oxygen deficiency is δ per unit cell of the crystal, the electrical neutral condition is satisfied by the ions of these elements. Assuming that, δ = (1−a) + x / 2 holds. Therefore, when 0.4 <a <0.9 and 0.2 <x <0.6, 0.2 <δ <0.9 is satisfied.

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センサ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センサ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。   By adjusting the value a indicating the composition ratio of the element A and the value x indicating the composition ratio of the element B ′ so as to be within the above ranges, the composition and crystal structure are substantially uniform. A single crystal or polycrystalline perovskite structure composed of a (homogeneous) single phase is realized. Here, “consisting of a single phase having a substantially uniform composition and crystal structure” means that the proton conductor does not contain a heterogeneous phase having a composition outside the above range. Note that the proton conductor used in the hydrogen sensor according to the embodiment of the present disclosure may contain a small amount of inevitable impurities. Moreover, when manufacturing the proton conductor used for the hydrogen sensor by embodiment of this indication by sintering, compounds and elements, such as a sintering aid, may be included in part. In addition, impurities may be added unintentionally in the course of the manufacturing process, or intentionally to obtain some effect. The important point is that the elements A, B, B ′, and O are within the above-described range, and they constitute a perovskite crystal structure. Therefore, the inclusion of impurities mixed in during the production can be allowed.

(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。
(Production method)
The proton conductive oxide can be formed by a film forming method such as a sputtering method, a plasma laser deposition method (PLD method), or a chemical vapor deposition method (CVD method). The method for forming the film is not particularly limited.

(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。
(Other)
The proton conductive oxide is also referred to as a proton conductor. An example of the shape of the proton conducting oxide is a membrane. The proton conductive oxide only needs to function as a proton conductive solid electrolyte and does not have to be a continuous film.

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。 Further, the substrate on which the proton conductive oxide film is formed may not be flat. Leakage of reactants supplied to the perovskite proton conductive oxide from the viewpoint of avoiding direct reaction of reactants such as hydrogen and oxygen without going through the perovskite proton conductive oxide as a solid electrolyte It is desirable that there is no. Therefore, a thin film of a perovskite proton conductive oxide is formed on a base material made of magnesium oxide (MgO), strontium titanate (SrTiO 3 ), silicon (Si) or the like having a smooth plane. Thereafter, it is more desirable to remove a part or the whole of the base material by etching or the like to obtain a proton conductive solid electrolyte. The material and shape of the substrate are not particularly limited.

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。 The crystal structure of the proton conductive oxide may be single crystal or polycrystal. Crystal structure oriented by controlling the orientation of crystal growth on a magnesium (MgO) or strontium titanate (SrTiO 3 ) substrate and a silicon (Si) substrate on which a buffer layer with a controlled lattice constant is formed The proton conductive oxide having a is desirable because it has higher proton conductivity. In addition, a proton conductive oxide having a single crystal structure epitaxially grown on a substrate is desirable because it has higher proton conductivity. Note that the crystal structure of a single crystal can be obtained by controlling the film formation conditions such as the plane orientation of the substrate, temperature, pressure, and atmosphere, but the thin film formation conditions and the thin film crystal system are not particularly limited.

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。   Hereinafter, the proton conductive oxide will be specifically described with reference to examples.

(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。
Example 1
The base material (10 mm × 10 mm, thickness 0.5 mm) was set on a substrate holder having a heating mechanism inside the vacuum chamber, and the inside of the vacuum chamber was evacuated to a degree of vacuum of about 10 −3 Pa. The material of the base material was magnesium oxide (MgO) single crystal.

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。   After evacuation, the substrate was heated to 650 ° C to 750 ° C. Oxygen gas (flow rate of 2 sccm) and argon gas (flow rate of 8 sccm) were introduced, and the pressure in the vacuum chamber was adjusted to about 1 Pa.

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。   A proton conductive oxide film was formed by sputtering using a sintered compact target having an element ratio of Ba: Zr: Y = 7: 7: 3.

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。   The structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductive oxide were evaluated. Table 1 shows the results. Hereinafter, each evaluation method and the result are shown. In Table 1, Examples 2 to 13 and Comparative Examples 1 to 5 described later are also described.

Figure 2015148563
Figure 2015148563

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。   Using a Cu target, the X-ray diffraction of the deposited proton conductive oxide was measured. As shown in Table 1, the proton conductive oxide of Example 1 was confirmed to have a perovskite crystal structure and a single crystal.

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(Aa1-xB’x3-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。 The composition ratio of the deposited proton-conductive oxide was examined using ion-coupled plasma spectroscopy (ICP: Inductively Coupled Plasma). As shown in Table 1, in the proton conductive oxide (A a B 1-x B ′ x O 3-δ ) of Example 1, the element of A is barium (Ba), and the value of a is 0. 73. Further, the element of B was zirconium (Zr), the element of B ′ was yttrium (Y), and the value of x was 0.31 (Zr: 0.69, Y: 0.31).

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。 In FIG. 2, the measurement result of the proton conductivity of the proton-conductive oxide in Example 1 is shown. An electrode was formed on the proton conductive oxide using a silver paste. The proton conductivity was measured using an impedance method in an argon (Ar) gas mixed with 5% hydrogen (H 2 ) and under a temperature range of 100 ° C. to 600 ° C.

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。   As shown in Table 1, the proton conductivity of Example 1 at 100 ° C. was 0.36 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. was 0.71 S / cm.

