JP2015149244A - fuel cell - Google Patents
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Description
本開示は、燃料電池に関する。本開示は、特に、プロトン伝導体を備える燃料電池に関する。 The present disclosure relates to fuel cells. The present disclosure particularly relates to a fuel cell 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’xＯ3-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-xＹxＯ3-δ又は組成式ＢａＣｅ1-xＹxＯ3-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-XＭXＯ3-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.
一方、プロトン伝導性を有する固体高分子膜も知られている。特許文献２に、このような固体高分子膜を用いた燃料電池が開示されている。特許文献２に記載の技術では、燃料として、有機ハイドライド（シクロヘキサン、デカリン等）が供給される。 On the other hand, solid polymer membranes having proton conductivity are also known. Patent Document 2 discloses a fuel cell using such a solid polymer membrane. In the technique described in Patent Document 2, organic hydride (cyclohexane, decalin, etc.) is supplied as fuel.
水素ガスを用いずに発電を実行し得、かつ実用性が向上された燃料電池を提供する。 Provided is a fuel cell that can execute power generation without using hydrogen gas and has improved practicality.
本開示の燃料電池の一態様は、燃料をアノードに供給し、酸素ガスを含有する気体をカソードに供給することにより、発電する燃料電池であって、脱水素化触媒を含むアノードと、前記気体中の酸素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ＡaＢ1-xＢ’xＯ3-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。 One aspect of the fuel cell of the present disclosure is a fuel cell that generates power by supplying fuel to an anode and supplying a gas containing oxygen gas to a cathode, the anode including a dehydrogenation catalyst, and the gas A cathode including a catalyst for reducing oxygen therein, and a proton conductor disposed between the anode and the cathode, the proton conductor having a composition formula A a B 1-x B ′ x O 3− a perovskite crystal structure represented by δ , wherein A is at least one selected from alkaline earth metals, B is a tetravalent group 4 transition metal or Ce, and B 'Is a trivalent group 3 or group 13 element, and satisfies 0.4 <a <0.9 and 0.2 <x <0.6.
本開示の実施形態によれば、水素ガスを用いずに発電を実行し得、かつ実用性が向上された燃料電池が提供される。 According to the embodiment of the present disclosure, a fuel cell that can execute power generation without using hydrogen gas and has improved utility is provided.
（有機ハイドライドについて）
芳香族炭化水素化合物であるベンゼン、トルエン、ビフェニル、ナフタレン、１−メチルナフタレン、２−エチルナフタレンを水素化すると、それぞれ、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、ビシクロヘキシル、デカリン、１−メチルデカリン及び２−エチルデカリンが得られる。上記のような被水素化物（例えばベンゼン）を用いることにより、水素を水素化物（例えばシクロヘキサン）の形で貯蔵することができる。また、アセトンを水素化すると、２−プロパノールが得られる。したがって、アセトンを用いて水素を２−プロパノールの形で貯蔵することが可能である。本明細書では、上記に例示したようなベンゼン、アセトン等の水素化により得られる水素化物（シクロヘキサン、２−プロパノール等）を有機ハイドライドと称する。
(About organic hydride)
Hydrogenation of aromatic hydrocarbon compounds benzene, toluene, biphenyl, naphthalene, 1-methylnaphthalene and 2-ethylnaphthalene results in cyclohexane, methylcyclohexane, bicyclohexyl, decalin, 1-methyldecalin and 2-ethyldecalin, respectively. Is obtained. By using the hydride (eg, benzene) as described above, hydrogen can be stored in the form of a hydride (eg, cyclohexane). Further, when acetone is hydrogenated, 2-propanol is obtained. It is therefore possible to store hydrogen in the form of 2-propanol using acetone. In this specification, the hydride (cyclohexane, 2-propanol, etc.) obtained by hydrogenating benzene, acetone, etc. as exemplified above is referred to as organic hydride.
