(57)【要約】【課題】水素透過性金属層・電解質複合体における耐久性を向上させる。【解決手段】水素透過性金属層・電解質複合体２３は、少なくとも一方の表面に貴金属を備えると共に、水素を選択的に透過させる水素透過性金属層２２と、水素透過性金属層２２における貴金属を備える表面上に設けられ、プロトン伝導性を有する固体酸化物から成る電解質層２１と、を備える。そして、少なくとも水素透過性金属層２２と電解質層２１との界面に、酸素以外の酸素族元素が配置されている。【選択図】図１
2007188652.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素透過性金属層・電解質複合体であって、
少なくとも一方の表面に貴金属を備えると共に、水素を選択的に透過させる水素透過性金属層と、
前記水素透過性金属層における前記貴金属を備える表面上に設けられ、プロトン伝導性を有する固体酸化物から成る電解質層と、
を備え、
少なくとも前記水素透過性金属層と前記電解質層との界面に、酸素以外の酸素族元素が配置されている
水素透過性金属層・電解質複合体。
【請求項２】
請求項１記載の水素透過性金属層・電解質複合体であって、
前記酸素族元素は硫黄（Ｓ）である
水素透過性金属層・電解質複合体。
【請求項３】
請求項１または２記載の水素透過性金属層・電解質複合体であって、
前記貴金属はパラジウム（Ｐｄ）である
水素透過性金属層・電解質複合体。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の水素透過性金属層・電解質複合体を備える燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水素透過性金属層と電解質との複合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロトン伝導性を有する電解質の一種として、固体酸化物から成る電解質が知られており、このような電解質は、例えば燃料電池の電解質層として用いることができる。固体酸化物から成る電解質層を備える燃料電池としては、水素透過性金属層上に、プロトン伝導性を有する固体酸化物層を形成した燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような構成とすることで、電解質層を薄型化して、電解質層におけるプロトン伝導性を向上させることが可能になる。
【０００３】
【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】
【０００４】
しかしながら、このように異なる材料から成る層の複合体である水素透過性金属層・電解質複合体を用いる場合には、各々の材料が有する性質が異なることに起因して、複合体全体の耐久性が損なわれる場合があった。例えば、金属と固体酸化物とでは熱膨張係数が異なるため、燃料電池の運転中の温度条件下において、金属層と電解質層とで膨張の程度が異なることによって両者の界面に応力が生じ、金属・電解質複合体全体の耐久性が損なわれる場合があった。このような問題は、燃料電池に限らず、水素透過性金属層と固体酸化物から成る電解質層とを備える複合体を用いた他の装置、例えば水素ポンプや水素濃度センサにおいても同様に生じ得る問題であった。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、水素透過性金属層・電解質複合体における耐久性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、水素透過性金属層・電解質複合体であって、
少なくとも一方の表面に貴金属を備えると共に、水素を選択的に透過させる水素透過性金属層と、
前記水素透過性金属層における前記貴金属を備える表面上に設けられ、プロトン伝導性を有する固体酸化物から成る電解質層と、
を備え、
少なくとも前記水素透過性金属層と前記電解質層との界面に、酸素以外の酸素族元素が配置されていることを要旨とする。
【０００７】