(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。
(Example 2)
An experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the film was formed using a sintered body target having an element ratio of Ba: Zr: Y = 1: 1: 1. Table 1 shows the structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductive oxide.

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(Aa1-xB’x3-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。 As shown in Table 1, the proton conductive oxide of Example 2 was confirmed to have a perovskite crystal structure and a single crystal. As shown in Table 1, in this proton conductive oxide (A a B 1-x B ′ x O 3-δ ), the element of A is barium (Ba), and the value of a is 0.48. It was. Moreover, the element of B was zirconium (Zr), the element of B ′ was yttrium (Y), and the value of x was 0.48 (Zr: 0.52, Y: 0.48). As shown in Table 1, the proton conductivity of Example 2 at 100 ° C. was 0.42 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. was 0.79 S / cm.

(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。
(Example 3)
The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the film was formed using a sintered body target having an element ratio of Ba: Zr: Y = 9: 4: 6. Table 1 shows the structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductive oxide.

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(Aa1-xB’x3-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。 As shown in Table 1, it was confirmed that the proton conductive oxide of Example 3 had a perovskite crystal structure and was polycrystalline. As shown in Table 1, in this proton conductive oxide (A a B 1-x B ′ x O 3-δ ), the element A is barium (Ba), and the value of a is 0.89. It was. Further, the element of B was zirconium (Zr), the element of B ′ was yttrium (Y), and the value of x was 0.58 (Zr: 0.42, Y: 0.58). As shown in Table 1, the proton conductivity of Example 3 at 100 ° C. was 0.14 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. was 0.55 S / cm.

(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。
Example 4
The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the film was formed using a sintered body target having an element ratio of Ba: Zr: In = 5: 8: 2. Table 1 shows the structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductive oxide.

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(Aa1-xB’x3-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。 As shown in Table 1, the proton conductive oxide of Example 4 was confirmed to have a perovskite crystal structure and a single crystal. As shown in Table 1, in this proton conductive oxide (A a B 1-x B ′ x O 3-δ ), the element of A is barium (Ba), and the value of a is 0.44. It was. The element of B was zirconium (Zr), the element of B ′ was indium (In), and the value of x was 0.22 (Zr: 0.78, In: 0.22). As shown in Table 1, the proton conductivity of Example 4 at 100 ° C. was 0.32 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. was 0.57 S / cm.

(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。
(Example 5)
An experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the film was formed using a sintered body target having an element ratio of Ba: Zr: Y = 8: 6: 4. Table 1 shows the structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductive oxide.

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(Aa1-xB’x3-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。 As shown in Table 1, the proton conductive oxide of Example 5 was confirmed to have a perovskite crystal structure and a single crystal. As shown in Table 1, in this proton conductive oxide (A a B 1-x B ′ x O 3-δ ), the element A is barium (Ba), and the value of a is 0.71. It was. Further, the element of B was zirconium (Zr), the element of B ′ was yttrium (Y), and the value of x was 0.41 (Zr: 0.59, Y: 0.41). As shown in Table 1, the proton conductivity of Example 5 at 100 ° C. was 0.39 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. was 0.79 S / cm.

(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。
(Example 6)
The base material is strontium titanate (SrTiO 3 ) single crystal, and the film was formed using a sintered body target having an element ratio of Ba: Sr: Zr: Y = 3: 4: 7: 3. Except that, the experiment was performed in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductive oxide.

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(Aa1-xB’x3-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。 As shown in Table 1, it was confirmed that the proton conductive oxide of Example 6 had a perovskite crystal structure and was polycrystalline. As shown in Table 1, in this proton conductive oxide (A a B 1-x B ′ x O 3-δ ), the elements of A were barium (Ba) and strontium (Sr). The ratio of barium (Ba) to strontium (Sr) was 0.22 for barium (Ba), 0.49 for strontium (Sr), and the value of a was 0.71. The element of B was zirconium (Zr), the element of B ′ was yttrium (Y), and the value of x was 0.27 (Zr: 0.73, Y: 0.27). As shown in Table 1, the proton conductivity of Example 6 at 100 ° C. was 0.35 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. was 0.66 S / cm.

(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。
(Example 7)
An experiment was performed in the same manner as in Example 6 except that a film was formed using a sintered compact target having an element ratio of Ba: Sr: Zr: Y = 1: 1: 2: 2. Table 1 shows the structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductive oxide.

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(Aa1-xB’x3-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。 As shown in Table 1, it was confirmed that the proton conductive oxide of Example 7 had a perovskite crystal structure and was polycrystalline. As shown in Table 1, in this proton conductive oxide (A a B 1-x B ′ x O 3-δ ), the elements of A were barium (Ba) and strontium (Sr). The ratio of barium (Ba) to strontium (Sr) was 0.22 for barium (Ba), 0.25 for strontium (Sr), and the value of a was 0.47. Further, the element of B was zirconium (Zr), the element of B ′ was yttrium (Y), and the value of x was 0.47 (Zr: 0.53, Y: 0.47). As shown in Table 1, the proton conductivity of Example 7 at 100 ° C. was 0.39 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. was 0.71 S / cm.

(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。
(Example 8)
An experiment was performed in the same manner as in Example 6 except that the film was formed using a sintered body target having an element ratio of Ba: Sr: Zr: Y = 2: 7: 4: 6. Table 1 shows the structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductive oxide.

