(57)【要約】【課題】より実用的な水蒸気電解装置を提供する。【解決手段】本開示の実施形態による水蒸気電解装置は、水を含有する気体中の水素を酸化する触媒を含むアノードと、プロトンを還元する触媒を含むカソードと、アノード及びカソードの間に配置されたプロトン伝導体とを備える。プロトン伝導体は、組成式ＡaＢ1-xＢ’xＯ3-δで表されるペロブスカイト型結晶構造を有し、Ａの元素はアルカリ土類金属であって、その元素の組成比率を示すａの値が、０．４＜ａ＜０．９の範囲で含み、Ｂ’の元素は３価の３族および１３族の元素であって、その元素の組成比率を示すｘの値が、０．２＜ｘ＜０．６の範囲で含まれている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気電解により水素ガスを生成する水蒸気電解装置であって、
水を含有する気体中の水素を酸化する触媒を含むアノードと、
プロトンを還元する触媒を含むカソードと、
前記アノード及び前記カソードの間に配置されたプロトン伝導体と
を備え、
前記プロトン伝導体は、組成式ＡaＢ1-xＢ'xＯ3-δで表されるペロブスカイト型結晶構造を有し、
前記Ａは、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、水蒸気電解装置。
【請求項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に記載の水蒸気電解装置。
【請求項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に記載の水蒸気電解装置。
【請求項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に記載の水蒸気電解装置。
【請求項５】
前記水を含有する気体中の水素を酸化する触媒は、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、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水蒸気電解装置。
【請求項６】
前記水を含有する気体中の水素を酸化する触媒は、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、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水蒸気電解装置。
【請求項７】
前記水を含有する気体中の水素を酸化する触媒は、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水蒸気電解装置。
【請求項８】
前記水を含有する気体中の水素を酸化する触媒は、組成式Ｌａ2-zＳｒzＮｉＯ4-δで表されるＫ2ＮｉＦ4型結晶構造を有する酸化物であり、
０≦ｚ≦０．５を満たす、
請求項１から４のいずれかに記載の水蒸気電解装置。
【請求項９】
前記水を含有する気体中の水素を酸化する触媒は、組成式ＥＦ1-yＦ’yＯ3-δで表されるペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物であり、
前記Ｅは、Ｂａ、Ｓｒ及びＣａからなる群から選ばれる少なくとも１つを含み、
前記Ｆは、Ｚｒ及びＣｅからなる群から選ばれる少なくとも１つとＲｕとを含み、
前記Ｆ’は、Ｙ若しくはＩｎ又は３価のランタノイド元素であり、
０．１０＜ｙ＜０．８０を満たす、
請求項１から４のいずれかに記載の水蒸気電解装置。
【請求項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水蒸気電解装置。
【請求項１１】
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水蒸気電解装置。
【請求項１２】
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水蒸気電解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、水蒸気電解装置に関する。本開示は、特に、プロトン伝導体を備える水蒸気電解装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロトン伝導性固体電解質の中でも、組成式ＡＢ1-xＢ'xＯ3-δで表されるペロブスカイト型プロトン伝導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。
【０００３】
非特許文献１に、ペロブスカイト構造を有する酸化物が開示されている。非特許文献１の酸化物は、組成式ＢａＺｒ1-xＹxＯ3-δまたは組成式ＢａＣｅ1-xＹxＯ3-δである。ここで、Ａがバリウム（Ｂａ）であり、ＢがＺｒまたはＣｅであり、Ｂ'がＹの酸化物である。
【０００４】
また、特許文献１に、ペロブスカイト構造を有するプロトン伝導性膜が開示されている。特許文献１のプロトン伝導性膜は、化学式ＡＬ1-XＭXＯ3-αである。Ａがアルカリ土類金属である。Ｌがセリウム、チタン、ジルコニウム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。
【０００５】
水蒸気電解により水素ガスを製造する技術が知られている。例えば、特許文献２に、水蒸気電解用電気化学セルが開示されている。特許文献２に記載の電気化学セルでは、上述したようなペロブスカイト型プロトン伝導性酸化物が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２３４０４号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｎａｔｕｒｅ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｖｏｌ９（Ｏｃｔｏｂｅｒ  ２０１０）  ８４６〜８５２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
より実用的な水蒸気電解装置を提供することが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示の水蒸気電解装置の一態様は、水蒸気電解により水素ガスを生成する水蒸気電解装置であって、水を含有する気体中の水素を酸化する触媒を含むアノードと、プロトンを還元する触媒を含むカソードと、前記アノード及び前記カソードの間に配置されたプロトン伝導体とを備え、前記プロトン伝導体は、組成式ＡaＢ1-xＢ’xＯ3-δで表されるペロブスカイト型結晶構造を有し、前記Ａは、アルカリ土類金属から選択される少なくとも１つであり、前記Ｂは、４価の４族の遷移金属又はＣｅであり、前記Ｂ’は、３価の３族又は１３族の元素であり、０．４＜ａ＜０．９、かつ、０．２＜ｘ＜０．６を満たす。
【発明の効果】
【００１０】
本開示の実施形態によれば、より実用的な水蒸気電解装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】本開示の実施形態による水蒸気電解装置の例を示す模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（水蒸気電解について）
水蒸気電解装置は、例えば、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（特許文献２の図５参照）。プロトン伝導性固体電解質の一方の主面上に形成されるアノードは、水蒸気中の水素を酸化する触媒を含んでいる。プロトン伝導性固体電解質の他方の主面上に形成されるカソードは、プロトンを還元する触媒を含んでいる。アノード側の流路に水蒸気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。水蒸気電解装置では、アノードにおいて水蒸気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。
【００１３】
水蒸気電解装置の運転条件は、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。