有機ハイドライドの脱水素化により、有機ハイドライドから水素を取り出すことが可能である。例えばシクロヘキサンの脱水素化により、水素ガスが得られる。このとき、脱水素化物としてベンゼンが生成される。シクロヘキサンの脱水素化により生じたベンゼンは、水素化によりシクロヘキサンに変換することができ、したがって、水素の貯蔵に再度利用することが可能である。 By dehydrogenating the organic hydride, hydrogen can be extracted from the organic hydride. For example, hydrogen gas is obtained by dehydrogenation of cyclohexane. At this time, benzene is produced as a dehydrogenated product. The benzene produced by the dehydrogenation of cyclohexane can be converted to cyclohexane by hydrogenation and can therefore be reused for hydrogen storage.
（有機ハイドライドを燃料として用いる発電について）
従来、電解質中を移動するイオンとしてプロトンを用いた燃料電池が知られている。このような燃料電池として、例えば、パーフルオロカーボン材料からなるプロトン伝導性固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子型燃料電池が知られている。また、固体高分子型燃料電池の燃料として有機ハイドライドを用いることも知られている（例えば特許文献２参照）。燃料として有機ハイドライドを用いることにより、取り扱いの難しい水素ガスを用いずに発電を行えるという利点が得られる。また、発電によって生成される、有機ハイドライドの脱水素化物を水素の貯蔵に再度利用することができるという利点も得られる。
(About power generation using organic hydride as fuel)
Conventionally, fuel cells using protons as ions moving through an electrolyte are known. As such a fuel cell, for example, a polymer electrolyte fuel cell using a proton conductive solid polymer membrane made of a perfluorocarbon material as an electrolyte is known. It is also known to use organic hydride as a fuel for a polymer electrolyte fuel cell (see, for example, Patent Document 2). By using organic hydride as a fuel, there is an advantage that power generation can be performed without using hydrogen gas which is difficult to handle. In addition, there is an advantage that the organic hydride dehydrogenated product generated by power generation can be reused for hydrogen storage.
前述のプロトン伝導性固体高分子膜は、１００℃以下の温度域において、かつ、湿潤した状態において良好なプロトン伝導性を示す。そのため、固体高分子型燃料電池では、動作時、例えばアノード又はカソードを介して固体高分子膜に水分が供給される。 The aforementioned proton-conducting solid polymer membrane exhibits good proton conductivity in a temperature range of 100 ° C. or lower and in a wet state. Therefore, in the polymer electrolyte fuel cell, during operation, moisture is supplied to the polymer electrolyte membrane via, for example, the anode or the cathode.
しかしながら、常圧、１００℃以下の温度では、有機ハイドライドの脱水素化が起こりにくく、したがって発電によって高い電流値を得にくい。また、固体高分子膜が湿潤した状態であると、アノードに供給された有機ハイドライドの脱水素化物に水分が混ざってしまう。そのため、水分が混入することにより脱水素化物の純度が低下してしまい、脱水素化物を水素化して有機ハイドライドとして再利用することが難しい。さらに、固体高分子膜が有機ハイドライド及び／又はその脱水素化物によって溶解するおそれがあり、安定した発電が困難である。 However, at a normal pressure and a temperature of 100 ° C. or lower, the organic hydride is hardly dehydrogenated, and thus it is difficult to obtain a high current value by power generation. Further, when the solid polymer membrane is in a wet state, water is mixed with the dehydration product of the organic hydride supplied to the anode. For this reason, the purity of the dehydrogenated product decreases due to the mixing of moisture, and it is difficult to hydrogenate the dehydrogenated product and reuse it as an organic hydride. In addition, the solid polymer membrane may be dissolved by the organic hydride and / or its dehydrogenated product, and stable power generation is difficult.
なお、有機ハイドライドを燃料として用いて発電を行う場合、有機ハイドライド及び／又は有機ハイドライドの脱水素化物の変質を抑制するために、作動温度は３００℃以下の温度域であることが好ましい。上述したような従来知られた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ため、有機ハイドライドを燃料として用いる燃料電池には適当でないといえる。 In addition, when performing an electric power generation using an organic hydride as a fuel, in order to suppress deterioration of an organic hydride and / or the dehydrogenation thing of an organic hydride, it is preferable that operating temperature is a 300 degrees C or less temperature range. Conventional perovskite proton conductive oxides as described above are not suitable for fuel cells using organic hydride as fuel because they exhibit practical proton conductivity at temperatures of 600 ° C. or higher.