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(Aa1-xB’x3-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。 As shown in Table 1, it was confirmed that the proton conductive oxide of Example 8 had a perovskite crystal structure and was polycrystalline. As shown in Table 1, in this proton conductive oxide (A a B 1-x B ′ x O 3-δ ), the elements of A were barium (Ba) and strontium (Sr). The ratio of barium (Ba) to strontium (Sr) was 0.20 for barium (Ba), 0.68 for strontium (Sr), and the value of a was 0.88. Further, the element of B was zirconium (Zr), the element of B ′ was yttrium (Y), and the value of x was 0.58 (Zr: 0.42, Y: 0.58). As shown in Table 1, the proton conductivity of Example 8 at 100 ° C. was 0.15 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. was 0.57 S / cm.

(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。
Example 9
An experiment was performed in the same manner as in Example 6 except that the film was formed using a sintered body target having an element ratio of Ba: Sr: Zr: In = 4: 1: 8: 2. Table 1 shows the structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductive oxide.

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(Aa1-xB’x3-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。 As shown in Table 1, the proton conductive oxide of Example 9 was confirmed to have a perovskite crystal structure and a single crystal. As shown in Table 1, in this proton conductive oxide (A a B 1-x B ′ x O 3-δ ), the elements of A were barium (Ba) and strontium (Sr). The ratio of barium (Ba) to strontium (Sr) was 0.35 for barium (Ba) and 0.08 for strontium (Sr), and the value of a was 0.43. The element of B was zirconium (Zr), the element of B ′ was indium (In), and the value of x was 0.21 (Zr: 0.79, In: 0.21). As shown in Table 1, the proton conductivity of Example 9 at 100 ° C. was 0.29 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. was 0.55 S / cm.

(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。
(Example 10)
An experiment was performed in the same manner as in Example 6 except that the film was formed using a sintered body target having an element ratio of Ba: Sr: Zr: Y = 5: 2: 6: 4. Table 1 shows the structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductive oxide.

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(Aa1-xB’x3-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。 As shown in Table 1, it was confirmed that the proton conductive oxide of Example 10 had a perovskite crystal structure and was a single crystal. As shown in Table 1, in this proton conductive oxide (A a B 1-x B ′ x O 3-δ ), the elements of A were barium (Ba) and strontium (Sr). The ratio of barium (Ba) to strontium (Sr) was 0.48 for barium (Ba), 0.21 for strontium (Sr), and the value of a was 0.69. Further, the element of B was zirconium (Zr), the element of B ′ was yttrium (Y), and the value of x was 0.39 (Zr: 0.61, Y: 0.39). As shown in Table 1, the proton conductivity of Example 10 at 100 ° C. was 0.35 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. was 0.69 S / cm.

(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。
(Example 11)
An experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the film was formed using a sintered body target having an element ratio of Ba: Zr: Y = 2: 2: 3. Table 1 shows the structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductive oxide.

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(Aa1-xB’x3-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。 As shown in Table 1, it was confirmed that the proton conductive oxide of Example 11 had a perovskite crystal structure and was a single crystal. As shown in Table 1, in this proton conductive oxide (A a B 1-x B ′ x O 3-δ ), the element of A is barium (Ba), and the value of a is 0.41. It was. Further, the element of B was zirconium (Zr), the element of B ′ was yttrium (Y), and the value of x was 0.58 (Zr: 0.42, Y: 0.58). As shown in Table 1, the proton conductivity of Example 11 at 100 ° C. was 0.45 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. was 0.95 S / cm.

(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。
(Example 12)
An experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the film was formed using a sintered body target having an element ratio of Ba: Zr: Y = 9: 8: 2. Table 1 shows the structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductive oxide.

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(Aa1-xB’x3-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。 As shown in Table 1, the proton conductive oxide of Example 12 was confirmed to have a perovskite crystal structure and a single crystal. As shown in Table 1, in this proton conductive oxide (A a B 1-x B ′ x O 3-δ ), the element of A is barium (Ba), and the value of a is 0.88. It was. The element of B was zirconium (Zr), the element of B ′ was yttrium (Y), and the value of x was 0.21 (Zr: 0.79, Y: 0.21). As shown in Table 1, the proton conductivity of Example 12 at 100 ° C. was 0.12 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. was 0.65 S / cm.

(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。
(Example 13)
An experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the film was formed using a sintered body target having an element ratio of Ba: Zr: Y = 3: 4: 1. Table 1 shows the structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductive oxide.

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(Aa1-xB’x3-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。 As shown in Table 1, it was confirmed that the proton conductive oxide of Example 13 had a perovskite type crystal structure and was a single crystal. As shown in Table 1, in this proton conductive oxide (A a B 1-x B ′ x O 3-δ ), the element of A is barium (Ba), and the value of a is 0.42. It was. Moreover, the element of B was zirconium (Zr), the element of B ′ was yttrium (Y), and the value of x was 0.22 (Zr: 0.78, Y: 0.22). As shown in Table 1, the proton conductivity of Example 13 at 100 ° C. was 0.31 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. was 0.54 S / cm.

(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。
(Comparative Example 1)
An experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the film was formed using a sintered body target having an element ratio of Ba: Zr: Y = 5: 4: 1. Table 1 shows the structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductive oxide.

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(Aa1-xB’x3-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。 As shown in Table 1, the proton conductive oxide of Comparative Example 1 was confirmed to have a perovskite crystal structure and a single crystal. As shown in Table 1, in this oxide (A a B 1-x B ′ x O 3-δ ), the element of A was barium (Ba), and the value of a was 0.98. The element of B was zirconium (Zr), the element of B ′ was yttrium (Y), and the value of x was 0.19 (Zr: 0.81, Y: 0.19).