【００１４】
例えば、プロトン伝導性固体電解質として固体高分子膜が従来知られている。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、固体高分子膜を湿潤した状態に保つ必要があり、また、固体高分子膜の耐熱温度よりも低温で運転する必要がある。そのため、水蒸気電解装置のプロトン伝導性固体電解質として固体高分子膜を用いるには、作動温度を１００℃前後より低温に設定する必要がある。しかしながら、１００℃前後より低温では、アノードに供給された水蒸気が凝結して水を生じてしまう。水を電気分解に必要な電圧は水蒸気よりも０．３Ｖ程度高いので、アノードにおいて水が生じてしまうと、水素ガスを得るために投入した電力を大きく損失する。さらに、１００℃前後においても高活性な触媒も必要である。また、固体高分子膜が湿潤した状態で運転されるので、カソード側の流路内に得られる気体に水分が含まれてしまう。したがって、純粋な水素ガスを取り出すことが困難である。
【００１５】
また、従来、プロトン伝導性を有する電解質としてペロブスカイト型プロトン伝導性酸化物も知られている。ペロブスカイト型プロトン伝導性酸化物は、６００℃以上の温度で実用可能なプロトン伝導性を示す。そのため、ペロブスカイト型プロトン伝導性酸化物をプロトン伝導性固体電解質として用いた場合には、６００℃以上の高温での運転が必要である。このような水蒸気電解装置は、加熱装置が必要であり、漏洩しやすい水素ガスを得るための水蒸気電解装置を構成する部材の選択の幅が狭かった。
【００１６】
以上の理由から、１００℃以上５００℃以下の温度域において動作できる、より実用的な水蒸気電解装置が求められている。
【００１７】
本発明者は、鋭意研究を重ねることにより、１００℃以上５００℃以下の温度域においても高いプロトン伝導度を維持するプロトン伝導性酸化物を見出し、このようなプロトン伝導性酸化物を電解質として用いた水蒸気電解装置を想到した。
【００１８】
本発明の一態様の概要は、以下のとおりである。
【００１９】
本発明の一態様である水蒸気電解装置は、水蒸気電解により水素ガスを生成する水蒸気電解装置であって、水を含有する気体中の水素を酸化する触媒を含むアノードと、プロトンを還元する触媒を含むカソードと、前記アノード及び前記カソードの間に配置されたプロトン伝導体とを備え、前記プロトン伝導体は、組成式ＡaＢ1-xＢ'xＯ3-δで表されるペロブスカイト型結晶構造を有し、前記Ａは、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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
前記水を含有する気体中の水素を酸化する触媒は、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、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。
【００２４】
前記水を含有する気体中の水素を酸化する触媒は、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、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。
【００２５】
前記水を含有する気体中の水素を酸化する触媒は、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。
【００２６】
前記水を含有する気体中の水素を酸化する触媒は、組成式Ｌａ2-zＳｒzＮｉＯ4-δで表されるＫ2ＮｉＦ4型結晶構造を有する酸化物であってもよい。０≦ｚ≦０．５が満たされてもよい。
【００２７】
前記水を含有する気体中の水素を酸化する触媒は、組成式ＥＦ1-yＦ’yＯ3-δで表されるペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物であってもよい。前記Ｅは、Ｂａ、Ｓｒ及びＣａからなる群から選ばれる少なくとも１つを含んでいてもよい。前記Ｆは、Ｚｒ及びＣｅからなる群から選ばれる少なくとも１つとＲｕとを含んでいてもよい。前記Ｆ’は、Ｙ若しくはＩｎ又は３価のランタノイド元素であってもよい。０．１０＜ｙ＜０．８０が満たされてもよい。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
本開示による水蒸気電解装置の実施形態を説明する前に、この水蒸気電解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。
【００３２】
（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。
【００３３】
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。
【００３４】
（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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
本発明の一態様であるプロトン伝導体は、組成式ＡaＢ1-xＢ'xＯ3-δで表されるペロブスカイト型結晶構造を有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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
（実施の形態１）
以下、実施の形態を説明する。
【００４４】
本開示のプロトン伝導体は、組成式ＡaＢ1-xＢ'xＯ3-δで表されるペロブスカイト型結晶構造を有する。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ＡaＢ1-xＢ'xＯ3-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ＡaＢ1-xＢ'xＯ3-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。
【００４５】
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。
【００４６】
＜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。
【００４７】
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。
【００４８】
＜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。
【００４９】
＜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ＡaＢ1-xＢ'xＯ3-δの電荷が電気的中性からずれても安定に存在し得る。
【００５０】
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。
【００５１】
（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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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ＡaＢ1-xＢ'xＯ3-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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
（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。
【００５９】
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ＡaＢ1-xＢ'xＯ3-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。
