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特許7225113プロトン伝導体、プロトン伝導型セル構造体、水蒸気電解セルおよび水素極－固体電解質層複合体の製造方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-02-10
(45)【発行日】2023-02-20
(54)【発明の名称】プロトン伝導体、プロトン伝導型セル構造体、水蒸気電解セルおよび水素極－固体電解質層複合体の製造方法
(51)【国際特許分類】
H01B 1/08 20060101AFI20230213BHJP
H01B 1/06 20060101ALI20230213BHJP
H01M 8/12 20160101ALI20230213BHJP
H01M 8/1246 20160101ALI20230213BHJP
H01M 4/86 20060101ALI20230213BHJP
H01M 8/124 20160101ALI20230213BHJP
C25B 13/04 20210101ALI20230213BHJP
C25B 1/042 20210101ALI20230213BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20230213BHJP
C25B 9/19 20210101ALI20230213BHJP
C25B 13/07 20210101ALI20230213BHJP
【ＦＩ】
H01B1/08
H01B1/06 A
H01M8/12 101
H01M8/1246
H01M4/86 T
H01M8/124
C25B13/04 301
C25B1/042
C25B9/00 A
C25B9/19
C25B13/07
【請求項の数】
26
(21)【出願番号】P 2019557154
(86)(22)【出願日】2018-11-16
(86)【国際出願番号】 JP2018042539
(87)【国際公開番号】W WO2019107194
(87)【国際公開日】2019-06-06
【審査請求日】2021-05-06
(31)【優先権主張番号】P 2017229685
(32)【優先日】2017-11-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(31)【優先権主張番号】P 2018030074
(32)【優先日】2018-02-22
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】504132272
【氏名又は名称】国立大学法人京都大学
(73)【特許権者】
【識別番号】000002130
【氏名又は名称】住友電気工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002745
【氏名又は名称】弁理士法人河崎特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】東野 孝浩
(72)【発明者】
【氏名】野田 陽平
(72)【発明者】
【氏名】平岩 千尋
(72)【発明者】
【氏名】水原 奈保
(72)【発明者】
【氏名】小川 光靖
(72)【発明者】
【氏名】俵山 博匡
(72)【発明者】
【氏名】真嶋 正利
(72)【発明者】
【氏名】宇田 哲也
(72)【発明者】
【氏名】韓 東麟
(72)【発明者】
【氏名】大西 崇之
【審査官】神田 太郎
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１６／１５７５６６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１５／００８４０７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１４－０１３６９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／１０４８０６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１７－０４１３０８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－１４７９９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－３０７５４６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｂ １／０８
Ｈ０１Ｂ １／０６
Ｈ０１Ｍ ８／１２
Ｈ０１Ｍ ８／１２４６
Ｈ０１Ｍ ４／８６
Ｈ０１Ｍ ８／１２４
Ｃ２５Ｂ １／０４２
Ｃ２５Ｂ １３／０４
Ｃ２５Ｂ ９／００
Ｃ２５Ｂ ９／１９
Ｃ２５Ｂ １３／０７
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
酸素極と、水素極と、前記酸素極および前記水素極の間に介在するプロトン伝導体と、を備え、前記プロトン伝導体が、ペロブスカイト型構造を有し、かつ下記式（１）：
ＡxＢ1-yＭyＯ3-δ
で表される金属酸化物を含み、
元素Ａは、Ｂａ、ＣａおよびＳｒよりなる群から選択される少なくとも一種であり、
元素Ｂは、ＣｅおよびＺｒよりなる群から選択される少なくとも一種であり、
元素Ｍは、Ｙ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｔｍ、Ｇｄ、ＩｎおよびