(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学式Ａ２（Ｚｒ１−ｘＹｂｘ）Ｏ４（式中、Ａは、Ｓｒ及びＢａからなる群より選ばれるアルカリ土類金属を表わし、０＜ｘ＜０．８である。）で表わされる化合物及び化学式Ａ（Ｚｒ１−ｘＹｂｘ）Ｏ３（式中、Ａ及びｘは、前記と同じ意味を表わす。）で表わされペロブスカイト構造である化合物が混在してなり、かつ１．１≦Ａ／（Ｚｒ＋Ｙｂ）≦２．０（原子比）であることを特徴とするプロトン導電性酸化物。
【請求項２】
化学式Ａ２（Ｚｒ１−ｘＹｂｘ）Ｏ４（式中、Ａは、Ｓｒ及びＢａからなる群より選ばれるアルカリ土類金属を表わし、０＜ｘ＜０．８である。）で表わされる化合物からなり、かつ１．１≦Ａ／（Ｚｒ＋Ｙｂ）≦２．０（原子比）であることを特徴とするプロトン導電性酸化物。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のプロトン導電性酸化物よりなり、その厚みが２０μｍ以下であることを特徴とする酸化物プロトン導電性膜。
【請求項４】
水素透過性能を有する金属基材、及びその上に形成された酸化物プロトン導電性膜からなり、前記酸化物プロトン導電性膜が、請求項３に記載の酸化物プロトン導電性膜であることを特徴とする水素透過構造体。
【請求項５】
前記水素透過性能を有する金属基材が、水素透過性金属膜であることを特徴とする請求項４に記載の水素透過構造体。
【請求項６】
前記水素透過性能を有する金属基材が、金属多孔体基材の表面に水素透過性金属膜を設けたものであることを特徴とする請求項４に記載の水素透過構造体。
【請求項７】
前記水素透過性金属膜が、Ｐｄを含んだ金属膜、又はＶ、Ｎｂ及びＴａから選ばれるいずれかを含んだ金属膜の両面にＰｄを含んだ膜を成膜したものであることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の水素透過構造体。
【請求項８】
請求項４ないし請求項７のいずれか１項に記載の水素透過構造体を用いることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の固体電解質として用いられるプロトン導電性酸化物、及びこのプロトン導電性酸化物からなる酸化物プロトン導電性膜に関する。本発明は、さらに、この酸化物プロトン導電性膜を構成要素とする水素透過構造体、及びこの水素透過構造体を用いた燃料電池にも関する。
【背景技術】
【０００２】
水素透過性能を有する金属基材上に酸化物プロトン導電性膜電を形成してなる水素透過構造体を用いた燃料電池は、例えば、ＳＯＬＩＤ  ＳＴＡＴＥ  ＩＯＮＩＣＳ、１６２−１６３（２００３）、２９１−２９６頁（非特許文献１）等に記載されており、すでに知られている。酸化物プロトン導電性膜は耐熱性が高いので、これを用いた燃料電池は、その作動温度を５００〜６００℃程度の高温にすることが可能であり、原料ガスを熱分解した高温ガスをそのまま用いることができるとの利点を有する。
【０００３】
従来、このような酸化物プロトン導電性膜を形成するプロトン導電性酸化物としては、ＢａＣｅＹＯやＳｒＣｅＹｂＯ等、Ｃｅを含有しペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物が用いられていた。このＣｅ系のプロトン導電性酸化物はプロトンの導電率が高く、これらを用いることにより電池としての高い出力が得られる。しかし、ＢａＣｅＹＯ、ＳｒＣｅＹｂＯ等のＣｅ系の酸化物は、二酸化炭素により反応分解しやすい（ＳＯＬＩＤ  ＳＴＡＴＥ  ＩＯＮＩＣＳ、６１（１９９３）８３−９１頁、非特許文献２）等、化学的安定性に問題がある。