【００６０】
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。
【００６１】
（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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
（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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
（実施例）
以下、実施例により、本開示を具体的に説明する。
【００６８】
（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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
（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。
【００７７】
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（ＡaＢ1-xＢ'xＯ3-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。
【００７８】
（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。
【００７９】
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（ＡaＢ1-xＢ'xＯ3-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。
【００８０】
（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。
【００８１】
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（ＡaＢ1-xＢ'xＯ3-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。
【００８２】
（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。
【００８３】
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（ＡaＢ1-xＢ'xＯ3-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。
【００８４】
（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。
【００８５】
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。
【００８６】
（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。
【００８７】
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（ＡaＢ1-xＢ'xＯ3-δ）は、Ａの元素がストロンチウム（Ｓｒ）であり、ａの値は０．９６５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。
【００８８】
（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。
【００８９】
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（ＡaＢ1-xＢ'xＯ3-δ）は、Ａの元素がストロンチウム（Ｓｒ）であり、ａの値は０．７３６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。
【００９０】
（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。
【００９１】
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（ＡaＢ1-xＢ'xＯ3-δ）は、Ａの元素がストロンチウム（Ｓｒ）であり、ａの値は０．６８６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。
【００９２】
（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。
【００９３】
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（ＡaＢ1-xＢ'xＯ3-δ）は、Ａの元素がストロンチウム（Ｓｒ）であり、ａの値は０．５６３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。
【００９４】
（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。
【００９５】
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。
【００９６】
（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。
【００９７】
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（ＡaＢ1-xＢ'xＯ3-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。
【００９８】
（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。
【００９９】
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（ＡaＢ1-xＢ'xＯ3-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。
【０１００】
（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。
【０１０１】
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（ＡaＢ1-xＢ'xＯ3-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。
【０１０２】
（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。
【０１０３】
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（ＡaＢ1-xＢ'xＯ3-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。
【０１０４】
（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。
【０１０５】
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（ＡaＢ1-xＢ'xＯ3-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。
【０１０６】
【表１】
2015147997.tif 000003
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
（水蒸気電解装置の実施形態）
以下、図３を参照しながら、本開示の実施形態による水蒸気電解装置の構成及び動作を説明する。
【０１１３】
図３に示す水蒸気電解装置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、水蒸気電解装置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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