以上の理由から、有機ハイドライドを燃料として用いて、１００℃以上３００℃以下の温度域において発電を実行し得る、実用的な燃料電池が求められている。 For the above reasons, there is a need for a practical fuel cell that can generate power in a temperature range of 100 ° C. or higher and 300 ° C. or lower using organic hydride as a fuel.
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燃料電池を想到した。 The present inventor has found a proton conductive oxide that maintains a high proton conductivity even in a temperature range of 100 ° C. or higher and 500 ° C. or lower by intensive research, and uses such a proton conductive oxide as an electrolyte. I came up with a fuel cell.
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燃料電池は、燃料をアノードに供給し、酸素ガスを含有する気体をカソードに供給することにより、発電する燃料電池であって、脱水素化触媒を含むアノードと、前記気体中の酸素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ＡaＢ1-xＢ’xＯ3-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。 A fuel cell which is one embodiment of the present invention is a fuel cell that generates power by supplying fuel to an anode and supplying a gas containing oxygen gas to a cathode, the anode including a dehydrogenation catalyst; A cathode including a catalyst for reducing oxygen in a gas; and a proton conductor disposed between the anode and the cathode, the proton conductor having a composition formula A a B 1-x B ′ x O 3 a perovskite crystal structure represented by -δ , wherein 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, and satisfies 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.
前記脱水素化触媒は、Ｎｉ、Ｐｔ及びＰｄ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。 The dehydrogenation catalyst may be a metal or alloy containing at least one selected from the group consisting of Ni, Pt and Pd.
前記脱水素化触媒は、Ｎｉ、Ｐｔ及びＰｄ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。 The dehydrogenation catalyst may be an oxide containing at least one selected from the group consisting of Ni, Pt and Pd.
前記アノードは、担体をさらに含んでいてもよい。前記担体は、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、又はＺｒＯ2から構成されていてもよい。前記脱水素化触媒は、Ｎｉ、Ｐｔ及びＰｄ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。前記脱水素化触媒は、前記担体の表面上に担持されていてもよい。 The anode may further include a support. The carrier may be composed of Al 2 O 3 , SiO 2 , or ZrO 2 . The dehydrogenation catalyst may be a metal or alloy containing at least one selected from the group consisting of Ni, Pt and Pd. The dehydrogenation catalyst may be supported on the surface of the support.
前記酸素を還元する触媒は、Ｐｔ及びＲｕ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。 The catalyst for reducing oxygen may be a metal or alloy containing at least one selected from the group consisting of Pt and Ru.
前記酸素を還元する触媒は、Ｐｔ及びＲｕ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。 The catalyst for reducing oxygen may be an oxide containing at least one selected from the group consisting of Pt and Ru.
前記酸素を還元する触媒は、Ｃｏ、Ｆｅ及びＭｎ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。 The catalyst for reducing oxygen may be an oxide containing at least one selected from the group consisting of Co, Fe and Mn.
前記酸素を還元する触媒は、組成式ＣＤＯ3-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。 The catalyst for reducing oxygen may be an oxide having a perovskite crystal structure represented by a composition formula CDO 3 -δ . The C may include at least one selected from the group consisting of Ba, Sr, Ca, La and Sm. The D may include at least one selected from the group consisting of Zr and Ce and Ru, or may include at least one selected from the group consisting of Ni, Fe, Co, and Mn.
前記酸素を還元する触媒は、組成式Ｌａ2-wＳｒwＮｉＯ4-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≦ｗ≦０．５が満たされてもよい。 The catalyst for reducing oxygen may be an oxide having a K 2 NiF 4 crystal structure represented by a composition formula La 2-w Sr w NiO 4-δ . 0 ≦ w ≦ 0.5 may be satisfied.
前記酸素を還元する触媒は、組成式ＥＦ1-zＦ’zＯ3-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＜ｚ＜０．８０が満たされてもよい。 Catalyst for reducing the oxygen may be an oxide having a perovskite crystal structure expressed by a composition formula EF 1-z F 'z O 3-δ. The E may include at least one selected from the group consisting of Ba, Sr and Ca. The F may include at least one selected from the group consisting of Zr and Ce and Ru. F ′ may be Y or In or a trivalent lanthanoid element. 0.10 <z <0.80 may be satisfied.