以上のように構成された本発明の水素透過性金属層・電解質複合体によれば、表面に貴金属を備える水素透過性金属層と、電解質層と、の界面に、酸素以外の酸素族元素が存在することにより、上記界面では、酸素と貴金属との結合に代えて、酸素以外の酸素族元素と貴金属との結合が形成される。このような構成とすることで、水素透過性金属層と電解質層との間の結合力を強めることができ、水素透過性金属層と電解質層との熱膨張率の違いなどに起因する水素透過性金属層・電解質層複合体の損傷を抑え、水素透過性金属層・電解質複合体の耐久性を高めることができる。
【０００８】
本発明の水素透過性金属層・電解質複合体において、前記酸素族元素は硫黄（Ｓ）であることとしても良い。
【０００９】
このような構成とすれば、硫黄（Ｓ）と貴金属との間の結合力が、酸素と貴金属との間の結合力よりも強いため、水素透過性金属層・電解質層複合体の耐久性を高めることができる。
【００１０】
また、本発明の水素透過性金属層・電解質複合体において、前記貴金属はパラジウム（Ｐｄ）であることとしても良い。
【００１１】
このような構成とすれば、酸素以外の酸素族元素とパラジウム（Ｐｄ）との間の結合力が、酸素とパラジウム（Ｐｄ）との間の結合力に比べて強いため、水素透過性金属層・電解質層複合体の耐久性を高めることができる。
【００１２】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の水素透過性金属層・電解質複合体を備える燃料電池や水素ポンプ、あるいは水素濃度センサなどの形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池の構成：
Ｂ．製造方法：
Ｃ．第２実施例：
Ｄ．第３実施例：
Ｅ．変形例：
【００１４】
Ａ．燃料電池の構成：
図１は、本発明の好適な一実施例である燃料電池を構成する単セル２０の構成の概略を表わす断面模式図である。単セル２０は、水素透過性金属層２２と電解質層２１とから成る水素透過性金属層・電解質複合体２３と、電解質層２１上に形成されるカソード２４と、ガスセパレータ２７，２９とを備えている。ガスセパレータ２７と水素透過性金属層２２との間には、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路３０が形成されている。また、ガスセパレータ２９とカソード２４との間には、酸素を含有する酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路３２が形成されている。水素透過性金属層２２、電解質層２１およびカソード２４から成る構造を、以下、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）４０と呼ぶ。図１では単セル２０を示したが、実際の本実施例の燃料電池は、図１の単セル２０を複数積層したスタック構造を有している。なお、図示は省略しているが、スタック構造の内部温度を調節するために、各単セル間に、あるいは所定数の単セルを積層する毎に、冷媒の通過する冷媒流路を設けても良い。
【００１５】
水素透過性金属層２２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、本実施例では、水素透過性金属層２２を、パラジウム（Ｐｄ）によって形成している。パラジウムは、水素を透過させる性質に加えて、水素透過性金属層２２を水素が透過する際に、水素透過性金属層２２の表面において水素分子を解離させる活性を有する。このような水素透過性金属層２２は、燃料電池におけるアノード電極としての機能を果たす。なお、本実施例の燃料電池は、水素透過性金属層２２における電解質層２１との界面を含む界面近傍に、硫黄（Ｓ）元素が導入されていることを特徴とするが、この界面の構造については後に詳しく説明する。
【００１６】
電解質層２１は、プロトン伝導性を有する固体電解質から成る層である。本実施例では、ペロブスカイト型固体酸化物によって電解質層２１を形成しており、具体的には、例えば、ＢａＣｅ0.8Ｙ0.2Ｏ3や、ＳｒＺｒ0.8Ｉｎ0.2Ｏ3によって電解質層２１を形成することができる。電解質層２１は、緻密な水素透過性金属層２２上に成膜されるため、充分な薄膜化が可能となる。このように、電解質層２１をより薄く形成することによって電解質層２１の膜抵抗を低減することができるため、従来の固体電解質型燃料電池の運転温度よりも低い温度である約２００〜６００℃程度で燃料電池を運転することが可能になる。