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。 As shown in Table 1, the proton conductivity of Comparative Example 1 at 100 ° C. was 2.3 × 10 −5 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. was 0.039 S / cm.

(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。
(Comparative Example 2)
An experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the film was formed using a sintered body target having an element ratio of Ba: Zr: In = 7: 9: 1. Table 1 shows the structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductive oxide.

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(Aa1-xB’x3-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。 As shown in Table 1, the proton conductive oxide of Comparative Example 2 was confirmed to have a perovskite crystal structure and a single crystal. As shown in Table 1, in this oxide (A a B 1-x B ′ x O 3-δ ), the element of A was barium (Ba), and the value of a was 0.65. The element of B was zirconium (Zr), the element of B ′ was indium (In), and the value of x was 0.13 (Zr: 0.87, In: 0.13). As shown in Table 1, the proton conductivity of Comparative Example 2 at 100 ° C. was 0.01 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. was 0.013 S / cm.

(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。
(Comparative Example 3)
The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the film was formed using a sintered body target having an element ratio of Ba: Zr: Y = 4: 7: 3. Table 1 shows the structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductive oxide.

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(Aa1-xB’x3-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。 As shown in Table 1, the proton conductive oxide of Comparative Example 3 contained a polycrystalline perovskite crystal structure. Further, zirconium oxide (ZrO 2 ) was detected as the impurity layer. As shown in Table 1, in this oxide (A a B 1−x B ′ x O 3−δ ), the element of A was barium (Ba), and the value of a was 0.35. The element of B was zirconium (Zr), the element of B ′ was yttrium (Y), and the value of x was 0.32 (Zr: 0.68, Y: 0.32). As shown in Table 1, the proton conductivity of Comparative Example 3 at 100 ° C. is 3.2 × 10 −6 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. is 8.5 × 10 −3 S / cm. Met.

(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。
(Comparative Example 4)
Example 1 except that the material of the base material was strontium titanate (SrTiO 3 ) single crystal and the film was formed using a sintered body target having an element ratio of Sr: Zr: Y = 8: 3: 7. The experiment was conducted in the same manner as above. Table 1 shows the structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductive oxide.

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(Y23)も検出された。表1に示すように、この酸化物(Aa1-xB’x3-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。 As shown in Table 1, the proton conductive oxide of Comparative Example 4 contained a polycrystalline perovskite crystal structure. Further, barium carbonate (BaCO 3 ) and yttrium oxide (Y 2 O 3 ) were also detected as impurity layers. As shown in Table 1, in this oxide (A a B 1-x B ′ x O 3-δ ), the element of A was strontium (Sr), and the value of a was 0.78. Further, the element of B was zirconium (Zr), the element of B ′ was yttrium (Y), and the value of x was 0.68 (Zr: 0.32, Y: 0.68).

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。 As shown in Table 1, the proton conductivity of Comparative Example 4 at 100 ° C. is 6.5 × 10 −6 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. is 9.4 × 10 −3 S / cm. Met.

(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。
(Comparative Example 5)
The experiment was performed in the same manner as in Comparative Example 4 except that the film was formed using a sintered body target having an element ratio of Sr: Zr: Y = 5: 3: 2. Table 1 shows the structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductive oxide.

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(Aa1-xB’x3-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。 As shown in Table 1, it was confirmed that the proton conductive oxide of Comparative Example 5 had a perovskite crystal structure and was polycrystalline. As shown in Table 1, in this oxide (A a B 1-x B ′ x O 3-δ ), the element of A was strontium (Sr), and the value of a was 1.01. The element of B was zirconium (Zr), the element of B ′ was yttrium (Y), and the value of x was 0.45 (Zr: 0.55, Y: 0.45).

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。 As shown in Table 1, the proton conductivity of Comparative Example 5 at 100 ° C. is 4.3 × 10 −6 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. is 8.6 × 10 −3 / cm. there were.

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。   As shown in Table 1, it can be seen that the proton conductive oxides of Examples 1 to 13 have higher proton conductivity than Comparative Examples 1 to 5. The proton conductive oxides of Examples 1 to 13 satisfy the condition of 0.4 <a <0.9 and 0.2 <x <0.6.

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。   It is known that it has a manufacturing error of at least about 5%. From the values of a and x in Examples 1 to 13, 0.4 <a <0.9 and 0.2 <x <0. The proton conductive oxide satisfying 6 has high proton conductivity.

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
More specifically, the proton conductor oxides of Example 3, Example 9, Example 11, and Example 12 have x = 0.21, x = 0.58, and a = −0.054x + 0.441. , And a = −0.027x + 0.886. That is, in these examples, the composition ratios x and a satisfy the following relationship.
0.21 ≦ x ≦ 0.58,
a ≧ −0.054x + 0.441, and 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。 In addition, the proton conductive oxides of Examples 1 to 13 show activation energy lower than 0.1 eV at 100 ° C. and 500 ° C. The ˜5 oxide had an activation energy higher than 0.1 eV. That is, when the composition ratio satisfies the above-described conditions (Example), the proton conductive oxide maintains a high proton conductivity of 10 −1 S / cm or more even in a temperature range of 100 ° C. or more and 500 ° C. or less. To do. As shown in the examples, the activation energy of proton conductivity can be reduced to 0.1 eV or less by adjusting the values of a and x to be within the above-described range. The accompanying decrease in proton conductivity can be suppressed. Furthermore, the proton conductive oxide satisfying the condition of 0.4 <a <0.9 and 0.2 <x <0.6 has an activation energy of proton conductivity of 0.1 eV or less. The proton conductivity is higher than that of the oxide of Comparative Example 2.