本開示による燃料電池の実施形態を説明する前に、この燃料電池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 fuel cell according to the present disclosure, a proton conductive oxide used in the fuel cell 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’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。 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燃料電池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 fuel cell according to the embodiment of the present disclosure will be described.
本開示の実施形態による燃料電池に用いられるプロトン伝導性酸化物は、組成式ＡaＢ1-xＢ’xＯ3-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 fuel cell 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燃料電池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燃料電池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 fuel cell 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 fuel cell 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.
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（ＡaＢ1-xＢ’xＯ3-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（ＡaＢ1-xＢ’xＯ3-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（ＡaＢ1-xＢ’xＯ3-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（ＡaＢ1-xＢ’xＯ3-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（ＡaＢ1-xＢ’xＯ3-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（ＡaＢ1-xＢ’xＯ3-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（ＡaＢ1-xＢ’xＯ3-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（ＡaＢ1-xＢ’xＯ3-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（ＡaＢ1-xＢ’xＯ3-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（ＡaＢ1-xＢ’xＯ3-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（ＡaＢ1-xＢ’xＯ3-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（ＡaＢ1-xＢ’xＯ3-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（ＡaＢ1-xＢ’xＯ3-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（ＡaＢ1-xＢ’xＯ3-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（ＡaＢ1-xＢ’xＯ3-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（ＡaＢ1-xＢ’xＯ3-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（Ｙ2Ｏ3）も検出された。表１に示すように、この酸化物（ＡaＢ1-xＢ’xＯ3-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（ＡaＢ1-xＢ’xＯ3-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.
（燃料電池の実施形態）
以下、図３を参照しながら、本開示の実施形態による燃料電池の構成及び動作を説明する。
(Embodiment of fuel cell)
Hereinafter, the configuration and operation of the fuel cell according to the embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG. 3.
図３に示す燃料電池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、燃料電池１００は、有機ハイドライドを用いる発電に適した、例えば１００℃以上３００℃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を備える燃料電池１００では、プロトン伝導性固体高分子膜を電解質として用いる場合とは異なり、アノード１０２又はカソード１０３から電解質（ここではプロトン伝導体１０１）に積極的に水分を供給する必要はない。
A
図３に例示する構成では、アノード１０２とカソード１０３とは、プロトン伝導体１０１を挟むようにして配置されている。すなわち、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。
In the configuration illustrated in FIG. 3, the
アノード１０２は、脱水素化触媒を含む。すなわち、アノード１０２は、有機ハイドライドを含有する気体又は液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、及びＰｄ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。
The
アノード１０２に含まれる触媒として、Ｎｉ、Ｐｔ、及びＰｄ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を用いる場合、触媒は、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＺｒＯ2等からなる担体の表面上に担持されていてもよい。すなわち、アノード１０２は、担体をさらに含み得る。担体の材料に特に限定はない。Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、及びＺｒＯ2は、アノード１０２の形成が容易な担体の例である。また、担体の形状に特に限定はなく、アノード１０２に含まれる触媒と外部負荷１０４との間の電気的接続が確保できればよい。アノード１０２が担体を含むことにより、より広い面積に触媒を分散させることができる。