【０００４】
ＳｒＣｅＯ系酸化物よりも化学的安定性が優れるプロトン導電性酸化物としては、ＳｒＺｒＯ系の酸化物が知られており、ＳＯＬＩＤ  ＳＴＡＴＥ  ＩＯＮＩＣＳ、５１（１９９２）１０１−１０２頁、非特許文献３）等に開示されている。しかし、このＳｒＺｒＯ系酸化物は、プロトン導電率についてはＳｒＣｅＯ系よりも低い（ｐ１０５、右、１５−１８行）。ＳｒＺｒＯ系酸化物のプロトン導電率は、Ｙｂ等のドープにより向上するが（非特許文献３、ｐ１０３、左、１１−２０行）、このドープによってもプロトン導電率はＳｒＣｅＯ系よりも低く、ＳｒＺｒＯ系酸化物を用いた燃料電池は高出力化できないと考えられていた。
【非特許文献１】ＳＯＬＩＤ  ＳＴＡＴＥ  ＩＯＮＩＣＳ、１６２−１６３（２００３）、２９１−２９６頁
【非特許文献２】ＳＯＬＩＤ  ＳＴＡＴＥ  ＩＯＮＩＣＳ、６１（１９９３）８３−９１頁
【非特許文献３】ＳＯＬＩＤ  ＳＴＡＴＥ  ＩＯＮＩＣＳ、５１（１９９２）１０１−１０２頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、化学的安定性に優れるＺｒを含有する酸化物であって、かつ高いプロトン導電率を有するプロトン導電性酸化物を提供することを課題とする。本発明は、又、このプロトン導電性酸化物からなる薄膜であって、すぐれた化学的安定性と高いプロトン導電率を有する酸化物プロトン導電性膜を提供することを課題とする。本発明は、さらに、この酸化物プロトン導電性膜及び水素透過性能を有する金属基材から構成され、燃料電池に好適に用いられる水素透過構造体を提供することを課題とする。本発明は、さらに又、この水素透過構造体を用いた燃料電池であって、高い電池出力が得られる燃料電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、鋭意検討の結果、Ｚｒ及びアルカリ土類金属Ａを含有し、又は、Ｚｒ、アルカリ土類金属Ａ並びにＮｄ、Ａｌ、Ｙ、Ｉｎ、Ｙｂ、Ｓｃ、Ｇｄ、Ｓｍ及びＰｒからなる群より選ばれる１種以上の元素Ｍを含有し、かつ１．１≦Ａ／（Ｚｒ＋Ｍ）（原子比）である酸化物が、優れたプロトン導電率を有することを見出した。すなわち、Ａ、Ｚｒ及びＭを含有し、１．０＝Ａ／（Ｚｒ＋Ｍ）（原子比）であるペロブスカイト構造の酸化物は、従来公知であったが、１．１≦Ａ／（Ｚｒ＋Ｍ）（原子比）とすることにより、プロトン導電率が従来公知の酸化物より高くなることを見出したのである。なお、Ａ／（Ｚｒ＋Ｍ）（原子比）の値は、ＩＣＰ（イオン結合プラズマ分光分析法）により測定した値である。
【０００７】
本発明者はさらに、１．１≦Ａ／（Ｚｒ＋Ｍ）（原子比）である酸化物は、プロトン以外のキャリアの導電率が、前記従来公知の酸化物より低いことも見出した。そして、このような優れた特徴を有するプロトン導電性酸化物を用いて製造された燃料電池は、大きな電流密度を達成することができ、又電池の初期電圧（ゼロ電流時の電圧）が大きいという優れた特徴を有する。すなわち、前記プロトン導電性酸化物のプロトン導電率が高いことにより、電池の内部抵抗が少なくなり、大きな電流密度が得られ、又プロトン以外のキャリアの導電率が低いことにより、電池の初期電圧が大きくなる。本発明は、このような知見に基づき完成されたものである。