【００１７】
カソード２４は、電解質層２１上に成膜された金属層であり、電気化学反応を促進する触媒活性を有する貴金属により形成されている。本実施例では、カソード２４はパラジウムにより形成されている。白金（Ｐｔ）等、水素透過性を有しない他種の貴金属によりカソード２４を構成する場合には、カソード２４を充分に薄く形成するなどにより、カソード２４の外側（単セル内酸化ガス流路３２側）と電解質層２１との間にガス透過性を確保すればよい。
【００１８】
ガスセパレータ２７，２９は、カーボンや金属などの導電性材料で形成されたガス不透過な部材である。ガスセパレータ２７，２９の表面には、既述した単セル内燃料ガス流路３０や単セル内酸化ガス流路３２を形成するための所定の凹凸形状が形成されている。なお、図１に示した単セル２０において、ＭＥＡ４０とガスセパレータとの間に、さらに、導電性と共にガス透過性を有する部材、例えば発泡金属や金属メッシュなどの金属多孔質体やカーボンペーパなどのカーボン多孔質体を配置することとしても良い。
【００１９】
燃料電池に供給される燃料ガスとしては、炭化水素系燃料を改質して得られる水素リッチガスを用いても良いし、純度の高い水素ガスを用いても良い。また、燃料電池に供給される酸化ガスとしては、例えば空気を用いることができる。
【００２０】
Ｂ．製造方法：
以下に、単セル２０の製造方法を説明する。図２は、単セル２０を構成するＭＥＡ４０の製造工程を表わす説明図である。
【００２１】
ＭＥＡ４０を作成する際には、まず、水素透過性金属層２２を用意する（ステップＳ１００）。本実施例では、水素透過性金属層２２として、パラジウムの金属膜を用意する。
【００２２】
次に、ステップＳ１００で用意した水素透過性金属層２２の一方の面に硫黄を導入し、この一方の表面に硫化パラジウム（ＰｄＳ）を形成させる（ステップＳ１１０）。すなわち、パラジウム原子と硫黄原子との間の結合を形成させる。具体的には、水素透過性金属層２２の一方の面を、４００℃で硫化水素（Ｈ2Ｓ）ガスに晒すことによって、水素透過性金属層２２上に硫化パラジウムを形成させる。
【００２３】
その後、水素透過性金属層２２における硫黄を導入した側の面上に、電解質層２１を形成して、水素透過性金属層・電解質複合体２３を作製する（ステップＳ１２０）。電解質層２１は、水素透過性金属層２２上に、既述した固体酸化物を生成させつつ成膜させることによって形成される。成膜の方法としては、例えば、物理蒸着法（ＰＶＤ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）を用いることができる。あるいは、スパッタ法やゾルゲル法により電解質層２１を成膜しても良い。電解質層２１の厚みは、例えば、０．１〜５μｍとすることができる。
【００２４】
このように、硫黄を導入した水素透過性金属層２２上に電解質層２１を形成すると、電解質層２１を構成するペロブスカイト型結晶構造を有する固体酸化物において、水素透過性金属層２２との界面では、固体酸化物中の構成元素の一部が、水素透過性金属層２２に導入された硫黄と結合する。このような界面の様子を、図３に模式的に表わす。図３（Ａ）は、本実施例における水素透過性金属層２２と電解質層２１との界面の様子を表わし、図３（Ｂ）は、硫黄を導入していない水素透過性金属層２２上に電解質層２１を形成した様子を表わしている。図３（Ｂ）に示すように、水素透過性金属層２２に硫黄を導入しない場合には、水素透過性金属層２２と電解質層２１との界面では、電解質層２１を構成する酸素原子の一部が、水素透過性金属層２２を構成するパラジウムと結合している。これに対して、水素透過性金属層２２表面に硫黄元素を導入すると、水素透過性金属層２２と電解質層２１との界面において、酸素と同じ酸素族元素であって酸素以外の元素である硫黄が、ペロブスカイト型結晶構造中で酸素の少なくとも一部と置換された状態になって、固体酸化物中の構成元素（図中、Ａと表わす）と硫黄元素とが結合する。
【００２５】
その後、電解質層２１上にカソード２４を形成して（ステップＳ１３０）、ＭＥＡ４０を完成する。カソード２４は、例えば、ＰＶＤやＣＶＤにより形成することができる。
【００２６】