When a metal or an alloy containing at least one selected from the group consisting of Ni, Pt, and Pd is used as the catalyst contained in the
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。
The
カソード１０３は、酸素ガスを含有する気体中の酸素を還元し、プロトンと電子とが反応することができる触媒を含む。カソード１０３に含まれる触媒の例は、Ｐｔ及びＲｕからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む、金属、合金若しくは酸化物、又は、Ｃｏ、Ｆｅ及びＭｎ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。
The
カソード１０３に含まれる触媒の他の例は、組成式ＡＢＯ3-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、Ｌａ1-xＳｒxＦｅＯ3-δ（０≦ｘ≦１．０）、Ｌａ1-xＳｒxＣｏ1-yＦｅyＯ3-δ（０≦ｘ≦１．０、０．１≦ｙ≦０．８）、Ｌａ1-xＳｒxＭｎＯ3-δ（０≦ｘ≦０．４）、Ｓｍ1-xＳｒxＣｏＯ3-δ（０．２＜ｘ＜０．８）、Ｂａ1-xＳｒxＣｏ1-yＦｅyＯ3-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、Ｌａ2-xＳｒxＮｉＯ4-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。
Another example of the catalyst contained in the
カソード１０３に含まれる触媒として、以下に示すような、組成式ＡＢ1-xＢ’xＯ3-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も用い得る。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。
As the catalyst contained in the
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。
The
図３に例示する構成では、燃料電池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流体入口１０７及び第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。
In the configuration illustrated in FIG. 3, the
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。同様に、カソード側反応容器１１２内には、第２流路１１０が設けられており、第２流体入口１０７から導入された流体は、第２流路１１０を介して第２流体出口１０８に向かって流れる。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。
In the example shown in the figure, a
図示する構成では、燃料電池１００の動作時、第１流体入口１０５を介して、第１流路１０９に、有機ハイドライドを含有する気体又は液体が導入される。２種以上の有機ハイドライドの混合体も用いられ得る。また、第２流体入口１０７を介して、第２流路１１０に酸素を含有する気体（典型的には酸素ガス又は空気）が導入される。有機ハイドライドを含有する気体又は液体と、酸素を含有する気体とを導入するために、第１流体入口１０５、第１流体出口１０６、第２流体入口１０７及び第２流体出口１０８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。
In the illustrated configuration, a gas or liquid containing organic hydride is introduced into the
燃料電池１００は、有機ハイドライドを含有する気体又は液体をアノード１０２に供給し、酸素ガスを含有する気体をカソード１０３に供給することにより発電する。第１流体入口１０５から例えば有機ハイドライドを導入するとともに、第２流体入口１０７から例えば酸素ガスを導入することにより、一端がアノード１０２に接続され、他端がカソード１０３に接続された外部負荷１０４に電流が流れる。すなわち、アノード１０２及びカソード１０３を介して、燃料電池１００において発生した電力を取り出すことができる。
The
第１流体入口１０５から例えば液体の有機ハイドライド（ここではメチルシクロヘキサン）を導入し、第１流路１０９において有機ハイドライドをアノード１０２に接触させる。なお、有機ハイドライドを霧状にしてアノード１０２に噴霧してもよい。また、有機ハイドライドの気体又は蒸気を含有する気体をアノード１０２に供給してもよい。アノード１０２に供給される気体は、例えば、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、ヘリウムガス等を含んでいてもよい。これにより、有機ハイドライド（ここではメチルシクロヘキサン）からプロトンが引き抜かれる。
For example, liquid organic hydride (here, methylcyclohexane) is introduced from the first
アノード１０２では、以下の式（１）に示す反応が進行する。
Ｃ7Ｈ14→Ｃ7Ｈ8＋６Ｈ+＋６ｅ- （１）
In the
C 7 H 14 → C 7 H 8 + 6H + + 6e − (1)
有機ハイドライド（ここではメチルシクロヘキサン）の脱水素化物（ここではトルエン）は、第１流体出口１０６を介して排出される。第１流体出口１０６を介して排出される脱水素化物は、水素化により、有機ハイドライドとして再利用可能である。なお、燃料電池１００は、動作時、例えば２００℃程度の温度で運転される。したがって、有機ハイドライド及び／又はその脱水素化物の変質を抑制し得る。
A dehydrogenated product (here, toluene) of organic hydride (here, methylcyclohexane) is discharged through the first
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。
Protons generated at the
第２流体入口１０７から例えば酸素ガスを導入し、第２流路１１０において酸素ガスをカソード１０３に接触させる。酸素ガスは、積極的に加湿されていなくてもよい。酸素ガスをカソード１０３に接触させることにより、カソード１０３では、以下の式（２）に示す反応が進行する。
４Ｈ+＋Ｏ2＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ （２）
