JP6292383B2 - 脱水素化装置 - Google Patents

Description

本開示は、脱水素化装置に関する。本開示は、特に、プロトン伝導体を備える脱水素化装置に関する。

プロトン伝導性固体電解質の中でも、組成式ＡＢ_1-xＢ'_xＯ_3-δで表されるペロブスカイト型プロトン伝導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。

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

また、特許文献１に、ペロブスカイト構造を有するプロトン伝導性膜が開示されている。特許文献１のプロトン伝導性膜は、化学式ＡＬ_1-XＭ_XＯ_3-αである。Ａがアルカリ土類金属である。Ｌがセリウム、チタン、ジルコニウム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。

また、芳香族炭化水素化合物等を水素化し、水素を有機ハイドライドの形で貯蔵及び運搬する技術が知られている。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り、従来、有機ハイドライドの脱水素化技術が研究されている。

特開２００８−２３４０４号公報

Ｎａｔｕｒｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｖｏｌ９（Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０１０） ８４６〜８５２

実用的な脱水素化装置を提供する。

本開示の脱水素化装置の一態様は、脱水素化により水素ガスを発生させる脱水素化装置であって、脱水素化触媒を含むアノードと、プロトンを還元する触媒を含むカソードと、前記アノード及び前記カソードの間に配置されたプロトン伝導体とを備え、前記プロトン伝導体は、組成式Ａ_aＢ_1-xＢ’_xＯ_3-δで表されるペロブスカイト型結晶構造を有し、 前記Ａは、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。

本開示の実施形態によれば、実用的な脱水素化装置が提供される。

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

（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。

（有機ハイドライドの脱水素化について）
従来、有機ハイドライドの脱水素化方法として、パラジウム膜等、水素を選択的に透過する水素透過膜を用いる方法が知られている。ここで、水素透過膜の一方の主面上には、有機ハイドライド等の水素を有する供給物の脱水素化のための触媒が形成されており、その主面側から有機ハイドライドを供給することにより、他方の主面側から水素が取り出される。水素透過膜の主面のうち、触媒を有しない側（水素が発生する側）の主面上に、水素を発生させるための触媒が形成されていることもある。

脱水素化の過程においては、有機ハイドライド等の供給側と、水素を発生させる側との間に圧力差が与えられる。すなわち、有機ハイドライドを供給する側の圧力が、水素の発生する側の圧力よりも高い場合に、有機ハイドライトの脱水素化が起きる。

ここで、有機ハイドライドの脱水素化は吸熱反応であり、有機ハイドライドの脱水素化のための装置を３５０℃程度に加熱する必要がある。そのため、脱水素化により生じた芳香族炭化水素が変質し、触媒上に炭素からなる析出物が形成されることがある。炭素からなる析出物が触媒上に形成されると、触媒性能が低下してしまう。また、前記のように、水素透過膜によって有機ハイドライドを供給する側の空間と、水素を発生させる側の空間とを隔て、それぞれの空間内の圧力を制御する脱水素化方法では、圧力差によって水素発生量が変化してしまう。そのため、水素発生量の細かな制御は困難である。

本発明者は、プロトン伝導性固体電解質を利用した有機ハイドライドの脱水素化を検討した。プロトン伝導性を有する固体電解質を用いることにより、電解質を介してプロトン（Ｈ⁺）を電気化学的に輸送することができる。特許文献２に記載の技術では、電解質を介して、隔壁で隔てられた一方の容器から他方の容器へプロトンを輸送させている。このような機構又はこのような動作が可能な装置は、水素ポンプと呼ばれる。

ここで、水素ポンプを簡単に説明する。典型的な水素ポンプは、アノードと、カソードと、これらの間に挟まれたプロトン伝導性固体電解質とを備え、アノード側に設けられた流路と、カソード側に設けられた流路とが、電解質によって分離された構造を有する。例えば、水素を酸化する触媒を含むアノードをプロトン伝導性固体電解質の一方の主面上に形成し、プロトンを還元する触媒を含むカソードをプロトン伝導性固体電解質の他方の主面上に形成する。このような構成によれば、アノード側の流路に水素を含有する気体を供給するとともに、アノードとカソードとの間に電位差を与えることにより、カソード側の流路に水素ガスを得ることができる。

