JP6253016B2 - 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'x3-δで表されるペロブスカイト型プロトン伝導体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-conducting solid electrolytes, a number of perovskite proton conductors 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または組成式BaCe1-xx3-δである。ここで、Aがバリウム(Ba)であり、BがZrまたは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、ジルコニウムおよ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、サマリウムおよ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.

特開2008−23404号公報JP 2008-23404 A 特開2003−45449号公報JP 2003-45449 A

Nature materials Vol9(October 2010) 846〜852Nature materials Vol9 (October 2010) 846-852

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Aa1-xB'x3-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、2族元素から選択される少なくとも1つであり、前記Bは、4族の元素およびCeから選択される少なくとも1つであり、前記B'は、3族元素、13族元素またはランタノイド元素であり、0.5<a≦1.0、0.0≦x≦0.5、かつ0.0≦δ<3であり、前記組成式の電荷は、−0.13以上+0.14未満の範囲で電気的中性からずれている。 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− having a perovskite crystal structure represented by δ , wherein A is at least one selected from Group 2 elements, and B is at least one selected from Group 4 elements and Ce; B ′ is a group 3, element 13 or lanthanoid element, 0.5 <a ≦ 1.0, 0.0 ≦ x ≦ 0.5, and 0.0 ≦ δ <3, The charge of the composition formula has a range of −0.13 or more and less than +0.14. In deviates from electroneutrality.

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.

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燃料電池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 fuel cell by an embodiment of this indication.

(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Aa1-xB'x3-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、2族元素から選択される少なくとも1つであり、前記Bは、4族の元素およびCeから選択される少なくとも1つであり、前記B'は、3族元素、13族元素またはランタノイド元素であり、0.5<a≦1.0、0.0≦x≦0.5、かつ0.0≦δ<3であり、前記組成式の電荷は、−0.13以上+0.14未満の範囲で電気的中性からずれている。 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 , wherein A is at least one selected from Group 2 elements, and B is at least one selected from Group 4 elements and Ce B ′ is a group 3 element, group 13 element or lanthanoid element, and 0.5 <a ≦ 1.0, 0.0 ≦ x ≦ 0.5, and 0.0 ≦ δ <3, The charge of the composition formula is −0.13 or more and less than +0.14 It deviates from the electrically neutral range.

前記Aは、Ba、SrおよびCaからなる群から選ばれる少なくとも1つであり、前記Bは、Zr、CeおよびTiからなる群から選ばれる少なくとも1つであり、前記B'は、Yb、Y、NdおよびはInからなる群から選ばれる1つであってもよい。   The A is at least one selected from the group consisting of Ba, Sr and Ca, the B is at least one selected from the group consisting of Zr, Ce and Ti, and the B ′ is Yb, Y , Nd and may be one selected from the group consisting of In.

x=0であり、前記組成式の電荷は、0より大きく0.14未満の範囲で電気的中性からずれていてもよい。   x = 0, and the charge of the composition formula may deviate from electrical neutrality in a range greater than 0 and less than 0.14.

0.0<x≦0.50であり、前記組成式の電荷は、−0.13以上0未満の範囲で電気的中性からずれていてもよい。   0.0 <x ≦ 0.50, and the charge of the composition formula may deviate from electrical neutrality in a range of −0.13 or more and less than 0.

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、Al23、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り、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 is a metal or alloy containing at least one selected from the group consisting of Ni, Pt and Pd, and 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KNiF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。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 perovskite 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’z3-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)
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サイトと呼んでも良い。
(Perovskite structure)
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良い。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(原子数比)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 (atom ratio) 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体では、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、プロトン伝導体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体では、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、プロトン伝導体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 conductor having a perovskite structure, when B, which is a tetravalent element, is substituted with B ′, which is a trivalent element, oxygen deficiency occurs in the proton conductor. 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 conductor having such a composition, it is considered that a proton conducting carrier is introduced into the proton conductor by introducing a water molecule (H 2 O) into the oxygen deficient position (O site). Yes.

従来のプロトン伝導体内では、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 a conventional proton conductor, proton conductivity is considered to be expressed by hopping conduction of protons 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、プロトン伝導体が、10-2S/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 for the proton conductor to maintain a high proton conductivity of 10 −2 S / cm (Siemens / centimeter) or more even in a temperature range of 100 ° C. or more and 500 ° C. or less, the activation energy of the proton conductivity should be increased. It is desired to suppress a decrease in proton conductivity accompanying a decrease in temperature by setting it 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体において、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 conductor, 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ことを見出した。これにより、上述したように従来よりも多くの酸素が欠損したサイトをプロトン伝導体内に設けることができる。また、さらに、酸素欠損の位置に水分子を導入したり、酸素の周辺にプロトンを導入し、ペロブスカイト構造を構成する組成式の電荷を電気的中性からずらすことによって、プロトンキャリアの濃度または密度を高められることを見出した。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体が得られた。本発明の一態様の概要は以下の通りである。   As a method for introducing more proton carriers, the present inventor has found that an effect similar to an increase in the composition ratio of the B ′ element can be obtained by decreasing the composition ratio of the A element. As a result, as described above, a site in which more oxygen is lost than in the prior art can be provided in the proton conductor. In addition, the concentration or density of proton carriers can be obtained by introducing water molecules at the position of oxygen deficiency, introducing protons around oxygen, and shifting the charge of the composition formula constituting the perovskite structure from electrical neutrality. It was found that it can be improved. As a result, a perovskite proton conductor having high proton conductivity was obtained. The outline of one embodiment of the present invention is as follows.

本発明の一態様であるプロトン伝導体は、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であって、前記Aは、2族元素から選択される少なくとも1つであり、前記Bは、4族の元素およびCeから選択される少なくとも1つであり、前記B'は、3族元素、13族元素またはランタノイド元素であり、0.5<a≦1.0、0.0≦x≦0.5、かつ0.0≦δ<3であり、前記組成式の電荷は、−0.13以上+0.14未満の範囲で電気的中性からずれている。 The proton conductor according to one embodiment of the present invention is a proton conductor having a perovskite crystal structure represented by a composition formula A a B 1-x B ′ x O 3−δ , wherein the A is a group 2 At least one selected from elements, B is at least one selected from Group 4 elements and Ce, B ′ is a Group 3, 13 or lanthanoid element; .5 <a ≦ 1.0, 0.0 ≦ x ≦ 0.5, and 0.0 ≦ δ <3, and the charge of the composition formula is in the range of −0.13 or more and less than +0.14. Deviation from target neutrality.

前記Aは、Ba、SrおよびCaからなる群から選ばれる少なくとも1つであり、前記Bは、Zr、CeおよびTiからなる群から選ばれる少なくとも1つであり、前記B'は、Yb、Y、NdおよびはInからなる群から選ばれる1つであってもよい。   The A is at least one selected from the group consisting of Ba, Sr and Ca, the B is at least one selected from the group consisting of Zr, Ce and Ti, and the B ′ is Yb, Y , Nd and may be one selected from the group consisting of In.

x=0であり、前記組成式の電荷は、0より大きく0.14未満の範囲で電気的中性からずれていてもよい。   x = 0, and the charge of the composition formula may deviate from electrical neutrality in a range greater than 0 and less than 0.14.

0.0<x≦0.50であり、前記組成式の電荷は、−0.13以上0未満の範囲で電気的中性からずれていてもよい。   0.0 <x ≦ 0.50, and the charge of the composition formula may deviate from electrical neutrality in a range of −0.13 or more and less than 0.

(実施の形態1)
以下、実施の形態を説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, embodiments will be described.

本開示のプロトン伝導体は、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。Aは、アルカリ土類金属から選択される少なくとも1つである。Bは、4族の遷移金属およびCeから選択される少なくとも1つである。B'は、3族または13族の元素である。上記組成式におけるa、x、δは、0.5<a≦1.0、0.0≦x≦0.5、かつ0.0≦δ<3を満たす。また、上記組成式の電荷は、−0.13以上+0.14未満の範囲で電気的中性からずれている。つまり、組成式Aa1-xB'x3-δが電気的中性ではないように、組成比a、x、および酸素欠損量δが定められている。プロトン伝導体の結晶組織としては、電気的に中性であり、組成式Aa1-xB'x3-δで表されるペロブスカイト型結晶構造の電荷を補償するために、ペロブスカイト型結晶構造にはプロトンが導入されていたり、酸素が電気的に過剰に存在していたりしていると考えられる。 The proton conductor of the present disclosure 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 at least one selected from a Group 4 transition metal and Ce. B ′ is a Group 3 or Group 13 element. A, x, and δ in the above composition formula satisfy 0.5 <a ≦ 1.0, 0.0 ≦ x ≦ 0.5, and 0.0 ≦ δ <3. Further, the charge of the above composition formula deviates from electrical neutrality in a range of −0.13 or more and less than +0.14. That is, the composition ratio a, x, and the oxygen deficiency δ are determined so that the composition formula A a B 1-x B ′ x O 3-δ is not electrically neutral. In order to compensate for the charge of the perovskite crystal structure represented by the composition formula A a B 1-x B ′ x O 3 -δ , the crystal structure of the proton conductor is neutral. It is considered that protons are introduced into the crystal structure or oxygen is electrically excessively present.