燃料電池を組み立てる際にはさらに、図２に従って作製したＭＥＡ４０を挟持するようにガスセパレータ２７および２９を配設して単セル２０を形成し、さらにこの単セル２０を所定数積層する。
【００２７】
以上のように構成された第１実施例の燃料電池によれば、水素透過性金属層２２と電解質層２１との界面に酸素族元素である硫黄が存在することにより、上記界面では、酸素とパラジウムとの結合に代えて、硫黄とパラジウムとの結合が形成される。ここで、原子間の結合の強さは、酸素原子とパラジウム原子との間の結合力よりも、硫黄原子とパラジウム原子との間の結合力の方が強いため、水素透過性金属層２２における界面近傍領域に硫黄を導入することで、水素透過性金属層２２と電解質層２１との間の結合力を強めることができる。このように、水素透過性金属層２２と電解質層２１との間の結合力を強めることにより、水素透過性金属層２２と電解質層２１との熱膨張率の違いなどに起因する水素透過性金属層・電解質複合体２３の損傷を抑え、燃料電池の耐久性を高めることができる。
【００２８】
なお、酸素原子とパラジウム原子との間の結合力よりも、硫黄原子とパラジウム原子との間の結合力の方が強いことは、例えば、硫化パラジウム（ＰｄＳ）と酸化パラジウム（ＰｄＯ）の生成熱の大きさから知ることができる。生成熱とは、ある化合物１molが、ある温度で、その成分元素の単体から作られるときの反応熱をいう。生成熱が負の値であることは、単体元素で存在するよりもその化合物として存在する方が有利であることを示し、負の値が大きいほど、その化合物が安定であることを意味する。ここで、硫化パラジウムの生成熱は、２９８Ｋの温度条件では−７５．０ＫＪ／ｍｏｌであり、７００Ｋの温度条件では−８２．０ＫＪ／ｍｏｌである。また、酸化パラジウムの生成熱は、２９８Ｋの温度条件では２４５．０ＫＪ／ｍｏｌであり、７００Ｋの温度条件では２４１．５ＫＪ／ｍｏｌである（熱力学データベースソフトＭＡＬＴ２（科学技術社）参照）。２９８Ｋは、室温に対応する温度条件であり、７００Ｋは、燃料電池の運転温度に対応する温度条件である。このように、室温および燃料電池の運転温度において、硫化パラジウムは酸化パラジウムよりも安定であるといえるため、パラジウム原子と硫黄原子との間の結合力は、パラジウム原子と酸素原子との間の結合力よりも強いということができる。
【００２９】
また、本実施例の電解質層２１を構成する固体酸化物において、上記界面近傍での結晶構造中の酸素の一部が硫黄に置き換わっても、硫黄は酸素と同じ酸素族元素であるため、固体酸化物の性質が大きく変化することはない。したがって、硫黄の導入に起因する固体酸化物におけるプロトン伝導性の低下を抑えることができる。なお、電解質層２１を構成する固体酸化物において、酸素元素の一部が硫黄に置き換わることによりプロトン伝導性がある程度低下する場合であっても、硫黄の導入を、界面近傍の領域に限っているため、電解質層２１全体としてのプロトン伝導性を確保しつつ耐久性を向上させることにより、電池性能を向上させることができる。
【００３０】
上記第１実施例では、ステップＳ１１０において、水素透過性金属層２２の一方の面を硫化水素（Ｈ2Ｓ）ガスに晒すことによって硫黄を導入し、水素透過性金属層２２の表面に硫化パラジウムを形成させているが、異なる方法で硫化パラジウムを形成させても良い。例えば、ステップＳ１１０に代えて、水素透過性金属層２２の一方の面上に硫化パラジウムの層をＰＶＤなどにより成膜する工程を行なっても、同様の効果が得られる。
【００３１】
Ｃ．第２実施例：
第１実施例では、水素透過性金属層２２における電解質層２１を形成する側の面に硫黄元素を導入することによって、水素透過性金属層２２と電解質層２１との界面に硫黄を配置させているが、異なる構成としても良い。異なる方法で上記界面に硫黄を配置させる構成を、第２実施例として以下に説明する。図４は、第２実施例の燃料電池を構成する単セル１２０の概略構成を表わす断面模式図である。図４では、図１に示す第１実施例の燃料電池と共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。
【００３２】