水素ポンプでは、アノードにおいて水素を含有する気体から引き抜かれたプロトンが、プロトン伝導性固体電解質中を移動し、カソードにおいて水素に還元される。これにより、カソード側の流路に水素ガスが発生する。水素を酸化する触媒に代えて、有機ハイドライドの脱水素化のための触媒を用い、アノードに有機ハイドライドを供給することにより、カソード側の流路に水素ガスを発生できると期待される。

しかしながら、水素ポンプの運転条件は、プロトン伝導性固体電解質がプロトン伝導性を発揮するために必要な温度に大きく影響される。例えば、特許文献２に記載されるように固体高分子膜をプロトン伝導性固体電解質として用いると、固体高分子膜の耐熱温度である１００℃前後より低温で運転しなければならない。そのため、１００℃前後においても高活性な触媒が必要である。

また、動作時、プロトン伝導性を維持するために、プロトン伝導性固体高分子膜を湿潤した状態に保たなければならない。そのため、カソード側において発生する水素ガスに水分が含まれてしまい、純粋な水素を取り出すことが困難である。さらに、固体高分子膜は、有機ハイドライド及び／又は脱水素化後の芳香族炭化水素化合物等に溶解することがあり、安定して水素を供給することは困難である。

従来、プロトン伝導性を有する電解質として、固体高分子膜の他にペロブスカイト型プロトン伝導性酸化物が知られている。しかしながら、一般的に、ペロブスカイト型プロトン伝導性酸化物は、６００℃以上の温度で実用可能なプロトン伝導性を示す。そのため、ペロブスカイト型プロトン伝導性酸化物をプロトン伝導性固体電解質として用いた場合には、６００℃以上の高温での運転が必要である。このような装置では、加熱装置が必要であり、漏洩しやすい水素ガスを得るための装置を構成する部材の選択の幅が狭かった。また、高温により、有機ハイドライド及び／又は脱水素化後の芳香族炭化水素化合物等が変質するおそれがある。

以上の理由から、１００℃以上３００℃以下の温度域において動作できる、実用的な脱水素化装置が求められている。

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

本発明の一態様の概要は、以下のとおりである。

本発明の一態様である脱水素化装置は、脱水素化により水素ガスを発生させる脱水素化装置であって、脱水素化触媒を含むアノードと、プロトンを還元する触媒を含むカソードと、前記アノード及び前記カソードの間に配置されたプロトン伝導体とを備え、前記プロトン伝導体は、組成式Ａ_aＢ_1-xＢ’_xＯ_3-δで表されるペロブスカイト型結晶構造を有し、前記Ａは、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。

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。

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。

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。

前記脱水素化触媒は、Ｎｉ、Ｐｔ及びＰｄからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む金属又は合金であってもよい。

前記脱水素化触媒は、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。

前記アノードは、担体をさらに含んでいてもよい。前記担体は、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、又はＺｒＯ₂から構成されていてもよい。前記脱水素化触媒は、Ｎｉ、Ｐｔ及びＰｄからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む金属又は合金であってもよい。前記脱水素化触媒は、前記担体の表面上に担持されていてもよい。

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

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

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

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

（ペロブスカイト構造）
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。

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'_xＯ₃によって表されるペロブスカイト結晶である。ここで、ｘは、Ｂ'の組成比（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。

（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。

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。

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。

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。

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。

本発明の一態様であるプロトン伝導体は、組成式Ａ_aＢ_1-xＢ'_xＯ_3-δで表されるペロブスカイト型結晶構造を有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。

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。

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。

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。

（実施の形態１）
以下、実施の形態を説明する。

本開示のプロトン伝導体は、組成式Ａ_aＢ_1-xＢ'_xＯ_3-δで表されるペロブスカイト型結晶構造を有する。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Ａ_aＢ_1-xＢ'_xＯ_3-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Ａ_aＢ_1-xＢ'_xＯ_3-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。