【０００８】
本発明の請求項１の態様は、Ｚｒ及びアルカリ土類金属Ａを含有し、又は、Ｚｒ、アルカリ土類金属Ａ並びにＮｄ、Ａｌ、Ｙ、Ｉｎ、Ｙｂ、Ｓｃ、Ｇｄ、Ｓｍ及びＰｒからなる群より選ばれる１種以上の元素Ｍを含有し、かつ１．１≦Ａ／（Ｚｒ＋Ｍ）（原子比）であることを特徴とするプロトン導電性酸化物である。プロトン導電性酸化物は、固体電解質であって、その中をプロトン（Ｈ＋、陽子）が伝播する性質を有する。前記のように本発明のプロトン導電性酸化物は、従来公知の酸化物よりプロトン導電率が高く、又プロトン以外のキャリアの導電率が低いという優れた特徴を有する。
【０００９】
この本発明のプロトン導電性酸化物の中でも、化学式Ａ２（Ｚｒ１−ｘＭｘ）Ｏ４（式中、Ａはアルカリ土類金属を表わし、Ｍは、Ｎｄ、Ａｌ、Ｙ、Ｉｎ、Ｙｂ、Ｓｃ、Ｇｄ、Ｓｍ及びＰｒからなる群より選ばれる元素を表わし、０≦ｘ＜０．８である。）で表わされる化合物及び化学式Ａ（Ｚｒ１−ｘＭｘ）Ｏ３（式中、Ａ、Ｍ及びｘは、前記と同じ意味を表わす。）で表わされペロブスカイト構造である化合物が混在してなる酸化物が、プロトン導電率がより高いので好ましい。請求項２は、この好ましい態様に該当する。
【００１０】
Ａで表されるアルカリ土類金属としては、Ｂａ、Ｃａ及びＳｒが例示され、中でもＢａ、Ｓｒが、プロトン導電率をより高くするので好ましく例示される。元素Ｍについては、Ｍを含有している酸化物が、プロトン導電率が高く好ましい。特に、前記化学式Ａ２（Ｚｒ１−ｘＭｘ）Ｏ４、Ａ（Ｚｒ１−ｘＭｘ）Ｏ3において、ｘが、０．１≦ｘ≦０．３の範囲である酸化物が、プロトン導電率が高く好ましい。
【００１１】
本発明のプロトン導電性酸化物は、１．１≦Ａ／（Ｚｒ＋Ｍ）（原子比、Ｍを含有しない場合は、１．１≦Ａ／Ｚｒ）であることを特徴とするが、より好ましくは、１．３≦Ａ／（Ｚｒ＋Ｍ）（原子比）であり、特に、Ａ２（Ｚｒ１−ｘＭｘ）Ｏ４で表わされる化合物からなる場合が、プロトン導電率が高く、かつプロトン以外のキャリアの導電率が低いので好ましい。請求項３は、この特に好ましい態様に該当する。
【００１２】
前記の本発明のプロトン導電性酸化物は、Ａ／（Ｚｒ＋Ｍ）≧１．１の原料酸化物を用いてレーザー成膜法、スパッタ法、電子ビーム蒸着法などの気相法や原料中の金属成分量を調整することでゾルゲル法などの液相法でも製造することができる。Ａ／（Ｚｒ＋Ｍ）≧１．１の原料酸化物は、例えば、アルカリ土類金属Ａの炭酸塩と、Ｚｒの酸化物及びＭの酸化物を、Ａ、Ｚｒ及びＭをＡ／（Ｚｒ＋Ｍ）≧１．１となるように混合し、１５００℃以上の温度で焼結する方法により製造することができる。
【００１３】
本発明の請求項４の態様は、前記の本発明のプロトン導電性酸化物よりなり、その厚みが２０μｍ以下であることを特徴とする酸化物プロトン導電性膜である。この酸化物プロトン導電性膜の厚みが２０μｍを越えると、たとえＡ２（Ｚｒ１−ｘＭｘ）Ｏ４等のプロトン導電率の高いプロトン導電性酸化物を用いた場合であっても、プロトンの透過性能が低下し、電池に用いた場合、電池の出力が低下する。好ましくはこの厚みは０．１〜５μｍ程度である。厚みが０．１μｍ未満では、膜欠陥が多く、水素がイオン化（プロトン化）することなく透過しやすくなり、固体電解質として充分機能しない場合がある。
【００１４】
本発明の請求項５の態様は、水素透過性能を有する金属基材、及びその上に形成された酸化物プロトン導電性膜からなり、この酸化物プロトン導電性膜が、前記の本発明の酸化物プロトン導電性膜であることを特徴とする水素透過構造体である。