第２実施例の燃料電池は、水素透過性金属層２２に隣接して、電解質層２１に代えて電解質層１２１を備えている。電解質層１２１は、水素透過性金属層２２側の硫化物層１２５と、カソード２４側の酸化物層１２６とによって構成されている。ここで、硫化物層１２５は、第１実施例の電解質層２１と同様の固体酸化物において、酸素の少なくとも一部を硫黄に置換した硫化物によって形成されている。また、酸化物層１２６は、第１実施例の電解質層２１と同様の固体酸化物によって形成されている。図５は、水素透過性金属層２２と電解質層１２１とカソード２４とから成る第２実施例のＭＥＡ１４０の製造工程を表わす説明図である。
【００３３】
第２実施例の燃料電池を製造するには、最初に、図２のステップＳ１００と同様に、水素透過性金属層２２を用意する（ステップＳ２００）。その後、用意した水素透過性金属層２２の一方の面上に、硫化物層１２５を、例えばＰＶＤによって成膜する（ステップＳ２１０）。その後、上記硫化物層１２５上に、酸化物層１２６を形成すると共に（ステップＳ２２０）、酸化物層１２６上にカソード２４を形成して（ステップＳ２３０）、ＭＥＡ１４０を完成する。ここで、ステップＳ２２０およびステップＳ２３０は、図２のステップＳ１２０およびステップＳ１３０と同様の工程である。
【００３４】
以上のように構成された第２実施例の燃料電池によれば、水素透過性金属層２２上に、固体酸化物が備える酸素の少なくとも一部を硫黄に置換した硫化物から成る硫化物層１２５と、固体酸化物から成る酸化物層１２６とによって構成される電解質層１２１を形成しているため、水素透過性金属層２２と電解質層１２１との界面に酸素族元素である硫黄が存在することになる。従って、上記界面では、酸素とパラジウムとの結合に代えて、より結合力の強い硫黄とパラジウムとの結合が形成され、水素透過性金属層２２と電解質層１２１との間の結合力を強めることができる。このように、水素透過性金属層２２と電解質層１２１との間の結合力を強めることにより、水素透過性金属層２２と電解質層１２１との熱膨張率の違いなどに起因する水素透過性金属層・電解質複合体の損傷を抑え、燃料電池の耐久性を高めることができる。
【００３５】
硫化物層１２５において酸素を硫黄に置換する割合や、硫化物層１２５の膜厚は、酸素を硫黄に置換することにより結合力が強まる効果や、酸素を硫黄に置換することによるプロトン伝導性の変化の程度によって、適宜設定すればよい。硫化物層１２５において酸素を硫黄に置換する割合は、例えばＰＶＤによって硫化物層１２５を形成する場合には、蒸着源として用いる成膜材料において調節することができる。硫化物層１２５の膜厚は、例えばＰＶＤによって硫化物層１２５を形成する場合には、成膜時間によって調節することができる。また、電解質層１２１は、硫化物層１２５と酸化物層１２６とに二分するのではなく、水素透過性金属層２２側からカソード２４側へと、固体酸化物において酸素を硫黄に置換する割合を次第に減少させる構成としても良い。
【００３６】
Ｄ．第３実施例：
第２実施例では、硫化物層１２５と酸化物層１２６とを順次成膜することによって電解質層１２１を形成しているが、異なる構成としても良い。異なる製造工程により電解質層１２１を形成する構成を、第３実施例として以下に説明する。図６は、第３実施例の燃料電池におけるＭＥＡ１４０の製造工程を表わす説明図である。なお、第３実施例の燃料電池において、第１および第２実施例と共通する部分には同じ参照番号を付して、詳しい説明を省略する。
【００３７】
第３実施例の燃料電池を製造するには、最初に、図２のステップＳ１００と同様に、水素透過性金属層２２を用意する（ステップＳ３００）。その後、用意した水素透過性金属層２２の一方の面上に、第２実施例の硫化物層１２５と同様の硫化物層を、例えばＰＶＤによって成膜する（ステップＳ３１０）。ただし、本実施例のステップＳ３１０で形成する硫化物層は、第２実施例の硫化物層１２５よりも厚く、具体的には、電解質層１２１全体に相当する厚みに形成する。その後、上記硫化物層の表面に対して、酸化処理を施して、酸化物層１２６を形成する（ステップ３２０）。酸化処理は、例えば、酸化雰囲気下において、５００℃で１時間程度処理すればよい。これにより、ステップＳ３１０で形成した硫化物層の表面において、硫化物中の硫黄が酸素に置換され、硫化物層の表面が、固体酸化物から成る酸化物層１２６になる。酸化処理の後は、酸化物層１２６上に、ステップＳ１３０と同様にしてカソード２４を形成して（ステップＳ３３０）、ＭＥＡ１４０を完成する。