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。

＜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、Ｂａ_yＡ'_1-y（０＜ｙ≦１）である。

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。

＜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'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Ａ_aＢ_1-xＢ'_xＯ_3-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'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。

（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。

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。

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。

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Ａ_aＢ_1-xＢ'_xＯ_3-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。

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。

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。

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。

（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。

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Ａ_aＢ_1-xＢ'_xＯ_3-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。

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。

（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。

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。

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。

（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。

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。

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。

（実施例）
以下、実施例により、本開示を具体的に説明する。

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

真空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。

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。

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。

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。

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（Ａ_aＢＯ_3-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。

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。

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。

（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。

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（Ａ_aＢ_1-xＢ'_xＯ_3-δ）は、Ａの元素がバリウム（Ｂａ）であり、ａの値は０．９７５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。

（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。

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（Ａ_aＢ_1-xＢ'_xＯ_3-δ）は、Ａの元素がバリウム（Ｂａ）であり、ａの値は０．５３９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。

（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。

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（Ａ_aＢ_1-xＢ'_xＯ_3-δ）は、Ａの元素がバリウム（Ｂａ）であり、ａの値は０．５２２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。

（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（Ｙ₂Ｏ₃）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。

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（Ａ_aＢ_1-xＢ'_xＯ_3-δ）は、Ａの元素がバリウム（Ｂａ）であり、ａの値は０．９６６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。

（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。

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（Ａ_aＢＯ_3-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。

（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。

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（Ａ_aＢ_1-xＢ'_xＯ_3-δ）は、Ａの元素がストロンチウム（Ｓｒ）であり、ａの値は０．９６５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。

（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。

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（Ａ_aＢ_1-xＢ'_xＯ_3-δ）は、Ａの元素がストロンチウム（Ｓｒ）であり、ａの値は０．７３６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。

（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。

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（Ａ_aＢ_1-xＢ'_xＯ_3-δ）は、Ａの元素がストロンチウム（Ｓｒ）であり、ａの値は０．６８６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。

（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。

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（Ａ_aＢ_1-xＢ'_xＯ_3-δ）は、Ａの元素がストロンチウム（Ｓｒ）であり、ａの値は０．５６３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。

（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。

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（Ａ_aＢＯ_3-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。

（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。

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（Ａ_aＢ_1-xＢ'_xＯ_3-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。

（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。

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（Ａ_aＢ_1-xＢ'_xＯ_3-δ）は、Ａの元素がバリウム（Ｂａ）とストロンチウム（Ｓｒ）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。

（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。

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（Ａ_aＢ_1-xＢ'_xＯ_3-δ）は、Ａの元素がバリウム（Ｂａ）であり、ａの値は０．６０３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。

（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。

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（Ａ_aＢ_1-xＢ'_xＯ_3-δ）は、Ａの元素がバリウム（Ｂａ）であり、ａの値は０．６３５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。

（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。

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（Ａ_aＢ_1-xＢ'_xＯ_3-δ）は、Ａの元素がバリウム（Ｂａ）であり、ａの値は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。

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。

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。

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。

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。

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。

（脱水素化装置の実施形態）
以下、図３を参照しながら、本開示の実施形態による脱水素化装置の構成及び動作を説明する。

図３に示す脱水素化装置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、脱水素化装置１００は、１００℃以上５００℃以下の温度域において、動作することができる。さらに、プロトン伝導体１０１を備える脱水素化装置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。

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

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

アノード１０２は、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。

アノード１０２に含まれる触媒として、Ｎｉ、Ｐｔ、及びＰｄからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む金属又は合金を用いる場合、触媒は、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂等からなる担体の表面上に担持されていてもよい。すなわち、アノード１０２は、担体をさらに含み得る。担体の材料に特に限定はない。Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、及びＺｒＯ₂は、アノード１０２の形成が容易な担体の例である。また、担体の形状に特に限定はなく、アノード１０２に含まれる触媒と外部電源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。