本明細書において、プロトン伝導体の結晶組織は、プロトン伝導体、及びペロブスカイト型結晶構造の電荷を補償するプロトン又は酸素などを含む。ここで、ペロブスカイト型結晶構造の電荷を補償するプロトン又は酸素などは、プロトン伝導体の組成及び電荷の条件などに応じて位置するため、プロトン又は酸素が意図的に導入された構成ではない。よって、プロトン伝導体のプロトン伝導度は、主に、プロトン伝導体の組成及び電荷の条件に依存すると考えられる。   In this specification, the crystal structure of the proton conductor includes a proton conductor and protons or oxygen that compensates for the charge of the perovskite crystal structure. Here, the proton or oxygen that compensates for the charge of the perovskite crystal structure is located according to the composition of the proton conductor, the charge condition, and the like, and thus the proton or oxygen is not intentionally introduced. Therefore, it is considered that the proton conductivity of the proton conductor mainly depends on the composition of the proton conductor and the charge condition.

<Aの元素>
Aの元素の例は、2族元素(アルカリ土類金属)である。Aの元素が2族元素であることによって、ペロブスカイト型構造が安定化する。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)、およびマグネシウム(Mg)から選ばれる群からなる少なくとも1つである。特に、Aの元素がカルシウム(Ca)、バリウム(Ba)およびストロンチウム(Sr)からなる群から選ばれる少なくとも1つであるプロトン伝導体は、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)、およびマグネシウム(Mg)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。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 a group 2 element (alkaline earth metal). When the element A is a group 2 element, the perovskite structure is stabilized. A specific example of the element of A is at least one selected from the group selected from barium (Ba), strontium (Sr), calcium (Ca), and magnesium (Mg). In particular, a proton conductor in which the element A is at least one selected from the group consisting of calcium (Ca), 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 selected from the group consisting of 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族元素であり、原子価が2価であるため、Aの元素量を減少させることで、B'の元素量の組成比の増加と同様な効果が得られ、酸素欠損を生じやすくなる。このため、電気的中性からずれ、プロトンのキャリアが導入されやすくなり、プロトンのキャリア濃度を高める効果が得られる。   Since the element of A is a group 2 element and the valence is divalent, reducing the amount of element A can provide the same effect as increasing the composition ratio of the element amount of B ′, and oxygen deficiency. Is likely to occur. For this reason, it deviates from electrical neutrality, and it becomes easy to introduce proton carriers, and the effect of increasing the carrier concentration of protons can be obtained.

<Bの元素>
Bの元素の例は、4族の元素およびセリウム(Ce)から選択される少なくとも1つである。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)およびハフニウム(Hf)からなる群から選ばれる少なくとも1つである。Bの元素がジルコニウム(Zr)の場合、ペロブスカイト型構造が安定になるので、プロトン伝導性を有さ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体が得られるので望ましい。
<B element>
An example of the element of B is at least one selected from the group 4 element and cerium (Ce). A specific example of the element of B is at least one selected from the group consisting of zirconium (Zr), cerium (Ce), titanium (Ti), and hafnium (Hf). In the case where the element of B is zirconium (Zr), the perovskite structure is stabilized, so that generation of a tissue component having no proton conductivity is reduced. As a result, a proton conductor having high proton conductivity is obtained, which is desirable.

<B'の元素>
B'の元素の例は、3族の元素、13族の元素、または3価のランタノイド元素である。B'の元素は、0.5Åより大きく1.02Åより小さいイオン半径を有することが好ましい。これにより、ペロブスカイト型構造を安定に保つことができる。よって、結晶構造を維持したまま、酸素欠損が生じやすくなり、上記組成式Aa1-xB'x3-δの電荷が電気的中性からずれても安定に存在し得る。
<B 'element>
Examples of the element of B ′ are a group 3 element, a group 13 element, or a trivalent lanthanoid element. The element B 'preferably has an ionic radius greater than 0.5 and less than 1.02. Thereby, the perovskite structure can be kept stable. Therefore, oxygen vacancies are likely to occur while maintaining the crystal structure, and can exist stably even if the charge of the composition formula A a B 1-x B ′ x O 3−δ deviates from electrical neutrality.

B'の元素の具体的な例は、イッテルビウム(Yb)、ネオジム(Nd)、イットリウム(Y)、またはインジウム(In)である。B'の元素が、イッテルビウム(Yb)、ネオジム(Nd)、イットリウム(Y)またはインジウム(In)であるプロトン伝導体は、ペロブスカイト構造が安定であり、かつ、高いプロトン伝導性も有するので、より望ましい。   Specific examples of the element of B ′ are ytterbium (Yb), neodymium (Nd), yttrium (Y), or indium (In). The proton conductor in which the element of B ′ is ytterbium (Yb), neodymium (Nd), yttrium (Y), or indium (In) has a stable perovskite structure and has high proton conductivity. desirable.

(a、x、およびδについて)
Aの元素の組成比を示すaの値は、0.5<a≦1.0の範囲である。組成比aが0.5以下である場合、ペロブスカイト構造を有する酸化物を合成することは可能であるが、上記組成式の電荷を電気的中性から制御することが困難になるため好ましくない。
(About a, x, and δ)
The value of a indicating the composition ratio of the element A is in the range of 0.5 <a ≦ 1.0. When the composition ratio a is 0.5 or less, it is possible to synthesize an oxide having a perovskite structure, but this is not preferable because it becomes difficult to control the charge of the above composition formula from electrical neutrality.

組成比aが1.0より大きい場合、プロトン伝導性を示さない相を有する酸化物となるため、プロトン伝導性が大きく低下する。   When the composition ratio a is larger than 1.0, the oxide has a phase that does not exhibit proton conductivity, so that proton conductivity is greatly reduced.

B'の元素の組成比を示すxの値は、0.0≦x≦0.5の範囲である。組成比xが0より大きいことにより、ペロブスカイト構造に酸素欠損を生じさせ、プロトン伝導体にプロトン伝導のキャリアが導入される。一方、組成比xが0.5より大きい場合、ペロブスカイト構造を有する酸化物を合成することは可能であるが、プロトン伝導性を示さない相も生成する。このため、酸化物全体のプロトン伝導性を大きく低下する。   The value x indicating the composition ratio of the B ′ element is in the range of 0.0 ≦ x ≦ 0.5. When the composition ratio x is larger than 0, oxygen vacancies are generated in the perovskite structure, and proton conductive carriers are introduced into the proton conductor. On the other hand, when the composition ratio x is larger than 0.5, it is possible to synthesize an oxide having a perovskite structure, but a phase that does not exhibit proton conductivity is also generated. For this reason, the proton conductivity of the whole oxide is greatly reduced.

上記組成式において、Aは2価の元素、Bは4価の元素、B'は3価の元素、酸素は2価の元素である。よって、組成比a、xおよび酸素欠損量δによって、上記組成式の電荷が決まる。電気的中性を考えると、Aの欠損量a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。本実施形態のプロトン伝導体において、上記組成式の電荷は、−0.13以上+0.14未満の範囲で電気的中性からずれている。つまり、組成式Aa1-xB'x3-δが電気的中性ではないように、組成比a、x、および酸素欠損量δが定められている。 In the above composition formula, A is a divalent element, B is a tetravalent element, B ′ is a trivalent element, and oxygen is a divalent element. Therefore, the charge of the above composition formula is determined by the composition ratio a, x and the oxygen deficiency δ. Considering the electrical neutrality, it is considered that the sum of the value of the deficiency a of A and the half of the substitution amount of B ′ becomes the oxygen deficiency. In the proton conductor of this embodiment, the charge of the above composition formula deviates from electrical neutrality in a range of −0.13 or more and less than +0.14. That is, the composition ratio a, x, and the oxygen deficiency δ are determined so that the composition formula A a B 1-x B ′ x O 3-δ is not electrically neutral.

より具体的には、B'の組成比xが0である場合には、上記組成式の電荷は、0より大きく0.14未満の範囲で電気的中性からずれている。また、B'の組成比xが0.0<x≦0.5である場合には、上記組成式の電荷は、−0.13以上0未満の範囲で電気的中性からずれている。   More specifically, when the composition ratio x of B ′ is 0, the charge of the above composition formula deviates from electrical neutrality in the range of greater than 0 and less than 0.14. When the composition ratio x of B ′ is 0.0 <x ≦ 0.5, the charge of the above composition formula deviates from electrical neutrality in a range of −0.13 or more and less than 0.

組成比a、xが、0.5<a≦1.0であり、かつ、0.0≦x≦0.5であることにより、酸素欠損が多く、かつ、ペロブスカイト構造を有する安定した酸化物が得られる。この酸素欠陥の位置に、水分子が導入されたり、また、酸素欠陥の位置が空のままであることにより、上記組成式の電荷が、−0.13以上+0.14未満の範囲で電気的中性からずれる。詳細な理由は現時点では不明であるが、これにより、プロトンのキャリア濃度の高い、あるいは、結晶構造における電荷の分布上、比較的低い温度でもプロトンが伝導しやすいプロトン伝導体が実現し得ると考えられる。本実施形態によれば、100℃程度の温度において、10-1S/cm程度のプロトン伝導度を有するプロトン伝導体が実現し得る。 Stable oxide having many oxygen vacancies and a perovskite structure when the composition ratios a and x are 0.5 <a ≦ 1.0 and 0.0 ≦ x ≦ 0.5 Is obtained. When water molecules are introduced at the position of the oxygen defect or the position of the oxygen defect remains empty, the electric charge of the above composition formula is electrically within the range of −0.13 or more and less than +0.14. Deviation from neutrality. Although the detailed reason is unknown at present, it is considered that a proton conductor that can easily conduct protons even at a relatively low temperature due to a high carrier concentration of protons or a charge distribution in the crystal structure can be realized. It is done. According to this embodiment, a proton conductor having a proton conductivity of about 10 −1 S / cm can be realized at a temperature of about 100 ° C.