【００１５】
本発明の水素透過構造体を構成する水素透過性能を有する金属基材としては、水素透過性能を有する金属の膜（水素透過性金属膜）からなるもの、又、金属多孔体基材の表面に水素透過性能を有する金属の膜を設けたものが挙げられる。請求項６は、該金属基材が水素透過性金属膜である態様に該当し、請求項７は、該金属基材が、金属多孔体基材の表面に水素透過性金属膜を設けたものである態様に該当する。
【００１６】
ここで、水素透過性金属膜としては、Ｐｄの膜やＰｄ−Ａｇ、Ｐｄ−ＰｔやＰｄ−Ｃｕ等のＰｄ合金の膜、すなわちＰｄを含んだ金属膜が挙げられる。さらに、Ｖ、Ｔａ若しくはＮｂの膜の両面に、ＰｄやＰｄ合金を被覆したもの、又はＶ、Ｔａ若しくはＮｂの合金の膜に、ＰｄやＰｄ合金を被覆したもの、すなわちＶ、Ｎｂ及びＴａから選ばれるいずれかを含んだ金属膜の両面にＰｄを含んだ膜を成膜したものも用いることができる。
【００１７】
請求項８は、この態様に該当する。Ｖ、Ｔａ若しくはＮｂの合金としては、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｃｒ等との合金が例示される。
【００１８】
水素透過性金属膜の厚みは通常、１０〜５００μｍ程度が好ましい。１０μｍ未満の場合は、膜の強度が不足し膜が破壊する場合がある。一方、５００μｍを越える場合は、膜の水素透過量が少なくなり、水素の透過が律速となって、充分なプロトン導電が得られない可能性がある。ＰｄやＰｄ合金の膜をＶ等の膜の両面に被覆したものを用いる場合、ＰｄやＰｄ合金の膜の厚みは０．０５〜２μｍ程度が通常好ましい。０．０５μｍ未満の場合は、Ｖ等の膜（下地）を充分被覆できず、Ｖ等が酸化して劣化する可能性がある。一方、２μｍを超えると高価なＰｄ使用量が増えコストアップが問題となる。
【００１９】
前記のように、金属基材としては、水素透過性金属膜のみからなるものの他、金属多孔体基材の表面に水素透過性金属膜を設けたものも用いられる。ここで、金属多孔体基材とは、導電性の金属であって水素の透過が可能な孔を有するものであり、ＳＵＳ等からなる多孔体基材が例示される。
【００２０】
金属多孔体基材の表面に水素透過性金属膜を設ける方法としては、金属多孔体基材の表面上に、水素透過性金属膜を構成する金属を、スパッタ法、電子ビーム蒸着法、レーザーアブレーション法により積層する方法が挙げられる。メッキ法等ウェットプロセスによる方法も採用可能である。
【００２１】
本発明の水素透過構造体は、前記の金属基材上に、酸化物プロトン導電性膜を形成（成膜）する方法により得ることができる。酸化物プロトン導電性膜の層を形成する方法としては、スパッタ法、電子ビーム蒸着法、レーザーアブレーション法が挙げられ、又ゾルゲル法などウェットプロセスによる方法も採用可能である。
【００２２】
成膜は、４００℃以上の温度で酸化性雰囲気で行うことが好ましい。又は、４００℃以下で成膜し、その後４００℃以上の温度、非酸化性雰囲気での焼成を行う方法が好ましい。このような条件で成膜すると、化学式Ａ（Ｚｒ１−ｘＭｘ）Ｏ３で表わされる化合物は、ペロブスカイト構造となる。なお、金属基材の耐熱性を考慮して、成膜温度や焼成温度は、６５０℃以下が好ましい。
【００２３】
