(57)【要約】【課題】  Ｉｎの拡散移動を抑制することができる燃料電池を提供する。【解決手段】  燃料電池（１００）は、水素分離膜（１０）と、水素分離膜上に形成されＡＢ（１−ｘ）ＩｎｘＯ３型ペロブスカイトからなる第１のプロトン伝導性電解質膜（３０）と、水素分離膜と第１のプロトン伝導性電解質膜との界面の少なくとも一部に設けられＡＢ（１−ｘ）ＭｘＯ３型ペロブスカイトからなる第２のプロトン伝導性電解質膜（２０）とを備え、Ｍは＋４価よりも小さい価数を有しかつＩｎの酸化還元電位よりも小さい酸化還元電位を有することを特徴とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素分離膜と、
前記水素分離膜上に形成され、ＡＢ（１−ｘ）ＩｎｘＯ３型ペロブスカイトからなる第１のプロトン伝導性電解質膜と、
前記水素分離膜と前記第１のプロトン伝導性電解質膜との界面の少なくとも一部に設けられ、ＡＢ（１−ｘ）ＭｘＯ３型ペロブスカイトからなる第２のプロトン伝導性電解質膜とを備え、
前記Ｍは、＋４価よりも小さい価数を有し、Ｉｎの酸化還元電位よりも小さい酸化還元電位を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記第１のプロトン伝導性電解質膜のＡサイトと前記第２のプロトン伝導性電解質膜のＡサイトとが同じであり、
前記第１のプロトン伝導性電解質膜のＢサイトと前記第２のプロトン伝導性電解質膜のＢサイトとが同じであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記Ｍは、Ａｌ，Ｇａ，Ｓｃ，Ｙｂ，ＹまたはＮｄであることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記Ｍは、Ｓｃ，Ｙｂ，ＹまたはＮｄであることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第１のプロトン伝導性電解質膜のＡサイトは、Ｓｒであり、
前記第１のプロトン伝導性電解質膜のＢサイトは、Ｚｒであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロトン伝導性電解質を備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率を実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
燃料電池のうち固体電解質を用いたものには、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、水素分離膜電池等がある。ここで、水素分離膜電池とは、緻密な水素分離膜を備えた燃料電池である（例えば、特許文献１参照）。緻密な水素分離膜は水素透過性を有する金属によって形成される層であり、アノードとしても機能する。水素分離膜電池は、この水素分離膜上にプロトン導電性を有する電解質膜が積層された構造をとっている。水素分離膜に供給された水素は水素分離膜を透過し、電解質膜においてプロトンに変換され、電解質膜中を移動し、カソードにおいて酸素と結合する。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１４６３３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術に係る水素分離膜電池では、電解質膜と水素分離膜との界面において水素分離膜を構成する金属が電解質膜の酸素によってターミネーションされる。それにより、水素分離膜におけるプロトン化能が十分得られない。そこで、電子陰性度の高いＩｎを電解質膜にドープすることによって、電解質膜のプロトン化能を向上させることが考えられる。しかしながら、Ｉｎは、安定性が低く、水素分離膜と電解質膜との界面に移動して絶縁性酸化物を形成するおそれがある。
【０００６】
本発明は、Ｉｎの拡散移動を抑制することができる燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る燃料電池は、水素分離膜と、水素分離膜上に形成されＡＢ（１−ｘ）ＩｎｘＯ３型ペロブスカイトからなる第１のプロトン伝導性電解質膜と、水素分離膜と第１のプロトン伝導性電解質膜との界面の少なくとも一部に設けられＡＢ（１−ｘ）ＭｘＯ３型ペロブスカイトからなる第２のプロトン伝導性電解質膜とを備え、Ｍは＋４価よりも小さい価数を有しＩｎの酸化還元電位よりも小さい酸化還元電位を有することを特徴とするものである。
【０００８】