For example, oxygen gas is introduced from the second
4H + + O 2 + 4e − → 2H 2 O (2)
第１流体入口１０５から導入された有機ハイドライドのうち、発電に使用されなかった有機ハイドライドは、第１流体出口１０６を介して排出される。この残余の有機ハイドライドを回収して第１流体入口１０５から第１流路１０９に再度導入してもよい。同様に、第２流体入口１０７から導入された酸素ガスのうち、発電に使用されなかった酸素ガスは第２流体出口１０８を介して排出される。この残余の酸素ガスを回収して第２流体入口１０７から第２流路１１０に再度導入してもよい。カソード１０３において生成した水は、第２流体出口１０８を介して排出されてもよいし、カソード側反応容器１１２に他の排出口（不図示）を設け、この排出口から排出されてもよい。なお、燃料（ここでは有機ハイドライド）と、酸素を含有する気体とを導入するための流路は、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。例えば、第１流体入口１０５及び第１流体出口１０６のそれぞれの配置は、有機ハイドライド及びその脱水素化物のそれぞれの比重を考慮して設計され得る。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。
Of the organic hydride introduced from the first
以上に説明したように、本開示の実施形態によれば、有機ハイドライドを燃料として用い、１００℃以上３００℃以下の温度域においても発電を実行し得る、実用的な燃料電池を提供できる。本開示の実施形態によれば、３００℃以下の温度域において燃料電池を運転できるので、有機ハイドライド及び／又はその脱水素化物の変質を抑制しつつ、比較的高い出力を得ることができる。また、電解質を湿潤した状態に保つ必要がないので、水分の混入が抑制され、したがって有機ハイドライドの脱水素化物を再利用することが容易である。 As described above, according to the embodiment of the present disclosure, it is possible to provide a practical fuel cell that uses organic hydride as a fuel and can generate power even in a temperature range of 100 ° C. or higher and 300 ° C. or lower. According to the embodiment of the present disclosure, since the fuel cell can be operated in a temperature range of 300 ° C. or lower, it is possible to obtain a relatively high output while suppressing deterioration of the organic hydride and / or its dehydrogenated product. Further, since it is not necessary to keep the electrolyte in a moist state, mixing of moisture is suppressed, and therefore, it is easy to reuse the dehydride of organic hydride.
本開示の実施形態による燃料電池は、家庭用、業務用等の燃料電池として有用である。また、本開示の実施形態によれば、有機ハイドライドの形で貯蔵された水素を、水素ガスの形で取り出すことなく発電に用いることができ、有機ハイドライドの脱水素化物を容易に再利用することができる。 The fuel cell according to the embodiment of the present disclosure is useful as a fuel cell for home use, business use, and the like. Further, according to the embodiment of the present disclosure, hydrogen stored in the form of organic hydride can be used for power generation without taking out in the form of hydrogen gas, and the dehydrated product of organic hydride can be easily reused. Can do.
１００ 燃料電池
１０１ プロトン伝導体
１０２ アノード
１０３ カソード
１０４ 外部負荷
１０５ 第１流体入口
１０６ 第１流体出口
１０７ 第２流体入口
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
DESCRIPTION OF
Claims (18)
脱水素化触媒を含むアノードと、
前記気体中の酸素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ＡaＢ1-xＢ’xＯ3-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、燃料電池。 A fuel cell that generates power by supplying fuel to an anode and supplying a gas containing oxygen gas to a cathode,
An anode containing a dehydrogenation catalyst;
A cathode containing a catalyst for reducing oxygen in the gas;
A proton conductor disposed between the anode and the cathode,
The proton conductor has a perovskite crystal structure represented by a composition formula A a B 1-x B ′ x O 3-δ
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;
A fuel cell satisfying 0.4 <a <0.9 and 0.2 <x <0.6.
前記Ｂは、Ｚｒであり、
前記Ｂ’は、Ｙ又はＩｎである、
請求項１に記載の燃料電池。 A is at least one selected from Ba and Sr;
B is Zr;
B ′ is Y or In.
The fuel cell according to claim 1.
前記ｘの値が、０．３＜ｘ＜０．６である、
請求項１又は２に記載の燃料電池。 The value of a is 0.4 <a <0.8,
The value of x is 0.3 <x <0.6,
The fuel cell according to claim 1 or 2.