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
In addition, it has been found from the experiments of the present inventors that the production is easy when (1-a) indicating the deficiency of the element A is close to the composition ratio x of the element B ′. For this reason, it is practically useful if the following relationship is established.
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。   As is clear from Table 1, when 0.4 <a <0.6 and 0.4 <x <0.6, a relatively high proton conductivity is realized, and 0.4 When <a <0.5 and 0.4 <x <0.6, the highest proton conductivity is realized.

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。   Furthermore, the proton conducting oxides of Examples 1, 2, 5, 7, 10, and 11 are more desirable because they have higher proton conduction at 500 ° C. In the proton conductive oxides of Examples 1, 2, 5, 7, 10, and 11, the manufacturing error of at least about 5% is considered, and 0.4 <a <0.8 and 0.3 < The condition x <0.6 is satisfied. More specifically, the proton conducting oxides of Examples 1, 2, 5, 7, 10, and 11 have 0.41 <a <0.73 and 0.31 <x <0.58. Satisfy the condition of adding a manufacturing error to the numerical range.

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。   Furthermore, the proton conductive oxides of Examples 2, 5, 7, and 11 are more desirable because they have high proton conductivity at 100 ° C. In the proton conductive oxides of Examples 2, 5, 7, and 11, in consideration of a manufacturing error of at least about 5%, 0.4 <a <0.8 and 0.4 <x <0. Condition 6 is satisfied. More specifically, the proton conducting oxides of Examples 2, 5, 7, and 11 have a numerical range of 0.41 <a <0.71 and 0.41 <x <0.58. To satisfy the conditions with manufacturing errors added.

(水素センサの実施形態)
以下、図3を参照しながら、本開示の実施形態による水素センサの構成及び動作を説明する。
(Embodiment of hydrogen sensor)
Hereinafter, the configuration and operation of the hydrogen sensor according to the embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG. 3.

図3に示す水素センサ100は、プロトン伝導体101と、プロトン伝導体101に接して配置された検出電極102および基準電極103とを備える。プロトン伝導体101には、実施例を参照しながら説明した上述のプロトン伝導体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、水素センサ100は、100℃以上500℃以下の温度域において、高い感度で水素ガスを検出することができる。また、上述したように、プロトン伝導度の活性化エネルギも従来のプロトン伝導体に比べて小さいため、100℃以下の温度においても、水素ガスを検出することが可能である。また、プロトン伝導性固体高分子膜を備えた水素センサとは異なり、水素センサ100は、積極的に加湿されていない被検出ガス中の水素を検出することが可能である。   A hydrogen sensor 100 shown in FIG. 3 includes a proton conductor 101, and a detection electrode 102 and a reference electrode 103 disposed in contact with the proton conductor 101. As the proton conductor 101, the above-described proton conductor described with reference to the embodiment can be used. The proton conductor 101 has high proton conductivity even in a temperature range of 100 ° C. or more and 500 ° C. or less. Therefore, the hydrogen sensor 100 can detect hydrogen gas with high sensitivity in a temperature range of 100 ° C. or more and 500 ° C. or less. In addition, as described above, since the activation energy of proton conductivity is smaller than that of a conventional proton conductor, hydrogen gas can be detected even at a temperature of 100 ° C. or lower. Further, unlike a hydrogen sensor provided with a proton conductive solid polymer membrane, the hydrogen sensor 100 can detect hydrogen in a gas to be detected that is not actively humidified.

図3に例示するように、検出電極102と基準電極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、検出電極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、基準電極103は、プロトン伝導体101において検出電極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、検出電極102及び基準電極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、検出電極102及び基準電極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。また、この場合、検出電極102及び基準電極103が設けられていない主面に、加熱用のヒータ等を設けてもよい。   As illustrated in FIG. 3, the detection electrode 102 and the reference electrode 103 are typically arranged so as to sandwich the proton conductor 101. In the illustrated example, the detection electrode 102 is disposed on one main surface of the proton conductor 101, and the reference electrode 103 is disposed on the main surface of the proton conductor 101 on which the detection electrode 102 is not disposed. Has been placed. The arrangement of the proton conductor 101, the detection electrode 102, and the reference electrode 103 is not limited to the example in FIG. 3, and various arrangements can be adopted. For example, the detection electrode 102 and the reference electrode 103 may be disposed on the same main surface of the proton conductor 101. In this case, a heating heater or the like may be provided on the main surface where the detection electrode 102 and the reference electrode 103 are not provided.

水素センサ100の検出電極102および基準電極103には、電圧計104が接続される。   A voltmeter 104 is connected to the detection electrode 102 and the reference electrode 103 of the hydrogen sensor 100.

検出電極102は、水素ガスを透過する構造を備える。また、水素を酸化して、プロトンを生成する触媒作用を有する。具体的には、検出電極102は、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、タンタル(Ta)、亜鉛(Zn)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、すず(Sn)、バナジウム(V)からなる群から選ばれる少なくとも1つを有する金属又は合金を含んでいてもよい。   The detection electrode 102 has a structure that allows hydrogen gas to pass therethrough. In addition, it has a catalytic action of oxidizing protons to generate protons. Specifically, the detection electrode 102 includes titanium (Ti), zirconium (Zr), tantalum (Ta), zinc (Zn), chromium (Cr), iron (Fe), cobalt (Co), aluminum (Al), A metal or alloy having at least one selected from the group consisting of nickel (Ni), tin (Sn), and vanadium (V) may be included.