本発明の請求項９の態様は、前記本発明の水素透過構造体を用いることを特徴とする燃料電池である。本発明の燃料電池は、前記の水素透過構造体からなることを特徴とするが、通常その酸化物プロトン導電性膜の上に酸素電極が設けられ、図１に示すように、酸化物プロトン導電性膜が、水素透過性能を有する金属基材及び酸素電極に挟まれた構造を有する。酸素電極としては、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｒｕやそれらの合金からなる薄膜電極や、貴金属や酸化物導電体からなる塗布電極や多孔質電極が好ましく例示される。
【００２４】
薄膜電極は、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｒｕやそれらの合金を、酸化物プロトン導電性膜の最上層の上に、スパッタ法、電子ビーム蒸着法、レーザーアブレーション法等により成膜して得ることができる。通常厚みは、０．０１〜１０μｍ程度、好ましくは０．０３〜
０．３μｍ程度である。
【００２５】
塗布電極は、例えばＰｔペースト、Ｐｄペーストや酸化物導電体ペーストを酸化物プロトン導電性膜の上に塗布し、焼付けることにより形成することができる。このようにして形成された電極は一般的に多孔質の電極となる。酸化物導電体としては、ＬａＳｒＣｏ酸化物、ＬａＳｒＦｅ酸化物、ＳｒＰｒＣｏ酸化物等が挙げられる。塗布厚は通常５〜５００μｍ程度である。
【００２６】
本発明の燃料電池の使用時においては、水素透過構造体の金属基材側に接する水素が、金属基材中を透過して酸化物プロトン導電性膜に達し、そこで電子を放出してプロトンになる。このプロトンは、酸化物プロトン導電性膜中を透過して酸素電極側に達し、そこで電子を得るとともに酸素電極側にある酸素と結合して水を生成し系外に放出される。金属基材側及び酸素電極側での電子の授受により起電力を生じ、電池して機能する。
【発明の効果】
【００２７】
本発明のプロトン導電性酸化物は、化学的安定性に優れるＺｒを含有する酸化物であるとともに、高いプロトン導電率を有し、かつプロトン以外のキャリアの導電率が低いとの特徴も有する。従って、このプロトン導電性酸化物からなる本発明の酸化物プロトン導電性膜、この酸化物プロトン導電性膜と水素透過性能を有する金属基材からなる本発明の水素透過構造体も、すぐれた化学的安定性、高いプロトン導電率を有し、かつプロトン以外のキャリアの導電率が低いとの特徴を有するものである。本発明の燃料電池は、このプロトン導電性酸化物、酸化物プロトン導電性膜、水素透過構造体から構成される。これらのプロトン導電率が高いので、電池の内部抵抗が少なくなり、大きな電流密度を得ることができる。又プロトン以外のキャリアの導電率が低いという特徴により、電池の初期電圧（ゼロ電流時の電圧）が大きいとの優れた特徴も有するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
次の本発明を実施するための形態を、実施例により具体的に説明するが、本発明の範囲はこの実施例により限定されるものではない。
【実施例】
【００２９】
［電解膜原料焼結体（プロトン導電性酸化物）の製造］
アルカリ土類金属（Ｓｒ又はＢａ）の炭酸塩（ＡＣＯ３）の粉末と、Ｚｒの酸化物（ＺｒＯ２）の粉末及びＹｂの酸化物（Ｙｂ２Ｏ３）の粉末を、表１の原料組成に示す組成比になるよう秤量し、充分混合した。得られた混合物を金型に入れプレス成形により２０ｍｍφ×５ｍｍｔの円板を製造した。製造された円板を、１６５０℃で１０時間焼結することにより、焼結体円板を得た。焼結体の酸化物の組成と構造を、下記実施例における「３．構造組成評価」と同じ方法により分析したところ、実施例及び比較例における酸化物プロトン導電性膜の分析結果と同様の組成、構造を示す分析結果が得られた。