本開示によれば、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、プロトン伝導体が本発明の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、本開示によるプロトン伝導体の実施形態は、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の各元素が本開示によって規定された範囲内にあり、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。   According to the present disclosure, a single crystal or polycrystal perovskite structure composed of a single phase having a substantially uniform composition and crystal structure (homogeneous) is realized. Here, “comprised 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 scope of the present invention. Note that the proton conductor according to an embodiment of the present disclosure may contain a small amount of inevitable impurities. Moreover, when manufacturing the proton conductor 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 range defined by the present disclosure, and these constitute a perovskite crystal structure. Therefore, the inclusion of impurities mixed in during the production can be allowed.

(組成式の決定および組成式の電荷の測定)
本実施形態のプロトン伝導体の組成式、および、上記組成式で示した場合における、電荷の電気的中性からのずれは、例えば、電子線プローブマイクロアナライザー(EPMA)を用いることによって測定し得る。具体的には、プロトン伝導体の、上記組成式で表される元素の定量測定を行い、構成している元素の価数と組成比とから、上記組成式あたりの電荷を算出する。測定に用いる電子線マイクロプローブアナライザーを用いた評価では、波長分散型の分光器を用いて測定を行うことが好ましい。この場合、化学組成が既知である標準試料を用いて、定量評価できるよう検量を行うことが好ましい。一方、エネルギ分散型の分光器では、酸素等の軽元素の定量評価では大きな誤差が発生し得るため好ましくない。また誘導プラズマ分光法(ICP)を用いた定量分析では材料を構成している金属元素は測定出来るものの、酸素元素は定量できない。このため、電気的中性のずれを測定するには適していない。
(Determination of composition formula and measurement of charge of composition formula)
The composition formula of the proton conductor of the present embodiment, and the deviation from the electric neutrality in the case of the above-described composition formula can be measured by using, for example, an electron beam probe microanalyzer (EPMA). . Specifically, the proton conductor is quantitatively measured for the element represented by the above composition formula, and the charge per composition formula is calculated from the valence and composition ratio of the constituent elements. In the evaluation using an electron beam microprobe analyzer used for measurement, it is preferable to perform measurement using a wavelength dispersion spectrometer. In this case, it is preferable to perform calibration so that quantitative evaluation can be performed using a standard sample having a known chemical composition. On the other hand, an energy dispersive spectrometer is not preferable because a large error may occur in the quantitative evaluation of light elements such as oxygen. In addition, although quantitative analysis using induction plasma spectroscopy (ICP) can measure the metal elements constituting the material, it cannot quantify oxygen elements. For this reason, it is not suitable for measuring an electrical neutral shift.

電子線プローブマイクロアナライザー(EPMA)には、例えば、日本電子株式会社製 JXA−8900Rを用いることができる。電子線を照射し発生する特性X線は波長分散型検出器(WDS)を用いる。測定する特性X線は、組成が既知である標準試料を用いて、検量されている特性X線と分光結晶を用いて定量測定を行う。プロトン伝導体の構成元素比率を解析し、各々の構成元素の価数と構成元素比率の積を求める。例えば、組成式Aa1-xB'x3-δで表されるペロブスカイト型結晶構造のAがBa、BがZr、B'がYであったとする。この場合、Baは+2価、Zrは+4価、Yは+3価、Oは−2価として計算を行う。これらの元素の価数は、安定な酸化物の状態で最も価数として取り得る値を採用する。次にEPMAを用いた分析で、A(Ba)の比率がa、B(Zr)の比率がb、B'(Y)の比率がc、Oの比率がdであるとする。この場合、化学組成式は、BaaZrbYcOdと記述できる。組成式の電荷つまり、電気的中性からのずれは、((2×a)+(4×b)+(3×c)−(2×d))÷(b+c)として計算できる。この計算によれば、電荷は、各構成元素の価数とその構成元素比率の積をとり、各元素での価の和を取った後に、BおよびB'の構成元素比率の和を1として規格化される。BおよびB'はペロブスカイト型構造内の酸素で囲まれた八面体の中心に位置し、欠損しにくいため、BとB'の和で規格化することにより、単位胞(単位格子)あたりの電気的中性からの電荷のずれが求められる。 For example, JXA-8900R manufactured by JEOL Ltd. can be used for the electron probe microanalyzer (EPMA). A characteristic X-ray generated by irradiating an electron beam uses a wavelength dispersion detector (WDS). The characteristic X-ray to be measured is quantitatively measured using a standard sample having a known composition and the calibrated characteristic X-ray and spectral crystal. The constituent element ratio of the proton conductor is analyzed, and the product of the valence of each constituent element and the constituent element ratio is obtained. For example, it is assumed that A is Ba, B is Zr, and B ′ is Y in the perovskite crystal structure represented by the composition formula A a B 1-x B ′ x O 3−δ . In this case, Ba is calculated as +2, Zr is +4, Y is +3, and O is -2. As the valences of these elements, values that can be taken as the most valences in a stable oxide state are adopted. Next, in the analysis using EPMA, it is assumed that the ratio of A (Ba) is a, the ratio of B (Zr) is b, the ratio of B ′ (Y) is c, and the ratio of O is d. In this case, the chemical composition formula can be described as BaaZrbYcOd. The charge of the composition formula, that is, the deviation from the electrical neutrality can be calculated as ((2 × a) + (4 × b) + (3 × c) − (2 × d)) ÷ (b + c). According to this calculation, the electric charge is obtained by taking the product of the valence of each constituent element and the constituent element ratio, taking the sum of the valences of each element, and then setting the sum of the constituent element ratios of B and B ′ to 1. Standardized. B and B ′ are located in the center of the octahedron surrounded by oxygen in the perovskite structure and are not easily lost. Therefore, by normalizing with the sum of B and B ′, electricity per unit cell (unit cell) Deviation of charge from target neutrality is required.

分析するイオン伝導体の表面は平坦であることが好ましい。大きな凹凸が存在する場合、電子線を照射し、試料内部より発生する特性X線が正しく検出されず、定量測定が困難になるためである。またプロトン伝導体は電気伝導性が乏しいため、カーボン等を表面に薄く蒸着し、入射電子線の帯電を防いでもよい。観察する電子線入射条件には、WDSで十分な信号強度が得られ、試料が電子線入射による焼きつき等で変質しない限り特に制限はない。また、測定点は5点以上測定を行い、その平均値を採用することが好ましい。5点以上の計測点において、測定値が明らかに他の測定値とかけ離れている場合には、平均値を算出する値として採用しないことが好ましい。   The surface of the ionic conductor to be analyzed is preferably flat. This is because when there are large irregularities, the electron beam is irradiated, and characteristic X-rays generated from the inside of the sample are not correctly detected, making quantitative measurement difficult. In addition, since the proton conductor has poor electrical conductivity, carbon or the like may be thinly deposited on the surface to prevent charging of the incident electron beam. The electron beam incident conditions to be observed are not particularly limited as long as sufficient signal intensity is obtained with WDS and the sample is not deteriorated by image sticking or the like due to electron beam incidence. Further, it is preferable to measure five or more measurement points and adopt the average value. When the measurement value is clearly different from other measurement values at five or more measurement points, it is preferable not to employ the value as the average value.

(製造方法)
本実施形態のプロトン伝導体は、種々の形態で実施することができる。膜状のプロトン伝導体を得る場合には、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製造することができる。組成の調整は、これらの膜形成方法で用いられる一般的な手法による。例えば、スパッタ法やプラズマレーザーデポジション法による場合は、ターゲットの組成を調整することによって、生成するプロトン伝導体の組成を制御できる。ケミカルベイパーデポジション法による場合には、原料ガスの反応室への導入量を調整することによって、生成するプロトン伝導体の組成を制御できる。
(Production method)
The proton conductor of this embodiment can be implemented in various forms. In the case of obtaining a film-like proton conductor, it can be produced by a film forming method such as a sputtering method, a plasma laser deposition method (PLD method), a chemical vapor deposition method (CVD method) or the like. The composition is adjusted by a general method used in these film forming methods. For example, in the case of sputtering or plasma laser deposition, the composition of the proton conductor to be generated can be controlled by adjusting the composition of the target. In the case of the chemical vapor deposition method, the composition of the produced proton conductor can be controlled by adjusting the amount of the raw material gas introduced into the reaction chamber.

また、バルク状態のプロトン伝導体を得る場合には、固相反応法や水熱合成法等で合成することができる。   Further, when obtaining a proton conductor in a bulk state, it can be synthesized by a solid phase reaction method, a hydrothermal synthesis method, or the like.