また、水素ガスを透過する多孔性の構造を得るために、検出電極102は、上述した金属の酸化物を還元することによって得られる金属又は合金を含んでいてもよい。この場合、検出電極102において、上述した金属の酸化物が還元されず、酸化物のまま残っていてもよい。つまり、検出電極102は、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、タンタル(Ta)、亜鉛(Zn)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、すず(Sn)、バナジウム(V)からなる群から選ばれる少なくとも1つを有する酸化物を含んでいてもよい。この場合、検出電極102は、全体として電子伝導性を有する。   Further, in order to obtain a porous structure that allows hydrogen gas to pass therethrough, the detection electrode 102 may include a metal or an alloy obtained by reducing the above-described metal oxide. In this case, in the detection electrode 102, the above-described metal oxide may not be reduced and may remain as an oxide. That is, the detection electrode 102 includes titanium (Ti), zirconium (Zr), tantalum (Ta), zinc (Zn), chromium (Cr), iron (Fe), cobalt (Co), aluminum (Al), nickel (Ni ), Tin (Sn), and vanadium (V), the oxide may include at least one selected from the group consisting of vanadium (V). In this case, the detection electrode 102 has electronic conductivity as a whole.

また、検出電極102は、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、タンタル(Ta)、亜鉛(Zn)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、すず(Sn)、バナジウム(V)からなる群から選ばれる少なくとも1つと、ホウ素(B)、炭素(C)および窒素(N)からなる群から選ばれる少なくとも1つとを有し、電子伝導性の金属間化合物を含んでいてもよい。   The detection electrode 102 includes titanium (Ti), zirconium (Zr), tantalum (Ta), zinc (Zn), chromium (Cr), iron (Fe), cobalt (Co), aluminum (Al), nickel (Ni ), Tin (Sn), vanadium (V) and at least one selected from the group consisting of boron (B), carbon (C), and nitrogen (N), and electron conduction An intermetallic compound may be included.

検出電極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、検出電極102を形成してもよい。検出電極102の形成方法は、特に限定されない。   The detection electrode 102 can be formed by a film forming method such as sputtering, PLD, or CVD. The detection electrode 102 may be formed by screen-printing ink in which powder of the above material is dispersed in a solvent and then drying and solidifying by heating, vacuum treatment, or the like. The method for forming the detection electrode 102 is not particularly limited.

基準電極103は、水素よりもイオン化傾向の小さい金属を含んでいる。具体的には、銅(Cu)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)及び金(Au)からなる群から選ばれる少なくとも1つを有する金属又は合金を含んでいてもよい。   The reference electrode 103 contains a metal having a smaller ionization tendency than hydrogen. Specifically, a metal or alloy having at least one selected from the group consisting of copper (Cu), iridium (Ir), platinum (Pt), and gold (Au) may be included.

また、基準電極103は、銅(Cu)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)及び金(Au)からなる群から選ばれる少なくとも1つと、ホウ素(B)、炭素(C)及び窒素(N)からなる群から選ばれる少なくとも1つとを有し、電子伝導性の金属間化合物を含んでいてもよい。   The reference electrode 103 includes at least one selected from the group consisting of copper (Cu), iridium (Ir), platinum (Pt), and gold (Au), boron (B), carbon (C), and nitrogen (N). And at least one selected from the group consisting of, and may contain an electron conductive intermetallic compound.

基準電極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及び固化させ、基準電極103を形成してもよい。基準電極103の形成方法は、特に限定されない。   The reference electrode 103 can be formed by a film formation method such as sputtering, PLD, or CVD. The reference electrode 103 may be formed by screen-printing ink in which powder of the above material is dispersed in a solvent and then drying and solidifying by heating, vacuum treatment, or the like. A method for forming the reference electrode 103 is not particularly limited.

図3に示すように、本実施形態では、水素センサ100は、ケース111をさらに備え、ケース111内において、プロトン伝導体101がケース111の内部の空間を検出用空間109と基準空間112とに分けている。検出用空間109内には、検出電極102が露出している。また、検出用空間109に被検出ガスを導入する入口105及び検出用空間109からガスを排出する出口106がケース111に設けられている。基準空間112内には、基準電極103が露出している。また、基準空間112は密閉されており、水素を含まないガスで満たされている。基準空間112は、基準電極103に生じる起電力が測定環境によって変化しないように設けられている。測定環境が大きく変化しない等、基準電極103に生じる起電力の変動が測定に大きな影響を与えない場合には、基準空間112は設けられていなくてもよく、基準電極103は大気に曝されていてもよい。   As shown in FIG. 3, in this embodiment, the hydrogen sensor 100 further includes a case 111, and the proton conductor 101 divides the space inside the case 111 into a detection space 109 and a reference space 112 in the case 111. It is divided. The detection electrode 102 is exposed in the detection space 109. The case 111 is provided with an inlet 105 for introducing the gas to be detected into the detection space 109 and an outlet 106 for discharging the gas from the detection space 109. In the reference space 112, the reference electrode 103 is exposed. The reference space 112 is sealed and filled with a gas not containing hydrogen. The reference space 112 is provided so that the electromotive force generated in the reference electrode 103 does not change depending on the measurement environment. In the case where fluctuations in electromotive force generated in the reference electrode 103 do not greatly affect the measurement, such as the measurement environment does not change significantly, the reference space 112 may not be provided, and the reference electrode 103 is exposed to the atmosphere. May be.