【００３０】
実施例１〜６及び比較例１〜３
実施例１〜６及び比較例１〜３のいずれについても、以下に示す方法、条件で、水素透過構造体及び電池構造体を作成した。
【００３１】
１．水素透過構造体の作成
１５ｍｍ角、厚み０．１ｍｍのＰｄ（パラジウム）板基材（水素透過性能を有する金属基材）を、レーザー透過用の合成石英ガラス窓を備えた真空チャンバー内部のホルダーにセットし、ホルダー部の温度を６５０℃に加熱した。酸素を、マスフローメータを通して導入し、酸素分圧１×１０−２Ｔｏｒｒにチャンバー内圧力を調整した。
【００３２】
その状態で、表１に示す組成の電解膜原料焼結体（２０φ×５ｍｍｔ）に、レーザー照射用窓を通してＫｒＦエキシマレーザー（周波数２０Ｈｚ）を照射して成膜を実施し、水素透過構造体を得た。
【００３３】
２．電池構造体の作成
得られたプロトン導電性膜上にステンレスマスクを通して、２ｍｍ角サイズのＰｄ薄膜を０．１μｍの厚みに電子ビーム蒸着で設け、図１に示すサンドイッチ構造を有する電池構造体を形成した。なお、図１は、電池構造体の概略断面図を示すものである。
【００３４】
前記の方法、条件により得られた実施例１〜６及び比較例１〜３の水素透過構造体及び電池構造体について、以下に示す評価を行った。
【００３５】
３．構造組成評価
水素透過構造体の酸化物プロトン導電性膜について、Ｃｕターゲットを用い、薄膜ＸＲＤ測定を入射角０．５°で実施した。その結果を表１に示す。又、膜の組成（（Ｓｒ＋Ｂａ）と（Ｚｒ＋Ｙｂ）の原子比）をＩＣＰ（イオン結合プラズマ分光分析法）で調べた。その結果も表１に示す。
【００３６】
４．燃料電池評価
電池構造体につき、５００℃でＰｄ基材側に水素を０．４Ｌ／ｍｉｎで流し、Ｐｄ薄膜側に空気を０．４Ｌ／ｍｉｎで流して、ゼロ電流時の初期電圧及び０．５Ｖでの電池出力を測定した。その結果を表２に示す。
【００３７】
【表１】
0004783080.tif 000002
【００３８】
【表２】
0004783080.tif 000003
【００３９】
表１に示す薄膜ＸＲＤ測定の結果より明らかなように、実施例１〜６の酸化物プロトン導電性膜はいずれも、Ａ２（Ｚｒ０．９Ｙｂ０．１）Ｏ４構造か、又はＡ２（Ｚｒ０．９Ｙｂ０．１）Ｏ４構造とペロブスカイト構造Ａ（Ｚｒ０．９Ｙｂ０．１）Ｏ３構造との混在であった。一方、比較例１〜３の酸化物プロトン導電性膜は、いずれも結晶構造がペロブスカイト構造Ａ（Ｚｒ０．９Ｙｂ０．１）Ｏ３構造であった。（ＡはＳｒ又はＢａである。）
【００４０】
表１に示すＩＣＰ法の結果も、実施例１〜６の酸化物プロトン導電性膜の（Ｓｒ＋Ｂａ）／（Ｚｒ＋Ｙｂ）組成（原子比）は１．１以上であり、比較例１〜３の酸化物プロトン導電性膜は、１．０であることを示している。
【００４１】
表２の結果より明らかなように、実施例１〜６の燃料電池は、ゼロ電流時の初期電圧及び０．５Ｖでの電池出力のいずれも、比較例１〜３の燃料電池より高く、本発明の燃料電池は、初期電圧及び電池出力のいずれについても優れていることが示されている。中でも、Ａ２（Ｚｒ０．９Ｙｂ０．１）Ｏ４構造からなる実施例３、５及び６の燃料電池は、初期電圧及び電池出力が特に優れている。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】実施例及び比較例で得られた電池構造体の概略断面図である。
【図１】
0004783080.tif 000004