本実施形態のプロトン伝導体を上記組成式で示した場合における、電荷の電気的中性からのずれを調整するためには、上述した製造方法時の構成元素のモル比を制御したり、合成後に還元雰囲気での熱処理を行うことによって制御することができる。   In the case where the proton conductor of the present embodiment is represented by the above composition formula, in order to adjust the deviation from the electric neutrality of the charge, the molar ratio of the constituent elements during the above-described production method is controlled or synthesized It can be controlled later by performing a heat treatment in a reducing atmosphere.

(その他)
プロトン伝導体はプロトン伝導性固体電解質とも呼ばれる。プロトン伝導体はプロトンを伝導する機能を有していればよく、連続した膜やバルクでなくてもよい。
(Other)
The proton conductor is also called a proton conductive solid electrolyte. The proton conductor only needs to have a function of conducting protons, and may not be a continuous film or a bulk.

また、膜状の形態でプロトン伝導体を実施する場合、プロトン伝導体を支持する基材の表面は平坦でなくてもよい。本実施形態のプロトン伝導体にプロトンを供給する原料となるガスと、プロトン伝導体を伝導したプロトンと反応するガスや、プロトンの還元体である水素とが直接反応するのを避けるため、これらの2つのガスの流路には漏れがないように構成されていることが好ましい。このため、例えば、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)、またはシリコン(Si)等で構成される基材上に、本実施形態のペロブスカイト型プロトン伝導体の薄膜を形成してもよい。その後、エッチング等を用いて、基材の一部または全体を除去し、プロトン伝導体の表面の一部を基材側において露出させ、ガスを供給してもよい。基材の材料および形状に特に制限はない。 Moreover, when implementing a proton conductor with a film | membrane form, the surface of the base material which supports a proton conductor does not need to be flat. In order to avoid a direct reaction between a gas that is a raw material for supplying protons to the proton conductor of the present embodiment, a gas that reacts with protons that have passed through the proton conductor, and hydrogen that is a proton reductant, It is preferable that the two gas flow paths are configured so as not to leak. For this reason, for example, a thin film of the perovskite proton conductor of the present embodiment on a substrate made of magnesium oxide (MgO), strontium titanate (SrTiO 3 ), silicon (Si) or the like having a smooth flat surface. May be formed. Thereafter, a part or the whole of the base material may be removed using etching or the like, a part of the surface of the proton conductor may be exposed on the base material side, and gas may be supplied. There is no restriction | limiting in particular in the material and shape of a base material.

プロトン伝導体の結晶構造は、上述したように単結晶であっても多結晶であってもよい。酸化マグネシウム(MgO)また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体は、より高いプロトン伝導性を有するので好ましい。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体は、より高いプロトン伝導性を有するのでより好ましい。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、プロトン伝導体は、単結晶構造を有することが可能であるが、単結晶構造を得るための条件および単結晶構造における結晶成長方向や配向方向に特に制限はない。 The crystal structure of the proton conductor may be single crystal or polycrystalline as described above. Crystal structure oriented by controlling orientation of crystal growth on a substrate of magnesium oxide (MgO) or strontium titanate (SrTiO 3 ) and a buffer layer with a controlled lattice constant formed A proton conductor having is preferable because it has higher proton conductivity. A proton conductor having a single crystal structure that is epitaxially grown on the substrate is more preferable because it has higher proton conductivity. Note that the proton conductor can have a single crystal structure by controlling the film formation conditions such as the plane orientation of the substrate, temperature, pressure, and atmosphere, but the conditions for obtaining the single crystal structure and the single crystal structure There are no particular restrictions on the crystal growth direction or orientation direction.

(実施例)
以下、実施例により、本開示を具体的に説明する。
(Example)
Hereinafter, the present disclosure will be specifically described by way of 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.

真空チャンバー内を真空排気後、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 evacuating the inside of the vacuum chamber, 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=1:1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、プロトン伝導体を成膜した。形成したプロトン伝導体の厚さは500nmであり、大きさは、10mm×10mmであった。   A proton conductor was formed by sputtering using a sintered compact target having an element ratio of Ba: Zr = 1: 1. The formed proton conductor had a thickness of 500 nm and a size of 10 mm × 10 mm.

成膜したプロトン伝導体の構造、組成比およびプロトン伝導性を評価した。また、電荷のずれおよびプロトン伝導の活性化エネルギを求めた。結果を表1に示す。以下、それぞれの評価方法およびその結果を示す。   The structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductor were evaluated. In addition, the charge deviation and the activation energy of proton conduction were determined. The results are shown in Table 1. Hereinafter, each evaluation method and the result are shown.

Cuターゲットを用いて、作製したプロトン伝導体のX線回折を測定した。得られたプロトン伝導体は、ペロブスカイト型の結晶構造を有していることを確認した。   X-ray diffraction of the produced proton conductor was measured using a Cu target. It was confirmed that the obtained proton conductor had a perovskite crystal structure.

作製したプロトン伝導体の組成式および組成式の電荷を上述したEMPAによって測定した。表1に示すように、プロトン伝導体(AaBO3-δ)の組成式は、Aの元素がバリウム(Ba)であり、aの値はBの元素であるジルコニウムを1としたとき、0.904であった。また酸素量(3−δ)は2.876であり、組成式の電荷は電気的中性から正側に0.057ずれていた。 The composition formula and the charge of the composition formula of the produced proton conductor were measured by the EMPA described above. As shown in Table 1, the composition formula of the proton conductor (A a BO 3-δ ) is such that the element of A is barium (Ba), and the value of a is 1 when the element B is zirconium. It was 0.904. The oxygen amount (3-δ) was 2.876, and the charge in the composition formula was shifted 0.057 from electrical neutrality to the positive side.

プロトン伝導体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。プロトン伝導度の温度依存性を図2に示す。 An electrode was formed using a silver paste on the proton conductor. 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. The temperature dependence of proton conductivity is shown in FIG.

表1に示すように、100℃で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0.25S/cmであった。プロトン伝導度の活性化エネルギは0.041eVと求められた。   As shown in Table 1, the proton conductivity at 100 ° C. was 0.12 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. was 0.25 S / cm. The activation energy of proton conductivity was determined to be 0.041 eV.

(実施例2)
Ba:Zr:Ce:Nd=10:5:4:1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体の構造、組成比、およ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 compact target having an element ratio of Ba: Zr: Ce: Nd = 10: 5: 4: 1. Table 1 shows the structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductor.

プロトン伝導体は、ペロブスカイト型の結晶構造であることが確認された。表1に示すように、プロトン伝導体(Aa1-xB'x3-δ)は、Aの元素がバリウム(Ba)であり、aの値は0.975であり、Bの元素がジルコニウム(Zr)とセリウム(Ce)でありそれぞれの値は0.495と0.412であった。B'の元素はネオジム(Nd)であり、xの値が0.93であった。また酸素量(3−δ)は2.975であり、Ceが4価であるとすると、組成式の電荷は、電気的中性から負側に0.099ずれていることが分かった。表1に示すように、100℃でのプロトン伝導度は0.33S/cmであり、500℃でのプロトン伝導度は0.48S/cmであった。プロトン伝導度の活性化エネルギは0.022eVと求められた。 The proton conductor was confirmed to have a perovskite crystal structure. As shown in Table 1, in the proton conductor (A a B 1-x B ′ x O 3-δ ), the element of A is barium (Ba), the value of a is 0.975, The elements were zirconium (Zr) and cerium (Ce), and the values were 0.495 and 0.412, respectively. The element of B ′ was neodymium (Nd), and the value of x was 0.93. In addition, when the oxygen amount (3-δ) is 2.975 and Ce is tetravalent, it has been found that the charge in the composition formula is shifted from the electrical neutrality by 0.099 to the negative side. As shown in Table 1, the proton conductivity at 100 ° C. was 0.33 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. was 0.48 S / cm. The activation energy of proton conductivity was determined to be 0.022 eV.

(実施例3)
Ba:Zr:Y=2:1:1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体の構造、組成比、およ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 = 2: 1: 1. Table 1 shows the structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductor.

プロトン伝導体は、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、プロトン伝導体(Aa1-xB'x3-δ)は、Aの元素がバリウム(Ba)であり、aの値は0.539であり、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。また酸素量は2.363であり、Ceが4価であるとすると、組成式の電荷は、電気的中性から負側に0.129ずれていることが分かった。表1に示すように、100℃で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。プロトン伝導度の活性化エネルギは0.035eVと求められた。 It was confirmed that the proton conductor has a perovskite crystal structure and is polycrystalline. As shown in Table 1, in the proton conductor (A a B 1-x B ′ x O 3-δ ), the element of A is barium (Ba), the value of a is 0.539, The element was zirconium (Zr), the element of B ′ was yttrium (Y), and the value of x was 0.48 (Zr: 0.52, Y: 0.48). Further, when the oxygen amount is 2.363 and Ce is tetravalent, it was found that the charge in the composition formula is shifted by 0.129 from the electrical neutral to the negative side. As shown in Table 1, the proton conductivity at 100 ° C. was 0.39 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. was 0.71 S / cm. The activation energy of proton conductivity was determined to be 0.035 eV.

(実施例4)
Ba:Zr:Ti:In=6:7:1:2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体の構造、組成比、およ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: Ti: In = 6: 7: 1: 2. Table 1 shows the structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductor.