【００３８】
以上のように構成された第３実施例の燃料電池によれば、第２実施例と同様に、水素透過性金属層２２と電解質層１２１との界面近傍に酸素族元素である硫黄が存在することになる。従って、上記界面では、酸素とパラジウムとの結合に代えて、より結合力の強い硫黄とパラジウムとの結合が形成され、水素透過性金属層２２と電解質層１２１との間の結合力を強めることができる。このように、水素透過性金属層２２と電解質層１２１との間の結合力を強めることにより、水素透過性金属層２２と電解質層１２１との熱膨張率の違いなどに起因する水素透過性金属層・電解質複合体の損傷を抑え、燃料電池の耐久性を高めることができる。
【００３９】
なお、第３実施例では、ステップＳ３１０で形成した硫化物層に対して、ステップＳ３２０において酸化処理を施しているが、ステップＳ３２０の酸化処理を省略して燃料電池を組み立てることも可能である。この場合には、組み立てた燃料電池のカソード側に酸化ガスを供給して発電を開始することで、硫化物層のカソード側表面において酸化が進行して酸化物層１２６が形成される。
【００４０】
Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４１】
Ｅ１．変形例１：
第１ないし第３実施例では、水素透過性金属層と電解質層との界面を含む界面近傍領域に硫黄を備えさせることによって、水素透過性金属層と電解質層との間の結合の強度を向上させているが、酸素以外の酸素族元素であって、硫黄以外の元素を備えさせることとしても良い。すなわちセレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、ポロニウム（Ｐｏ）を用いることができる。この場合にも、硫黄を備えさせる場合と同様の効果が得られる。
【００４２】
Ｅ２．変形例２：
第１ないし第３実施例では、電解質層を構成する固体酸化物としてペロブスカイト型固体酸化物を用いているが、異なる種類の固体酸化物を用いても良い。例えば、Ｌａ2Ｚｒ2Ｏ7、Ｓｍ2Ｚｒ1.8Ｙ0.2Ｏ7等のパイロクロア型固体酸化物、ＬａＰＯ4等のモナザイト型固体酸化物、ＬａＢＯ3等のアラゴナイト型固体酸化物、ＳｉＯ2−Ｐ2Ｏ5、ＳｉＯ2−Ｈ2ＳＯ4等のガラス固体酸化物を用いることができる。これらの固体酸化物を用いる場合にも、水素透過性金属層と固体酸化物との界面近傍に、酸素以外の酸素族元素を備えさせることで、水素透過性金属層と電解質層との結合力を強める同様の効果が得られる。
【００４３】
Ｅ３．変形例３：
第１ないし第３実施例では、水素透過性金属層２２をＰｄ層としたが、異なる構成としても良い。例えば、パラジウム−銀合金などのパラジウム合金によって水素透過性金属層２２を形成することができる。あるいは、水素透過性金属層２２を、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）等の水素透過性を有する５族金属から成る層の両側に、パラジウム層あるいはパラジウム合金層を形成した３層構造を有する金属膜によって形成しても良い。水素透過性金属層において、少なくとも電解質層側の表面に、パラジウムあるいはパラジウム合金層を備えるならば、本発明を適用することで同様の効果が得られる。
【００４４】
あるいは、水素透過性金属層は、パラジウム以外の貴金属を表面に備えることとしても良い。すなわち、水素透過性を有する５族金属から成る層の両側に、水素分子を解離・結合させる触媒活性を有する貴金属の層を設けた３層構造を有する金属膜によって、水素透過性金属層を構成しても良い。ここで、用いる貴金属が、触媒活性は有するが水素透過性能が充分ではない場合には、貴金属の層を緻密な膜として形成するのではなく、５族金属から成る層上に貴金属を島状に配置すればよい。一般に、貴金属は卑金属に比べて酸素との結合力が弱いが、貴金属と酸素との結合の少なくとも一部を、貴金属と酸素以外の酸素族元素との結合に置き換えることで、水素透過性金属層と電解質層との間の結合の強度を高める同様の効果を得ることができる。
【００４５】
Ｅ４．変形例４：