前記ｘの値が、０．４＜ｘ＜０．６である、
請求項１又は２に記載の燃料電池。 The value of a is 0.4 <a <0.8,
The value of x is 0.4 <x <0.6,
The fuel cell according to claim 1 or 2.
前記ｘの値が、０．４＜ｘ＜０．６である、
請求項１又は２に記載の燃料電池。 The value of a is 0.4 <a <0.6,
The value of x is 0.4 <x <0.6,
The fuel cell according to claim 1 or 2.
前記ｘの値が、０．４＜ｘ＜０．６である、
請求項１又は２に記載の燃料電池。 The value of a is 0.4 <a <0.5,
The value of x is 0.4 <x <0.6,
The fuel cell according to claim 1 or 2.
請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池。 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 fuel cell according to any one of claims 1 to 6.
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に記載の燃料電池。 0.21 ≦ x ≦ 0.58,
a ≧ −0.054x + 0.441, and a ≦ −0.027x + 0.886
Is established,
The fuel cell according to claim 1 or 2.
請求項１から８のいずれかに記載の燃料電池。 The proton conductor is composed of a single phase having a substantially uniform composition and crystal structure.
The fuel cell according to any one of claims 1 to 8.
請求項１から９のいずれかに記載の燃料電池。 The dehydrogenation catalyst is a metal or alloy containing at least one selected from the group consisting of Ni, Pt and Pd.
The fuel cell according to any one of claims 1 to 9.
請求項１から９のいずれかに記載の燃料電池。 The dehydrogenation catalyst is an oxide containing at least one selected from the group consisting of Ni, Pt and Pd.
The fuel cell according to any one of claims 1 to 9.
前記担体は、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、又はＺｒＯ2から構成されており、
前記脱水素化触媒は、Ｎｉ、Ｐｔ及びＰｄ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り、前記担体の表面上に担持されている、
請求項１から９のいずれかに記載の燃料電池。 The anode further includes a support,
The carrier is composed of Al 2 O 3 , SiO 2 , or ZrO 2 ,
The dehydrogenation catalyst is a metal or alloy containing at least one selected from the group consisting of Ni, Pt and Pd, and is supported on the surface of the support.
The fuel cell according to any one of claims 1 to 9.
請求項１から９のいずれかに記載の燃料電池。 The catalyst for reducing oxygen is a metal or alloy containing at least one selected from the group consisting of Pt and Ru.
The fuel cell according to any one of claims 1 to 9.
請求項１から９のいずれかに記載の燃料電池。 The oxygen reducing catalyst is an oxide containing at least one selected from the group consisting of Pt and Ru.
The fuel cell according to any one of claims 1 to 9.
請求項１から９のいずれかに記載の燃料電池。 The catalyst for reducing oxygen is an oxide containing at least one selected from the group consisting of Co, Fe and Mn.
The fuel cell according to any one of claims 1 to 9.
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燃料電池。 The catalyst for reducing oxygen is an oxide having a perovskite crystal structure represented by a composition formula CDO 3-δ ,
C includes at least one selected from the group consisting of Ba, Sr, Ca, La and Sm,
The D includes at least one selected from the group consisting of Zr and Ce and Ru, or includes at least one selected from the group consisting of Ni, Fe, Co, and Mn.
The fuel cell according to any one of claims 1 to 9.
０≦ｗ≦０．５を満たす、
請求項１から９のいずれかに記載の燃料電池。 The catalyst for reducing oxygen is an oxide having a K 2 NiF 4 crystal structure represented by a composition formula La 2-w Sr w NiO 4-δ ,
Satisfies 0 ≦ w ≦ 0.5,
The fuel cell according to any one of claims 1 to 9.
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＜ｚ＜０．８０を満たす、
請求項１から９のいずれかに記載の燃料電池。
The catalyst for reducing oxygen is an oxide having a perovskite crystal structure represented by a composition formula EF 1-z F ′ z O 3−δ ,
E includes at least one selected from the group consisting of Ba, Sr and Ca,
F includes at least one selected from the group consisting of Zr and Ce and Ru.
F ′ is Y or In or a trivalent lanthanoid element;
Satisfies 0.10 <z <0.80,
The fuel cell according to any one of claims 1 to 9.
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