プロトン伝導体は、ペロブスカイト型の結晶構造であることが確認された。表1に示すように、プロトン伝導体(Aa1-xB'x3-δ)は、Aの元素がバリウム(Ba)であり、aの値は0.522であり、Bの元素がジルコニウム(Zr)とチタン(Ti)であり、ジルコニウムが0.682、チタンが0.098であった。また酸素量は2.474であり、組成式の電荷は、電気的中性から負側に0.124ずれていることが分かった。B'の元素がインジウム(In)であり、xの値が0.22であった。表1に示すように、100℃でのプロトン伝導度は0.34S/cmであり、500℃でのプロトン伝導度は0.67S/cmであった。プロトン伝導度の活性化エネルギは0.037eVと求められた。 The proton conductor was confirmed to have a perovskite crystal structure. As shown in Table 1, in the proton conductor (A a B 1-x B ′ x O 3-δ ), the element of A is barium (Ba), the value of a is 0.522, The elements were zirconium (Zr) and titanium (Ti), zirconium was 0.682, and titanium was 0.098. The amount of oxygen was 2.474, and it was found that the charge in the composition formula was shifted 0.124 from electrical neutrality to the negative side. The element of B ′ was indium (In), and the value of x was 0.22. As shown in Table 1, the proton conductivity at 100 ° C. was 0.34 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. was 0.67 S / cm. The activation energy of proton conductivity was determined to be 0.037 eV.

(実施例5)
Ba:Zr:Y=5:4:1の元素比率になるように、炭酸バリウム(BaCO3)と酸化ジルコニウム(ZrO2)と酸化イットリウム(Y23)を秤量、混合し、1300℃程度で仮焼した後、1700℃で焼成することでセラミックスのバルク試料を作成した。セラミックスのバルク体を用いた以外は、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体の構造、組成比、およびプロトン伝導性を示す。
(Example 5)
Barium carbonate (BaCO 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), and yttrium oxide (Y 2 O 3 ) are weighed and mixed so as to have an element ratio of Ba: Zr: Y = 5: 4: 1, and about 1300 ° C. After calcining, a ceramic bulk sample was prepared by firing at 1700 ° C. The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that a ceramic bulk body was used. Table 1 shows the structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductor.

プロトン伝導体は、ペロブスカイト型の結晶構造であることが確認された。表1に示すように、プロトン伝導体(Aa1-xB'x3-δ)は、Aの元素がバリウム(Ba)であり、aの値は0.966であり、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0.197であった。また酸素量は2.932であり、組成式の電荷は、電気的中性から負側に0.128ずれていることが分かった。表1に示すように、100℃でのプロトン伝導度は0.37S/cmであり、500℃でのプロトン伝導度は0.78S/cmであった。プロトン伝導度の活性化エネルギは0.039eVと求められた。 The proton conductor was confirmed to have a perovskite crystal structure. As shown in Table 1, in the proton conductor (A a B 1-x B ′ x O 3-δ ), the element of A is barium (Ba), the value of a is 0.966, The element was zirconium (Zr), the element of B ′ was yttrium (Y), and the value of x was 0.197. The amount of oxygen was 2.932, and it was found that the charge in the composition formula was shifted 0.128 from electrical neutrality to the negative side. As shown in Table 1, the proton conductivity at 100 ° C. was 0.37 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. was 0.78 S / cm. The activation energy of proton conductivity was determined to be 0.039 eV.

(実施例6)
Sr:Zr=1:1の元素比率になるように、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体の構造、組成比、およびプロトン伝導性を示す。
(Example 6)
The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the film was formed using the sintered compact target so that the element ratio of Sr: Zr = 1: 1. Table 1 shows the structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductor.

プロトン伝導体は、ペロブスカイト型の結晶構造であることが確認された。表1に示すように、プロトン伝導体(AaBO3-δ)は、Aの元素がストロンチウム(Sr)であり、aの値は0.98であった。また酸素量は2.969であり、組成式の電荷は、電気的中性から正側に0.022ずれていることが分かった。表1に示すように、100℃でのプロトン伝導度は0.10S/cmであり、500℃でのプロトン伝導度は0.21S/cmであった。プロトン伝導度の活性化エネルギは0.055eVと求められた。 The proton conductor was confirmed to have a perovskite crystal structure. As shown in Table 1, in the proton conductor (A a BO 3-δ ), the element A was strontium (Sr), and the value of a was 0.98. The amount of oxygen was 2.969, and it was found that the charge in the composition formula was shifted 0.022 from the electrical neutrality to the positive side. As shown in Table 1, the proton conductivity at 100 ° C. was 0.10 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. was 0.21 S / cm. The activation energy of proton conductivity was determined to be 0.055 eV.

(実施例7)
Sr:Zr:Yb=10:7:3の元素比率になるように、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体の構造、組成比、およびプロトン伝導性を示す。
(Example 7)
The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the film was formed using the sintered compact target so that the element ratio of Sr: Zr: Yb = 10: 7: 3. Table 1 shows the structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductor.

プロトン伝導体は、ペロブスカイト型の結晶構造であることが確認された。表1に示すように、プロトン伝導体(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0.965であった。Bの元素がジルコニウム(Zr)であり、B'の元素がイッテルビウム(Yb)であり、xの値が0.05であった。また酸素量は2.955であり、組成式の電荷は、電気的中性から負側に0.03ずれていることが分かった。表1に示すように、100℃でのプロトン伝導度は0.10S/cmであり、500℃でのプロトン伝導度は0.22S/cmであった。プロトン伝導度の活性化エネルギは0.055eVと求められた。 The proton conductor was confirmed to have a perovskite crystal structure. As shown in Table 1, in the proton conductor (A a B 1-x B ′ x O 3-δ ), the element A was strontium (Sr), and the value of a was 0.965. The element of B was zirconium (Zr), the element of B ′ was ytterbium (Yb), and the value of x was 0.05. The amount of oxygen was 2.955, and it was found that the charge in the composition formula was shifted 0.03 from the electrical neutrality to the negative side. As shown in Table 1, the proton conductivity at 100 ° C. was 0.10 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. was 0.22 S / cm. The activation energy of proton conductivity was determined to be 0.055 eV.

(実施例8)
Sr:Zr:Ce:Y=8:4:3:3の元素比率になるように、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体の構造、組成比、およびプロトン伝導性を示す。
(Example 8)
The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the film was formed using the sintered compact target so that the element ratio of Sr: Zr: Ce: Y = 8: 4: 3: 3. Table 1 shows the structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductor.

プロトン伝導体は、ペロブスカイト型の結晶構造であることが確認された。表1に示すように、プロトン伝導体(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0.736であった。Bの元素がジルコニウム(Zr)とセリウム(Ce)であり、ジルコニウムが0.423、セリウムが0.307であった。B'の元素がイットリウム(Y)であり、xの値が0.27であった。また酸素量は2.616であり、組成式の電荷は、電気的中性から負側に0.03ずれていることが分かった。表1に示すように、100℃でのプロトン伝導度は0.13S/cmであり、500℃でのプロトン伝導度は0.25S/cmであった。プロトン伝導度の活性化エネルギは0.042eVと求められた。 The proton conductor was confirmed to have a perovskite crystal structure. As shown in Table 1, in the proton conductor (A a B 1-x B ′ x O 3-δ ), the element A was strontium (Sr), and the value a was 0.736. The elements of B were zirconium (Zr) and cerium (Ce), zirconium was 0.423, and cerium was 0.307. The element of B ′ was yttrium (Y), and the value of x was 0.27. The amount of oxygen was 2.616, and it was found that the charge in the composition formula was shifted 0.03 from electrical neutrality to the negative side. As shown in Table 1, the proton conductivity at 100 ° C. was 0.13 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. was 0.25 S / cm. The activation energy of proton conductivity was determined to be 0.042 eV.

(実施例9)
Sr:Zr:In=7:6:4の元素比率になるように、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体の構造、組成比、およびプロトン伝導性を示す。
Example 9
The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the film was formed using the sintered compact target so that the element ratio of Sr: Zr: In = 7: 6: 4. Table 1 shows the structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductor.

プロトン伝導体は、ペロブスカイト型の結晶構造であることが確認された。表1に示すように、プロトン伝導体(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0.686であった。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0.351であった。また酸素量は2.542であり、組成式の電荷は、電気的中性から負側に0.062ずれていることが分かった。表1に示すように、100℃でのプロトン伝導度は0.13S/cmであり、500℃でのプロトン伝導度は0.24S/cmであった。プロトン伝導度の活性化エネルギは0.041eVと求められた。 The proton conductor was confirmed to have a perovskite crystal structure. As shown in Table 1, in the proton conductor (A a B 1-x B ′ x O 3-δ ), the element A was strontium (Sr), and the value of a was 0.686. The element of B was zirconium (Zr), the element of B ′ was indium (In), and the value of x was 0.351. The oxygen amount was 2.542, and it was found that the charge in the composition formula was shifted by 0.062 from the electrical neutral to the negative side. As shown in Table 1, the proton conductivity at 100 ° C. was 0.13 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. was 0.24 S / cm. The activation energy of proton conductivity was determined to be 0.041 eV.

(実施例10)
Sr:Zr:Y=3:3:2の元素比率になるように、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体の構造、組成比、およびプロトン伝導性を示す。
(Example 10)
The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the film was formed using the sintered compact target so that the element ratio of Sr: Zr: Y = 3: 3: 2. Table 1 shows the structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductor.