第１ないし第３実施例では、水素透過性金属層を、水素透過性を有する金属薄膜、すなわち自立膜として形成したが、異なる構成としても良い。例えば、ガス透過性を有する板状部材（多数の穴を開けたステンレス鋼製の薄板や、金属あるいはセラミックス製の多孔質体など）の上に水素透過性金属を担持させることにより、水素透過性金属層を形成することができる。このような構成とすれば、水素透過性金属層を、さらに薄型化することができる。
【００４６】
Ｅ５．変形例５：
第１ないし第３実施例では、水素透過性金属層と電解質層とから成る水素透過性金属層・電解質複合体を、固体電解質型燃料電池に用いたが、異なる構成としても良い。例えば、実施例と同様の水素透過性金属層・電解質複合体を、水素ポンプや水素濃度センサなどの装置に用いることができる。一例として、本発明の水素透過性金属層・電解質複合体を備える水素ポンプの構成について以下に説明する。
【００４７】
図７は本発明の水素透過性金属層・電解質層複合体を備える水素ポンプ２２０の概略構成を表わす断面模式図である。水素ポンプ２２０は、実施例の単セルと類似する構成を備えている。図７では、水素ポンプ２２０は、第１実施例と同様の水素透過性金属層・電解質複合体２３を備えることとしているが、他の実施例の水素透過性金属層・電解質複合体を備えることとしても良い。図７の水素ポンプ２２０は、水素透過性金属層・電解質複合体２３に加えて、さらに電極２２４と、ホルダ２２７，２２９と、電源２５０とを備えている。
【００４８】
ここで、電極２２４は、単セル２０のカソード２４と同様にして形成されている。また、ホルダ２２７，２２９は、その表面に所定形状の溝を有している。水素ポンプ２２０内において、上記溝は、ホルダ２２７，２２９と隣接する水素透過性金属層２２あるいは電極２２４との間で、それぞれ、混合ガス流路２３０あるいは水素流路２３２を形成する。混合ガス流路２３０においては、外部から供給された水素を含有する混合ガスが流れる。また、水素流路２３２では、水素ポンプ２２０の働きで上記混合ガスから抽出された水素ガスが流入し、この水素ガスは、水素流路２３２から水素ポンプ外部へと排出される。
【００４９】
電源２５０は、直流定電圧電源であり、ホルダ２２７，２２９に接続されている。電源２５０のプラス側はホルダ２２９と接続されており、マイナス側はホルダ２２７と接続されている。水素ポンプ２２０の駆動時には、電源２５０によって両ホルダ間に電圧を印加しつつ、混合ガス流路２３０に対して混合ガスを供給する。これにより、混合ガス中の水素は、水素透過性金属層２２において電子を失って電解質層２１内をプロトンとして移動し、このプロトンは、電極２２４で再び電子を受け取って水素ガスとなる。このようにして、水素ポンプ２２０を用いることで、混合ガスから純度の高い水素が取り出される。
【００５０】
上記のように、プロトン伝導性を有する電解質層を備える装置において本発明を適用し、電解質層として本発明の水素透過性金属層・電解質層複合体を備えさせることで、装置の耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】第１実施例の単セル２０の概略構成を表わす断面模式図である。
【図２】ＭＥＡ４０の製造工程を表わす説明図である。
【図３】水素透過性金属層と電解質層との界面の様子を表わす説明図である。
【図４】第２実施例の単セル１２０の概略構成を表わす断面模式図である。
【図５】第２実施例のＭＥＡ１４０の製造工程を表わす説明図である。
【図６】第３実施例のＭＥＡ１４０の製造工程を表わす説明図である。
【図７】水素ポンプ２２０の概略構成を表わす断面模式図である。
【符号の説明】
【００５２】
２０，１２０…単セル
２１，１２１…電解質層
２２…水素透過性金属層
２３…電解質複合体
２４…カソード
２７，２９…ガスセパレータ
３０…単セル内燃料ガス流路
３２…単セル内酸化ガス流路
４０，１４０…ＭＥＡ
１２５…硫化物層
１２６…酸化物層
２２０…水素ポンプ
２２４…電極
２２７，２２９…ホルダ
２３０…混合ガス流路
２３２…水素流路
２５０…電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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