水素センサ100において、入口105から水素ガスを含む被検出ガスが導入され、検出用空間109を被検出ガスが満たし、過剰な被検出ガスが出口106から排出される。検出電極102を透過し、プロトン伝導体101と検出電極102との界面に到達する。この界面は、三相界面であり、以下の式に従って、被検出ガス中の水素が酸化され、プロトンが生成する。
2 → 2H+ + 2e-
In the hydrogen sensor 100, a detection gas containing hydrogen gas is introduced from the inlet 105, the detection gas 109 is filled with the detection gas, and excess detection gas is discharged from the outlet 106. The light passes through the detection electrode 102 and reaches the interface between the proton conductor 101 and the detection electrode 102. This interface is a three-phase interface. According to the following formula, hydrogen in the gas to be detected is oxidized and protons are generated.
H 2 → 2H + + 2e

生成したプロトンはプロトン伝導体101を拡散する。また、生成した電子は、検出電極102を伝導し、起電力が発生する。   The generated protons diffuse through the proton conductor 101. Further, the generated electrons are conducted through the detection electrode 102 and an electromotive force is generated.

この起電力は、基準電極103を基準とする電位差として、電圧計104によって検出される。被検出ガス中の水素ガスの濃度に応じて、上記プロトンの生成量は変化するため、検出電極102において生じる起電力は、被検出ガス中の水素ガスの濃度に応じて変化する。したがって、電圧計104によって検出される電圧により、被検出ガス中の水素ガスの濃度を測定することができる。例えば、水素濃度が既知である検量用の被検出ガスを用いて、電圧計104で電圧を測定し、検量線を作成することにより、任意の濃度で水素を含む被検出ガス中の水素濃度を測定することができる。   This electromotive force is detected by the voltmeter 104 as a potential difference with the reference electrode 103 as a reference. Since the amount of proton generation changes according to the concentration of hydrogen gas in the detection gas, the electromotive force generated at the detection electrode 102 changes according to the concentration of hydrogen gas in the detection gas. Therefore, the concentration of hydrogen gas in the gas to be detected can be measured by the voltage detected by the voltmeter 104. For example, by using a calibration gas having a known hydrogen concentration, measuring the voltage with the voltmeter 104 and creating a calibration curve, the hydrogen concentration in the gas to be detected containing hydrogen at an arbitrary concentration can be obtained. Can be measured.

上述したように、本開示の実施形態によれば、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、水素センサ100は、100℃以上500℃以下の温度域において、従来に比べて、大きな起電力が発生し、高い感度で水素ガスを検出することができる。また、被検出ガスが加湿されていなくても、高い精度で、被検出ガス中の水素を検出することが可能である。   As described above, according to the embodiment of the present disclosure, the proton conductor 101 has high proton conductivity even in a temperature range of 100 ° C. or more and 500 ° C. or less. Therefore, the hydrogen sensor 100 generates a larger electromotive force in the temperature range of 100 ° C. or more and 500 ° C. or less, and can detect hydrogen gas with high sensitivity. Further, even if the gas to be detected is not humidified, it is possible to detect hydrogen in the gas to be detected with high accuracy.

なお、本実施形態では、基準電極103は基準空間112内において密閉され、基準ガスに接しているが、水素センサは、基準電極103が被検出ガスに接しない構造を備えていてもよい。具体的には、図4に示すように、基準電極103の表面を、被検出ガスが透過しない材料によって構成されるコーティング113で覆っていてもよい。この場合、図4に示す水素センサ120は、全体を被検出ガスに曝すように配置しても、被検出ガス中の水素ガスの濃度を測定することが可能である。   In this embodiment, the reference electrode 103 is sealed in the reference space 112 and is in contact with the reference gas. However, the hydrogen sensor may have a structure in which the reference electrode 103 is not in contact with the gas to be detected. Specifically, as shown in FIG. 4, the surface of the reference electrode 103 may be covered with a coating 113 made of a material that does not transmit the gas to be detected. In this case, the hydrogen sensor 120 shown in FIG. 4 can measure the concentration of hydrogen gas in the gas to be detected even if it is disposed so as to be exposed to the gas to be detected.

また、本実施形態では、水素センサ100、120は、被検出ガス中の水素ガスの濃度を測定すると説明してきたが、水素センサ100、120は、液体中に溶け込んだ水素ガスを検出することも可能である。   In the present embodiment, the hydrogen sensors 100 and 120 have been described as measuring the concentration of the hydrogen gas in the gas to be detected. However, the hydrogen sensors 100 and 120 may detect the hydrogen gas dissolved in the liquid. Is possible.

本開示の実施形態による水素センサは、種々の産業分野や用途において、気体や液体中の水素ガスの濃度を測定することが可能である。   The hydrogen sensor according to the embodiment of the present disclosure can measure the concentration of hydrogen gas in a gas or liquid in various industrial fields and applications.