プロトン伝導体は、ペロブスカイト型の結晶構造であることが確認された。表1に示すように、プロトン伝導体(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0.563であった。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0.474であった。また酸素量は2.358であり、組成式の電荷は、電気的中性から負側に0.063ずれていることが分かった。表1に示すように、100℃でのプロトン伝導度は0.18S/cmであり、500℃でのプロトン伝導度は0.30S/cmであった。プロトン伝導度の活性化エネルギは0.025eVと求められた。 The proton conductor was confirmed to have a perovskite crystal structure. As shown in Table 1, in the proton conductor (A a B 1-x B ′ x O 3-δ ), the element A was strontium (Sr), and the value of a was 0.563. The element of B was zirconium (Zr), the element of B ′ was yttrium (Y), and the value of x was 0.474. The amount of oxygen was 2.358, and it was found that the charge of the composition formula was shifted by 0.063 from the electrical neutrality to the negative side. As shown in Table 1, the proton conductivity at 100 ° C. was 0.18 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. was 0.30 S / cm. The activation energy of proton conductivity was determined to be 0.025 eV.

(実施例11)
Ca:Zr=1:1の元素比率になるように、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体の構造、組成比、およびプロトン伝導性を示す。
(Example 11)
The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the sintered body target was used to form an element ratio of Ca: Zr = 1: 1. Table 1 shows the structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductor.

プロトン伝導体は、ペロブスカイト型の結晶構造であることが確認された。表1に示すように、プロトン伝導体(AaBO3-δ)は、Aの元素がカルシウム(Ca)であり、aの値は0.987であった。酸素量は2.972であり、組成式の電荷は、電気的中性から正側に0.03ずれていることが分かった。表1に示すように、100℃でのプロトン伝導度は0.02S/cmであり、500℃でのプロトン伝導度は0.18S/cmであった。プロトン伝導度の活性化エネルギは0.055eVと求められた。 The proton conductor was confirmed to have a perovskite crystal structure. As shown in Table 1, in the proton conductor (A a BO 3-δ ), the element of A was calcium (Ca), and the value of a was 0.987. The amount of oxygen was 2.972, and it was found that the charge in the composition formula was shifted 0.03 from the electrical neutral to the positive side. As shown in Table 1, the proton conductivity at 100 ° C. was 0.02 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. was 0.18 S / cm. The activation energy of proton conductivity was determined to be 0.055 eV.

(実施例12)
Ca:Zr:Y=10:9:1の元素比率になるように、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体の構造、組成比、およびプロトン伝導性を示す。
(Example 12)
The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the film was formed using the sintered compact target so that the element ratio of Ca: Zr: Y = 10: 9: 1 was obtained. Table 1 shows the structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductor.

プロトン伝導体は、ペロブスカイト型の結晶構造であることが確認された。表1に示すように、プロトン伝導体(Aa1-xB'x3-δ)は、Aの元素がカルシウム(Ca)であり、aの値は0.95であった。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0.099であった。また酸素量は2.926であり、組成式の電荷は、電気的中性から負側に0.05ずれていることが分かった。表1に示すように、100℃でのプロトン伝導度は0.030S/cmであり、500℃でのプロトン伝導度は0.21S/cmであった。プロトン伝導度の活性化エネルギは0.055eVと求められた。 The proton conductor was confirmed to have a perovskite crystal structure. As shown in Table 1, in the proton conductor (A a B 1-x B ′ x O 3-δ ), the element A was calcium (Ca), and the value of a was 0.95. The element of B was zirconium (Zr), the element of B ′ was yttrium (Y), and the value of x was 0.099. The oxygen amount was 2.926, and it was found that the charge in the composition formula was shifted 0.05 from the electrical neutral to the negative side. As shown in Table 1, the proton conductivity at 100 ° C. was 0.030 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. was 0.21 S / cm. The activation energy of proton conductivity was determined to be 0.055 eV.

(実施例13)
Ba:Sr:Zr:Y=5:5:8:2の元素比率になるように、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体の構造、組成比、およびプロトン伝導性を示す。
(Example 13)
The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the film was formed using the sintered compact target so that the element ratio of Ba: Sr: Zr: Y = 5: 5: 8: 2 was obtained. Table 1 shows the structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductor.

プロトン伝導体は、ペロブスカイト型の結晶構造であることが確認された。表1に示すように、プロトン伝導体(Aa1-xB'x3-δ)は、Aの元素がバリウム(Ba)とストロンチウム(Sr)であり、Baの比率が0.39でありSrの比率が0.43であり、aの値は0.92であった。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0.192であった。また酸素量は2.876であり、組成式の電荷は、電気的中性から負側に0.103ずれていることが分かった。表1に示すように、100℃でのプロトン伝導度は0.290S/cmであり、500℃でのプロトン伝導度は0.41S/cmであった。プロトン伝導度の活性化エネルギは0.021eVと求められた。 The proton conductor was confirmed to have a perovskite crystal structure. As shown in Table 1, in the proton conductor (A a B 1-x B ′ x O 3-δ ), the elements of A are barium (Ba) and strontium (Sr), and the ratio of Ba is 0.39. And the ratio of Sr was 0.43, and the value of a was 0.92. The element of B was zirconium (Zr), the element of B ′ was yttrium (Y), and the value of x was 0.192. The oxygen amount was 2.876, and it was found that the charge in the composition formula was shifted from the electrical neutrality to the negative side by 0.103. As shown in Table 1, the proton conductivity at 100 ° C. was 0.290 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. was 0.41 S / cm. The activation energy of proton conductivity was determined to be 0.021 eV.

(比較例1)
Ba:Zr:Y=6:7:3の元素比率になるように、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体の構造、組成比、およびプロトン伝導性を示す。
(Comparative Example 1)
The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the film was formed using the sintered compact target so that the element ratio of Ba: Zr: Y = 6: 7: 3. Table 1 shows the structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductor.

プロトン伝導体は、ペロブスカイト型の結晶構造であることが確認された。表1に示すように、プロトン伝導体(Aa1-xB'x3-δ)は、Aの元素がバリウム(Ba)であり、aの値は0.603であった。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0.315であった。また酸素量は2.445であり、組成式の電荷は、電気的中性であることが分かった。表1に示すように、100℃でのプロトン伝導度は3.3×10-6S/cmであり、500℃でのプロトン伝導度は8.4×10-3S/cmであった。プロトン伝導度の活性化エネルギは0.454eVと求められた。 The proton conductor was confirmed to have a perovskite crystal structure. As shown in Table 1, in the proton conductor (A a B 1-x B ′ x O 3-δ ), the element A was barium (Ba), and the value of a was 0.603. The element of B was zirconium (Zr), the element of B ′ was yttrium (Y), and the value of x was 0.315. The amount of oxygen was 2.445, and the charge of the composition formula was found to be electrically neutral. As shown in Table 1, the proton conductivity at 100 ° C. was 3.3 × 10 −6 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. was 8.4 × 10 −3 S / cm. The activation energy of proton conductivity was determined to be 0.454 eV.

(比較例2)
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体の構造、組成比、およ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: Y = 7: 7: 3. Table 1 shows the structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductor.

プロトン伝導体は、ペロブスカイト型の結晶構造であることが確認された。表1に示すように、プロトン伝導体(Aa1-xB'x3-δ)は、Aの元素がバリウム(Ba)であり、aの値は0.635であった。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0.318であった。また酸素量は2.55であり、組成式の電荷は、電気的中性から負側に0.148ずれていることが分かった。表1に示すように、100℃でのプロトン伝導度は6.6×10-6S/cmであり、500℃でのプロトン伝導度は9.5×10-3S/cmであった。プロトン伝導度の活性化エネルギは0.419eVと求められた。 The proton conductor was confirmed to have a perovskite crystal structure. As shown in Table 1, in the proton conductor (A a B 1-x B ′ x O 3-δ ), the element of A was barium (Ba), and the value of a was 0.635. The element of B was zirconium (Zr), the element of B ′ was yttrium (Y), and the value of x was 0.318. The amount of oxygen was 2.55, and it was found that the charge in the composition formula was shifted by 0.148 from the electrical neutral to the negative side. As shown in Table 1, the proton conductivity at 100 ° C. was 6.6 × 10 −6 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. was 9.5 × 10 −3 S / cm. The activation energy of proton conductivity was determined to be 0.419 eV.

(比較例3)
Ba:Zr:Y=10:9:1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体の構造、組成比、およびプロトン伝導性を示す。
(Comparative Example 3)
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 = 10: 9: 1. Table 1 shows the structure, composition ratio, and proton conductivity of the deposited proton conductor.