本発明に係る燃料電池においては、第１のプロトン伝導性電解質膜に電気陰性度が高いＩｎがドープされていることから、第１のプロトン伝導性電解質膜のプロトン化能が向上する。それにより、発電効率が向上する。また、Ｉｎの酸化還元電位よりも小さい酸化還元電位を有する金属Ｍがドープされた第２のプロトン伝導性電解質膜が第１のプロトン伝導性電解質膜と水素分離膜との間に設けられていることから、Ｉｎの還元が抑制される。この場合、水素分離膜へのＩｎの拡散移動を抑制することができる。それにより、第１のプロトン伝導性電解質膜はペロブスカイト構造を維持することができる。その結果、第１のプロトン伝導性電解質膜の性能低下を抑制することができる。また、水素分離膜の合金化等を抑制することができる。それにより、水素分離膜の触媒作用の低下を抑制することができる。以上のことから、本発明に係る燃料電池の発電効率低下を抑制することができる。
【０００９】
第１のプロトン伝導性電解質膜のＡサイトと第２のプロトン伝導性電解質膜のＡサイトとが同じであり、第１のプロトン伝導性電解質膜のＢサイトと第２のプロトン伝導性電解質膜のＢサイトとが同じであってもよい。ＭはＡｌ，Ｇａ，Ｓｃ，Ｙｂ，ＹまたはＮｄであってもよい。
【００１０】
ＭはＳｃ，Ｙｂ，ＹまたはＮｄであってもよい。この場合、第２のプロトン伝導性電解質膜のプロトン伝導性は、第１のプロトン伝導性電解質膜のプロトン伝導性よりも高くなる。また、第１のプロトン伝導性電解質膜のＡサイトはＳｒであり、第１のプロトン伝導性電解質膜のＢサイトはＺｒであってもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、水素分離膜へＩｎの拡散移動を抑制することができる。その結果、第２のプロトン伝導性電解質膜の性能低下、水素分離膜の合金化等を抑制することができる。以上のことから、本発明に係る燃料電池の発電効率低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池１００の模式的断面図である。図１に示すように、燃料電池１００は、水素分離膜１０上に電解質膜２０、電解質膜３０およびカソード４０が順に積層された構造を有する。水素分離膜１０は、緻密な水素透過性金属層からなる。水素分離膜１０は、燃料ガスが供給されるアノードとして機能するとともに、電解質膜２０および電解質膜３０を支持および補強する支持体として機能する。水素分離膜１０を構成する金属は、水素透過性を有していれば特に限定されるものではない。水素分離膜１０を構成する金属の例としては、例えば、パラジウム、バナジウム、チタン、タンタル等が挙げられる。水素分離膜１０の膜厚は、例えば、４０μｍ程度である。
【００１４】
電解質膜２０は、ＡＢ（１−ｘ）ＭｘＯ３構造を有するペロブスカイト型のプロトン伝導性電解質である。すなわち、電解質膜２０は、Ｂサイトの一部が金属Ｍによって置換された構造を有する。電解質膜３０は、ＡＢ（１−ｘ）ＩｎｘＯ３構造を有するペロブスカイト型のプロトン伝導性電解質である。すなわち、電解質膜３０は、Ｂサイトの一部がＩｎ（インジウム）によって置換された構造を有する。なお、ｘは、０＜ｘ＜１を満たす値である。
【００１５】
電解質膜２０および電解質膜３０のＡサイトとしては、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）等を用いることができる。電解質膜２０および電解質膜３０のＢサイトとしては、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｃｅ（セリウム）等を用いることができる。電解質膜３０は、例えば、ＳｒＺｒＩｎＯ３からなる。金属Ｍは、＋４価よりも小さい価数を有するドープ金属である。また、金属Ｍは、Ｉｎの酸化還元電位（−０．３３８２Ｖ）よりも小さい酸化還元電位を有する。金属Ｍとしては、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙｂ（イットリビウム）、Ｙ（イットリウム）またはＮｄ（ネオジウム）等を用いることができる。表１に金属Ｍとして用いることができる金属の一例を示す。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
表１に示すように、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙｂ（イットリビウム）、Ｙ（イットリウム）およびＮｄ（ネオジウム）の酸化還元電位が特に小さくなっている。また、これらの金属が金属Ｍとしてドープされた電解質膜２０のプロトン伝導性は、電解質膜３０のプロトン伝導性よりも高くなる傾向がある。したがって、金属Ｍとして、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙｂ（イットリビウム）、Ｙ（イットリウム）またはＮｄ（ネオジウム）を用いることが好ましい。