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

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

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

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

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

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

脱水素化装置１００は、有機ハイドライドを含有する液体又は気体をアノード１０２に供給し、アノード１０２とカソード１０３との間に電位差を与えることにより、アノード１０２において有機ハイドライドの脱水素化が起きる。有機ハイドライドから引き抜かれたプロトンは、前述の水素ポンプの作用によりプロトン伝導体１０１を介してカソード１０３側に電気化学的に輸送される。カソード１０３に到達したプロトンは、カソード１０３において還元される。これにより、第２流路１１０内に水素ガスが発生する。第２流路１１０内に得られる水素ガスは、ほぼ純粋な水素ガスである。したがって、脱水素化装置１００を利用することにより、有機ハイドライドから、純度の高い水素ガスを得ることができる。

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、水蒸気、炭化水素系ガス、窒素ガス、二酸化炭素ガス、酸素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等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。

アノード１０２では、以下の式（１）に示す反応が進行する。
Ｃ₇Ｈ₁₄→Ｃ₇Ｈ₈＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- （１）

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。第１流体出口１０６からの排出物には、有機ハイドライドが含有され得る。第１流体出口１０６を介して排出された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。

脱水素化装置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。

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

アノード１０２において有機ハイドライドを含有する気体から引き抜かれ、プロトン伝導体１０１中を移動したプロトンは、カソード１０３において水素に還元される。カソード１０３では、以下の式（２）に示す反応が進行する。
６Ｈ⁺＋６ｅ^-→３Ｈ₂ （２）

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

有機ハイドライドを含有する気体又は液体を導入するための流路と、得られた水素ガスを収集するための流路とは、図３に例示した構成に限定されず、種々の構成及び配置を採用し得る。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。

以上に説明したように、本開示の実施形態によれば、１００℃以上３００℃以下の温度域においても動作可能な、実用的な脱水素化装置を提供できる。本開示の実施形態によれば、３００℃以下の温度域において有機ハイドライドの脱水素化が可能であるので、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ながら、水素ガスを得ることができる。また、反応容器、配管等の材料をより幅広い選択肢の中から選択することができる。本開示の実施形態によれば、カソードにおいて水が生成されず、電解質を湿潤した状態に保つ必要もないので、より簡易な構成でありながら、純度の高い乾燥した水素ガスを得ることができる。なお、本開示の実施形態による脱水素化装置は、プロトン伝導体中のプロトンの移動を電気的に制御できるので、水素発生量の細かな制御が可能である。

本開示の実施形態による脱水素化装置は、水素ガスの製造に利用できる。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、必要に応じて水素ガスの形で取り出すことが可能である。

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

Claims (10)

1. 脱水素化により水素ガスを発生させる脱水素化装置であって、
   脱水素化触媒を含むアノードと、
   プロトンを還元する触媒を含むカソードと、
   前記アノード及び前記カソードの間に配置されたプロトン伝導体と
   を備え、
   前記プロトン伝導体は、組成式Ａ_ａＢ_１−ｘＢ’_ｘＯ_３−δで表されるペロブスカイト型結晶構造を有し、
   前記Ａは、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未満、または、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、脱水素化装置。
2. 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に記載の脱水素化装置。
3. 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に記載の脱水素化装置。
4. 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に記載の脱水素化装置。
5. 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脱水素化装置。
6. 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脱水素化装置。
7. 前記アノードは、担体をさらに含み、
   前記担体は、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、又はＺｒＯ₂から構成されており、
   前記脱水素化触媒は、Ｎｉ、Ｐｔ及びＰｄからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む金属又は合金であり、前記担体の表面上に担持されている、
   請求項１から４のいずれかに記載の脱水素化装置。
8. 前記プロトンを還元する触媒は、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｒｅ及びＲｈからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む金属又は合金である、
   請求項１から４のいずれかに記載の脱水素化装置。
9. 前記プロトンを還元する触媒は、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｒｅ及びＲｈからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む酸化物である、
   請求項１から４のいずれかに記載の脱水素化装置。
10. 前記プロトンを還元する触媒は、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｒｅ及びＲｈからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む酸化物を含有するサーメットである、
    請求項１から４のいずれかに記載の脱水素化装置。

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