100、120 水素センサ
101 プロトン伝導体
102 検出電極
103 基準電極
104 電圧計
105 入口
106 出口
109 検出用空間
111 ケース
112 基準空間
113 コーティング
100, 120 Hydrogen sensor 101 Proton conductor 102 Detection electrode 103 Reference electrode 104 Voltmeter 105 Inlet 106 Outlet 109 Detection space 111 Case 112 Reference space 113 Coating

Claims (16)

組成式Aa1-xB’x3-δで表されるペロブスカイト型結晶構造を有するプロトン伝導体と、
前記プロトン伝導体に接して配置され、水素ガスを透過し、水素を酸化して、プロトンを生成する触媒作用を有する検出電極と、
前記プロトン伝導体に接して配置された基準電極と、
を備え、
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、水素センサ。
A proton conductor having a perovskite crystal structure represented by a composition formula A a B 1-x B ′ x O 3-δ ;
A sensing electrode that is disposed in contact with the proton conductor, has a catalytic action to transmit hydrogen gas, oxidize hydrogen, and generate protons;
A reference electrode disposed in contact with the proton conductor;
With
A is at least one selected from alkaline earth metals,
B is a tetravalent group 4 transition metal or Ce;
B ′ is a trivalent group 3 or group 13 element;
Hydrogen sensor satisfying 0.4 <a <0.9 and 0.2 <x <0.6.
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に記載の水素センサ。
A is at least one selected from Ba and Sr;
B is Zr;
B ′ is Y or In.
The hydrogen sensor according to claim 1.
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に記載の水素センサ。
The value of a is 0.4 <a <0.8,
The value of x is 0.3 <x <0.6,
The hydrogen sensor according to claim 1 or 2.
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に記載の水素センサ。
The value of a is 0.4 <a <0.8,
The value of x is 0.4 <x <0.6,
The hydrogen sensor according to claim 1 or 2.
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に記載の水素センサ。
The value of a is 0.4 <a <0.6,
The value of x is 0.4 <x <0.6,
The hydrogen sensor according to claim 1 or 2.
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に記載の水素センサ。
The value of a is 0.4 <a <0.5,
The value of x is 0.4 <x <0.6,
The hydrogen sensor according to claim 1 or 2.
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センサ。
Activation energy of proton conduction of the proton conductor in a temperature range of 100 ° C. or more and 500 ° C. or less is 0.1 eV or less.
The hydrogen sensor according to claim 1.
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に記載の水素センサ。
0.21 ≦ x ≦ 0.58,
a ≧ −0.054x + 0.441, and a ≦ −0.027x + 0.886
Is established,
The hydrogen sensor according to claim 1 or 2.
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センサ。
The proton conductor is composed of a single phase having a substantially uniform composition and crystal structure.
The hydrogen sensor according to claim 1.
前記検出電極は、Ti、Zr、Ta、Zn、Cr、Fe、Co、Al、Ni、Sn及びVからなる群から選ばれる少なくとも1つを有する金属又は合金を含む、
請求項1から9のいずれかに記載の水素センサ。
The detection electrode includes a metal or alloy having at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Ta, Zn, Cr, Fe, Co, Al, Ni, Sn, and V.
The hydrogen sensor according to claim 1.
前記検出電極は、Ti、Zr、Ta、Zn、Cr、Fe、Co、Al、Ni、Sn及びVからなる群から選ばれる少なくとも1つ有する酸化物を含む、
請求項1から9のいずれかに記載の水素センサ。
The detection electrode includes an oxide having at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Ta, Zn, Cr, Fe, Co, Al, Ni, Sn, and V.
The hydrogen sensor according to claim 1.
前記検出電極は、
Ti、Zr、Ta、Zn、Cr、Fe、Co、Al、Ni、Sn及びVからなる群から選ばれる少なくとも1つと、
B、C及びNからなる群から選ばれる少なくとも1つと
を有する金属間化合物を含む、
請求項1から9のいずれかに記載の水素センサ。
The detection electrode is
At least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Ta, Zn, Cr, Fe, Co, Al, Ni, Sn and V;
An intermetallic compound having at least one selected from the group consisting of B, C and N,
The hydrogen sensor according to claim 1.
前記基準電極は、水素ガスを透過しない構造を備えている、
請求項1から12のいずれかに記載の水素センサ。
The reference electrode has a structure that does not transmit hydrogen gas.
The hydrogen sensor according to claim 1.
前記基準電極は、水素よりイオン化傾向の小さい金属、又は、水素よりイオン化傾向の小さい金属を含む合金を含む、
請求項1から13のいずれかに記載の水素センサ。
The reference electrode includes a metal having a lower ionization tendency than hydrogen or an alloy including a metal having a lower ionization tendency than hydrogen.
The hydrogen sensor according to claim 1.
前記基準電極は、Cu、Ir、Pt及びAuからなる群から選ばれる少なくとも1つを有する金属又は合金を含む、
請求項1から13のいずれかに記載の水素センサ。
The reference electrode includes a metal or alloy having at least one selected from the group consisting of Cu, Ir, Pt and Au.
The hydrogen sensor according to claim 1.
前記基準電極は、
Cu、Ir、Pt及びAuからなる群から選ばれる少なくとも1つと、
B、C及びNからなる群から選ばれる、少なくとも1つと
を有する金属間化合物を含む、
請求項1から13のいずれかに記載の水素センサ。
The reference electrode is
At least one selected from the group consisting of Cu, Ir, Pt and Au;
Including at least one intermetallic compound selected from the group consisting of B, C and N,
The hydrogen sensor according to claim 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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CN117923737A (en) * 2024-03-22 2024-04-26 四川思达能环保科技有限公司 Seawater treatment system and seawater treatment method
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