【００１８】
電解質膜２０の膜厚は、例えば、１０ｎｍ〜５０ｎｍ程度である。電解質膜３０の膜厚は、例えば、２μｍ程度である。カソード４０は、酸化剤ガスが供給される電極であり、例えば、ランタンコバルトタイト、ランタンマンガネート、銀、白金、白金担持カーボン等の導電性材料から構成される。カソード４０の膜厚は、例えば、３０μｍ程度である。
【００１９】
続いて、燃料電池１００の製造方法について説明する。図２は、燃料電池１００の製造方法を示す製造フロー図である。まず、図２（ａ）に示すように、水素分離膜１０上に、スパッタリング法、ＰＬＤ（パルスレーザ堆積）法等の方法によって電解質膜２０を１０ｎｍ〜５０ｎｍ程度形成する。次に、図２（ｂ）に示すように、電解質膜２０上に、スパッタリング法、ＰＬＤ（パルスレーザ堆積）法等の方法によって電解質膜３０を２μｍ程度形成する。次いで、図２（ｃ）に示すように、電解質膜３０上に、スパッタリング法、スクリーン印刷法等によってカソード４０を形成する。以上の工程によって、燃料電池１００が完成する。
【００２０】
続いて、燃料電池１００の動作について説明する。水素分離膜１０には、水素を含有する燃料ガスが供給される。燃料ガスに含まれる水素分子は、原子状水素となって水素分離膜１０を透過する。電解質膜２０においてはＢサイトの価数よりも小さい価数を有する金属Ｍがドープされていることから、金属Ｍの近傍にホールが形成される。水素分離膜１０を透過してきた水素原子は、このホールの電子引力によってプロトンと電子とに分離する。また、電解質膜３０に電気陰性度の高いＩｎがドープされていることから、水素原子から電子が引き抜かれやすい。それにより、水素原子のプロトン化が促進される。電解質膜２０において発生したプロトンは、電解質膜３０を伝導してカソード４０に到達する。
【００２１】
一方、カソード４０には酸素を含有する酸化剤ガスが供給される。カソード４０においては、酸化剤ガス中の酸素とカソード４０に到達したプロトンとから水が発生するとともに電力が発生する。発生した電力は、図示しないセパレータを介して回収される。以上の動作により、燃料電池１００による発電が行われる。
【００２２】
ここで、Ｉｎは、酸化還元電位が比較的大きいことから、還元されやすい。したがって、電解質膜３０に含まれるＩｎは、還元性の高い燃料ガスが供給される水素分離膜１０側において還元されるおそれがある。本実施例においては小さい酸化還元電位を有する金属Ｍがドープされた電解質膜２０が電解質膜３０と水素分離膜１０との間に設けられていることから、Ｉｎの還元が抑制される。この場合、水素分離膜１０へのＩｎの拡散移動を抑制することができる。それにより、電解質膜３０はペロブスカイト構造を維持することができる。その結果、電解質膜３０の性能低下を抑制することができる。また、水素分離膜１０の合金化等を抑制することができる。それにより、水素分離膜１０の触媒作用の低下を抑制することができる。以上のことから、燃料電池１００の発電効率低下を抑制することができる。
【００２３】
なお、電解質膜２０のプロトン伝導性は高いことが好ましい。したがって、電解質膜２０は、薄いことが好ましい。例えば、電解質膜２０の膜厚は、１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが好ましい。また、第２電解質膜２０は、第２電解質膜２０が島状であっても層状であってもよいが、層状であることが好ましい。
【００２４】
本実施例においては、電解質膜３０が第１のプロトン伝導性電解質膜に相当し、電解質膜２０が第２のプロトン伝導性電解質膜に相当する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。
【図２】燃料電池の製造方法を示す製造フロー図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０  水素分離膜
２０  第１電解質膜
３０  第２電解質膜
４０  カソード
１００  燃料電池
【図１】
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【図２】
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