水蒸気電解装置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、水蒸気電解装置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。
【０１１６】
アノード１０２は、水を含有する気体中の水素を酸化する触媒を含む。すなわち、アノード１０２は、例えば水蒸気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、Ｐｄ、Ｒｅ及びＲｈからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む、金属、合金又は酸化物である。
【０１１７】
アノード１０２に含まれる触媒の他の例は、組成式ＡＢＯ3-δで表されるペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物である。ここで、Ａは、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｌａ及びＳｍからなる群から選ばれる少なくとも１つを含み、Ｂは、Ｚｒ及びＣｅからなる群から選ばれる少なくとも１つとＲｕとを含む。又は、Ｂは、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ及びＭｎからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む。なお、Ｏは酸素であり、δは、酸素欠損または酸素過剰を示す。このような酸化物として、Ｌａ1-xＳｒxＦｅＯ3-δ（０≦ｘ≦１．０）、Ｌａ1-xＳｒxＣｏ1-yＦｅyＯ3-δ（０≦ｘ≦１．０、０．１≦ｙ≦０．８）、Ｌａ1-xＳｒxＭｎＯ3-δ（０≦ｘ≦０．４）、Ｓｍ1-xＳｒxＣｏＯ3-δ（０．２＜ｘ＜０．８）、Ｂａ1-xＳｒxＣｏ1-yＦｅyＯ3-δ（０．４≦ｘ≦１．０、０．４≦ｙ≦１．０）等を例示することができる。なお、Ｌａ2-xＳｒxＮｉＯ4-δ（ただし、０≦ｘ≦０．５）で表されるＫ2ＮｉＦ4型結晶構造を有する酸化物を用いることも可能である。
【０１１８】
アノード１０２に含まれる触媒として、プロトンと電子とを伝導し得る混合伝導性酸化物を用いてもよい。例えば、組成式ＡＢ1-xＢ’xＯ3-δで表される酸化物を用い得る。この酸化物は、前述したようなペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物である。ここで、Ａは、Ｂａ、Ｓｒ及びＣａからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む。Ｂは、Ｚｒ及びＣｅからなる群から選ばれる少なくとも１つとＲｕとを含み、Ｂ’は、Ｙ若しくはＩｎ又は３価のランタノイド元素である。Ｂ’の元素の組成比率を示すｘの値は、０．１０＜ｘ＜０．８０の範囲であり、より好ましくは、０．２５＜ｘ＜０．７５の範囲である。なお、ＡとＢとＢ’の和を２とした場合におけるＲｕの原子数比率は、例えば０．０１以上、０．８以下である。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
図３に例示する構成では、水蒸気電解装置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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
図示する構成では、水蒸気電解装置１００の動作時、第１流体入口１０５を介して、第１流路１０９に、水を含有する気体（典型的には水蒸気）が導入される。また、後に詳しく説明するように、水蒸気電解装置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。水を含有する気体を導入するために、第１流体入口１０５、第１流体出口１０６のそれぞれに不図示の配管が接続される。これらの配管の途中には、ボイラ、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。
【０１２５】
水蒸気電解装置１００は、水を含有する気体をアノード１０２に供給し、アノード１０２とカソード１０３との間に電位差を与えることにより、カソード１０３においてプロトンを還元する。これにより、第２流路１１０内に水素ガスが発生する。第２流路１１０内に得られる水素ガスは、ほぼ純粋な水素ガスである。したがって、水蒸気電解装置１００を利用することにより、水を電気分解して純度の高い水素ガスを得ることができる。
【０１２６】
第１流体入口１０５から例えば水蒸気を導入し、第１流路１０９において水蒸気をアノード１０２に接触させる。アノード１０２に供給される気体は、水蒸気の他に、窒素ガス、アルゴンガス等の他のガスを含んでいてもよい。これにより、水蒸気（水）からプロトンが引き抜かれる。すなわち、アノード１０２では、以下の式（１）に示す反応が進行する。
２Ｈ2Ｏ→Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-      （１）
【０１２７】
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。
【０１２８】
アノード１０２において水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。
４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2      （２）
【０１２９】
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。
【０１３０】
なお、第１流体入口１０５から導入された水蒸気の一部は、第１流体出口１０６を介して排出される。第１流体出口１０６を介して排出された水分を回収して、必要に応じて加熱を行った後、水蒸気の形で第１流体入口１０５から第１流路１０９に再度導入してもよい。なお、第１流体出口１０６を介して排出される気体には、アノード１０２において生成される酸素ガスが含まれている。この酸素ガスは、例えば水蒸気電解装置１００の外部に排出される。
【０１３１】
水を含有する気体を導入するための流路と、得られた水素ガスを収集するための流路とは、図３に例示した構成に限定されず、種々の構成及び配置を採用し得る。また、アノード１０２、プロトン伝導体１０１及びカソード１０３が順に積層される構成では、アノード側の空間とカソード側の空間とを分離する隔壁の少なくとも一部が、アノード１０２、プロトン伝導体１０１及びカソード１０３の積層体であればよい。
【０１３２】
以上に説明したように、本開示の実施形態によれば、１００℃以上５００℃以下の温度域において動作可能な、より実用的な水蒸気電解装置を提供できる。また、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。さらに、５００℃以下の温度域において水素ガスを製造することが可能であるので、反応容器、配管等の材料をより幅広い選択肢の中から選択することができる。このように、本開示の実施形態によれば、例えば１００℃以上４００℃以下の温度域で効率的に水素ガスを製造し得る、小型かつより実用的な水蒸気電解装置を提供することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１３３】
本開示の実施形態による水蒸気電解装置は、水素ガスの製造に利用できる。
【符号の説明】
【０１３４】
１００  水蒸気電解装置
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
【図１】
2015147997.tif 000004
【図２】
2015147997.tif 000005
【図３】
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