プロトン伝導体は、ペロブスカイト型の結晶構造であることが確認された。表1に示すように、プロトン伝導体(Aa1-xB'x3-δ)は、Aの元素がバリウム(Ba)であり、aの値は1.00であった。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0.101であった。また酸素量は3.051であり、組成式の電荷は、電気的中性から負側に0.202ずれていることが分かった。表1に示すように、100℃でのプロトン伝導度は4.2×10-6S/cmであり、500℃でのプロトン伝導度は8.5×10-3S/cmであった。プロトン伝導度の活性化エネルギは0.436eVと求められた。 The proton conductor was confirmed to have a perovskite crystal structure. As shown in Table 1, in the proton conductor (A a B 1-x B ′ x O 3-δ ), the element of A was barium (Ba), and the value of a was 1.00. The element of B was zirconium (Zr), the element of B ′ was yttrium (Y), and the value of x was 0.101. The oxygen content was 3.051, and it was found that the charge in the composition formula was shifted 0.202 from the electrical neutral to the negative side. As shown in Table 1, the proton conductivity at 100 ° C. was 4.2 × 10 −6 S / cm, and the proton conductivity at 500 ° C. was 8.5 × 10 −3 S / cm. The activation energy of proton conductivity was determined to be 0.436 eV.

Figure 0006253016
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表1に示すように、実施例1〜13のプロトン伝導体は、Aの元素がBとB'の和を1とした場合の組成比a、xが、0.5<a≦1.0であり、かつ、0.0≦x≦0.5である。また、実施例1〜13のプロトン伝導体において、ペロブスカイト構造を構成する元素の組成式の電荷は電気的中性からずれている。具体的には、電荷のずれは、−0.128から0.057の範囲内であり、ゼロではない。B'元素を含まない場合には、組成式の電荷は電気的中性から0より大きく0.057以下の範囲で正側にずれている。B'元素を含む場合には、組成式の電荷は電気的中性から−0.129以上0より小さい範囲で負側にずれている。   As shown in Table 1, in the proton conductors of Examples 1 to 13, the composition ratios a and x in the case where the sum of B and B ′ is 1 for the element A are 0.5 <a ≦ 1.0. And 0.0 ≦ x ≦ 0.5. In the proton conductors of Examples 1 to 13, the charge of the composition formula of the elements constituting the perovskite structure is deviated from electrical neutrality. Specifically, the charge shift is in the range of −0.128 to 0.057 and is not zero. When the B ′ element is not included, the charge of the composition formula is shifted to the positive side in the range of greater than 0 to 0.057 from electrical neutrality. When the B ′ element is included, the charge in the composition formula is shifted from the electric neutrality to the negative side in a range of −0.129 or more and less than 0.

これに対し、比較例1〜3のプロトン伝導体では、組成比a、xは上述した実施例1〜13の範囲内にあるが、ペロブスカイト構造を構成する元素の組成式の電荷は電気的中性(比較例1)または、−0.128よりもさらに負側へずれている。   On the other hand, in the proton conductors of Comparative Examples 1 to 3, the composition ratios a and x are in the range of Examples 1 to 13 described above, but the charge of the composition formula of the elements constituting the perovskite structure is electrically medium. (Comparative Example 1) or more negative than -0.128.

表1に示すように、実施例1〜13のプロトン伝導体は、比較例1〜3のプロトン伝導体と比較して、100℃において、4桁以上高いプロトン伝導度を有している。また、実施例1〜13のプロトン伝導体は、500℃においても、10倍以上高いプロトン伝導度を有している。つまり、100℃以上500℃以下の温度域において、実施例1〜13のプロトン伝導体は、10-2S/cm以上の高いプロトン伝導度を有している。 As shown in Table 1, the proton conductors of Examples 1 to 13 have a proton conductivity that is four orders of magnitude higher at 100 ° C. than the proton conductors of Comparative Examples 1 to 3. In addition, the proton conductors of Examples 1 to 13 have a proton conductivity that is 10 times higher even at 500 ° C. That is, in the temperature range of 100 ° C. or more and 500 ° C. or less, the proton conductors of Examples 1 to 13 have high proton conductivity of 10 −2 S / cm or more.

特に、実施例1〜13のプロトン伝導体は、比較例のプロトン伝導体に比べて、特に、100℃程度の低温で高いプロトン伝導度を有する。このため、実施例1〜13のプロトン伝導度の活性化エネルギは、比較例の活性化エネルギに比べて、1桁程度小さく、0.1eVよりも低い。これに対し、比較例1〜3のプロトン伝導体は、0.4eVよりも高い活性化エネルギを有していた。このことから、実施例1〜13のプロトン伝導体は、100℃以下の温度においても、急激にプロトン伝導度が低下することなく、従来に比べて高いプロトン伝導度を有していると考えられる。   In particular, the proton conductors of Examples 1 to 13 have a higher proton conductivity at a low temperature of about 100 ° C. than the proton conductors of the comparative examples. For this reason, the activation energy of the proton conductivity of Examples 1 to 13 is about an order of magnitude smaller than the activation energy of the comparative example and lower than 0.1 eV. In contrast, the proton conductors of Comparative Examples 1 to 3 had activation energy higher than 0.4 eV. From this, it is considered that the proton conductors of Examples 1 to 13 have a higher proton conductivity than the conventional one without a sudden decrease in proton conductivity even at a temperature of 100 ° C. or lower. .

したがって、本実施例から、本実施形態のプロトン伝導体によれば、組成比a、xおよび組成式の電荷が上述した範囲にあることによって、従来よりも高いプロトン伝導度を備えていることがわかった。特に、100℃から500℃程度の温度範囲において、従来よりも顕著にプロトン伝導性の向上がみられることが分かった。   Therefore, from the present example, according to the proton conductor of the present embodiment, the composition ratios a and x and the charge of the composition formula are in the above-described ranges, so that the proton conductivity is higher than the conventional one. all right. In particular, in the temperature range of about 100 ° C. to 500 ° C., it has been found that the proton conductivity is remarkably improved as compared with the conventional case.

(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 fuel cell 100 shown in FIG. 3 includes an anode 102, a cathode 103, and a proton conductor 101 disposed between the anode 102 and the cathode 103. As the proton conductor 101, the above-described proton conductive oxide 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 fuel cell 100 can operate in a temperature range of, for example, 100 ° C. or more and 300 ° C. or less suitable for power generation using an organic hydride. Further, in the fuel cell 100 including the proton conductor 101, unlike the case where the proton conductive solid polymer membrane is used as the electrolyte, water is actively supplied from the anode 102 or the cathode 103 to the electrolyte (here, the proton conductor 101). There is no need to supply.

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 anode 102 and the cathode 103 are arranged so as to sandwich the proton conductor 101. That is, in the illustrated example, the anode 102 is disposed on one main surface of the proton conductor 101, and the cathode 103 is disposed on the main surface of the proton conductor 101 where the anode 102 is not disposed. Has been. The arrangement of the proton conductor 101, the anode 102, and the cathode 103 is not limited to the example in FIG. 3, and various arrangements can be adopted. For example, the anode 102 and the cathode 103 may be disposed on the same main surface of the proton conductor 101.

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 anode 102 includes a dehydrogenation catalyst. That is, the anode 102 is configured such that protons can be extracted from a gas or liquid containing organic hydride. An example of the catalyst contained in the anode 102 is a metal, an alloy, or an oxide containing at least one selected from the group consisting of Ni, Pt, and Pd.

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、Al23、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。Al23、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 anode 102, the catalyst is a support made of Al 2 O 3 , SiO 2 , ZrO 2 or the like. It may be carried on the surface. That is, the anode 102 can further include a support. There is no particular limitation on the material of the carrier. Al 2 O 3 , SiO 2 , and ZrO 2 are examples of carriers on which the anode 102 can be easily formed. Further, the shape of the carrier is not particularly limited, and it is only necessary to ensure electrical connection between the catalyst included in the anode 102 and the external load 104. By including the support in the anode 102, the catalyst can be dispersed in a wider area.

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 anode 102 can be formed by a film formation method such as sputtering, PLD, or CVD. The anode 102 may be formed by screen-printing ink in which the 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 anode 102 is not particularly limited.

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 cathode 103 includes a catalyst capable of reducing oxygen in a gas containing oxygen gas and allowing protons and electrons to react. Examples of the catalyst contained in the cathode 103 include at least one selected from the group consisting of metals, alloys or oxides, or Co, Fe and Mn, including at least one selected from the group consisting of Pt and Ru. It is an oxide.

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-yFey3-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-yFey3-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KNiF型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 cathode 103 is an oxide having a perovskite crystal structure represented by a composition formula ABO3 . Here, A includes at least one selected from the group consisting of Ba, Sr, Ca, La and Sm, and B includes at least one selected from the group consisting of Zr and Ce and Ru. Or B contains at least 1 chosen from the group which consists of Ni, Fe, Co, and Mn. O represents oxygen, and δ represents oxygen deficiency or oxygen excess. As such oxides, La 1-x Sr x FeO 3-δ (0 ≦ x ≦ 1.0), La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3-δ (0 ≦ x ≦ 1. 0, 0.1 ≦ y ≦ 0.8), La 1-x Sr x MnO 3-δ (0 ≦ x ≦ 0.4), Sm 1-x Sr x CoO 3-δ (0.2 <x < 0.8), Ba 1−x Sr x Co 1−y Fe y O 3−δ (0.4 ≦ x ≦ 1.0, 0.4 ≦ y ≦ 1.0), and the like. Note that an oxide having a K 2 NiF 4 type crystal structure represented by La 2−x Sr x NiO 4−δ (where 0 ≦ x ≦ 0.5) can also be used.

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’x3-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 cathode 103, an oxide having a perovskite crystal structure represented by a composition formula AB 1-x B ′ x O 3−δ as shown below can be used. This oxide is an oxide having a perovskite crystal structure as described above. Here, A includes at least one selected from the group consisting of Ba, Sr and Ca. B contains at least one selected from the group consisting of Zr and Ce and Ru, and B ′ is Y or In or a trivalent lanthanoid element. The value x indicating the composition ratio of the element B ′ is in the range of 0.10 <x <0.80, and more preferably in the range of 0.25 <x <0.75. In addition, when the sum of A, B, and B ′ is 2, the atomic ratio of Ru is, for example, 0.01 or more and 0.8 or less.

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 cathode 103 can be formed by a film forming method such as sputtering, PLD, or CVD. The cathode 103 may be formed by screen-printing ink in which the above material powder is dispersed in a solvent and then drying and solidifying by heating, vacuum treatment, or the like. A method for forming the cathode 103 is not particularly limited.

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 fuel cell 100 is provided with an anode side reaction vessel 111 provided with a first fluid inlet 105 and a first fluid outlet 106, and a second fluid inlet 107 and a second fluid outlet 108. And a cathode side reaction vessel 112. The space in the anode side reaction vessel 111 and the space in the cathode side reaction vessel 112 are separated by a partition wall. In the configuration illustrated in FIG. 3, the proton conductor 101 serves as a partition wall that separates these two spaces. Function.

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。   In the example shown in the figure, a first flow path 109 is provided in the anode side reaction vessel 111, and the fluid introduced from the first fluid inlet 105 passes through the first flow path 109 to the first fluid outlet 106. It flows toward. Similarly, a second flow path 110 is provided in the cathode-side reaction vessel 112, and the fluid introduced from the second fluid inlet 107 goes to the second fluid outlet 108 via the second flow path 110. Flowing.

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。   The first flow path 109 and the second flow path 110 are kept airtight and watertight, respectively, and are configured so that fluids flowing through the respective flow paths do not mix with each other. As shown in FIG. 3, at least a part of the surface of the anode 102 is exposed in the first flow path 109, and at least a part of the surface of the cathode 103 is exposed in the second flow path 110.

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 first flow path 109 via the first fluid inlet 105 when the fuel cell 100 is in operation. Mixtures of two or more organic hydrides can also be used. A gas containing oxygen (typically oxygen gas or air) is introduced into the second flow path 110 via the second fluid inlet 107. Not shown in each of the first fluid inlet 105, the first fluid outlet 106, the second fluid inlet 107, and the second fluid outlet 108 in order to introduce a gas or liquid containing organic hydride and a gas containing oxygen. Are connected. In the middle of these pipes, cylinders, tanks, valves, compressors, mass flow controllers and the like can be arranged.

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 fuel cell 100 generates power by supplying a gas or liquid containing organic hydride to the anode 102 and supplying a gas containing oxygen gas to the cathode 103. By introducing, for example, organic hydride from the first fluid inlet 105 and introducing, for example, oxygen gas from the second fluid inlet 107, an external load 104 having one end connected to the anode 102 and the other end connected to the cathode 103 is connected. Current flows. That is, electric power generated in the fuel cell 100 can be taken out via the anode 102 and the cathode 103.

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 fluid inlet 105, and the organic hydride is brought into contact with the anode 102 in the first flow path 109. The organic hydride may be atomized and sprayed on the anode 102. Alternatively, an organic hydride gas or a gas containing vapor may be supplied to the anode 102. The gas supplied to the anode 102 may include, for example, hydrocarbon gas, nitrogen gas, carbon dioxide gas, oxygen gas, argon gas, helium gas, and the like. As a result, protons are extracted from the organic hydride (here, methylcyclohexane).

アノード102では、以下の式(1)に示す反応が進行する。
714→C78+6H++6e- (1)
In the anode 102, the reaction shown in the following formula (1) proceeds.
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 fluid outlet 106. The dehydrogenated product discharged through the first fluid outlet 106 can be reused as an organic hydride by hydrogenation. The fuel cell 100 is operated at a temperature of, for example, about 200 ° C. during operation. Therefore, alteration of the organic hydride and / or its dehydrogenated product can be suppressed.

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 anode 102 are conducted through the proton conductor 101 and reach the cathode 103. The proton conductor 101 prevents a short circuit between the anode 102 and the cathode 103 and supplies protons generated at the anode 102 to the cathode 103.

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 fluid inlet 107, and the oxygen gas is brought into contact with the cathode 103 in the second flow path 110. The oxygen gas may not be actively humidified. By bringing oxygen gas into contact with the cathode 103, the reaction shown in the following formula (2) proceeds at the cathode 103.
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 fluid inlet 105, the organic hydride that has not been used for power generation is discharged through the first fluid outlet 106. The remaining organic hydride may be collected and reintroduced into the first flow path 109 from the first fluid inlet 105. Similarly, oxygen gas that has not been used for power generation out of oxygen gas introduced from the second fluid inlet 107 is discharged through the second fluid outlet 108. The remaining oxygen gas may be recovered and reintroduced into the second flow path 110 from the second fluid inlet 107. The water generated at the cathode 103 may be discharged through the second fluid outlet 108, or another discharge port (not shown) may be provided in the cathode side reaction vessel 112 and discharged from this discharge port. Note that the flow path for introducing the fuel (here, organic hydride) and the gas containing oxygen is not limited to the configuration illustrated in FIG. 3, and various configurations and arrangements may be employed. For example, the arrangement of the first fluid inlet 105 and the first fluid outlet 106 can be designed in consideration of the specific gravity of the organic hydride and its dehydrogenated product. In the configuration in which the anode 102, the proton conductor 101, and the cathode 103 are sequentially stacked, at least a part of the partition that separates the space on the anode side and the space on the cathode side includes the anode 102, the proton conductor 101, and the cathode 103. Any laminate may be used.

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 SYMBOLS 100 Fuel cell 101 Proton conductor 102 Anode 103 Cathode 104 External load 105 1st fluid inlet 106 1st fluid outlet 107 2nd fluid inlet 108 2nd fluid outlet 109 1st flow path 110 2nd flow path 111 Anode side reaction container 112 Cathode side reaction vessel

Claims (13)

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Aa1-xB'x3-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、2族元素から選択される少なくとも1つであり、
前記Bは、4族の元素およびCeから選択される少なくとも1つであり、
前記B'は、3族元素、13族元素またはランタノイド元素であり、
0.5<a≦1.0、0.0≦x≦0.5、かつ0.0≦δ<3であり、
前記組成式の電荷は、−0.13以上+0.14未満の範囲で電気的中性からずれている、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 group 2 elements;
B is at least one selected from Group 4 elements and Ce;
B ′ is a group 3 element, group 13 element or lanthanoid element;
0.5 <a ≦ 1.0, 0.0 ≦ x ≦ 0.5, and 0.0 ≦ δ <3,
The fuel cell, wherein the charge of the composition formula deviates from electrical neutrality in a range of −0.13 or more and less than +0.14.
前記Aは、Ba、SrおよびCaからなる群から選ばれる少なくとも1つであり、
前記Bは、Zr、CeおよびTiからなる群から選ばれる少なくとも1つであり、
前記B'は、Yb、Y、NdおよびはInからなる群から選ばれる1つである、請求項1に記載の燃料電池。
A is at least one selected from the group consisting of Ba, Sr and Ca;
B is at least one selected from the group consisting of Zr, Ce and Ti;
2. The fuel cell according to claim 1, wherein B ′ is one selected from the group consisting of Yb, Y, Nd, and In.
x=0であり、前記組成式の電荷は、0より大きく0.14未満の範囲で電気的中性からずれている、請求項1または2に記載の燃料電池。   3. The fuel cell according to claim 1, wherein x = 0, and the charge of the composition formula deviates from electrical neutrality in a range of greater than 0 and less than 0.14. 0.0<x≦0.50であり、前記組成式の電荷は、−0.13以上0未満の範囲で電気的中性からずれている、請求項1または2に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein 0.0 <x ≦ 0.50, and the charge of the composition formula deviates from electrical neutrality in a range of −0.13 or more and less than 0. 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る、
請求項1から4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 4.
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る、
請求項1から4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 4.
前記アノードは、担体をさらに含み、
前記担体は、Al23、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4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 4.
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る、
請求項1から4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 4.
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る、
請求項1から4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 4.
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る、
請求項1から4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 4.
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り、
前記Cは、Ba、Sr、Ca、La及びSmからなる群から選ばれる少なくとも1つを含み、
前記Dは、Zr及びCeからなる群から選ばれる少なくとも1つとRuとを含むか、又は、Ni、Fe、Co及びMnからなる群から選ばれる少なくとも1つを含む、
請求項1から4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 4.
前記酸素を還元する触媒は、組成式La2-wSrwNiO4-δで表されるKNiF型結晶構造を有する酸化物であり、
0≦w≦0.5を満たす、
請求項1から4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 type 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 4.
前記酸素を還元する触媒は、組成式EF1-zF’z3-δで表されるペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物であり、
前記Eは、Ba、Sr及びCaからなる群から選ばれる少なくとも1つを含み、
前記Fは、Zr及びCeからなる群から選ばれる少なくとも1つとRuとを含み、
前記F’は、Y若しくはIn又は3価のランタノイド元素であり、
0.10<z<0.80を満たす、
請求項1から4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 4.
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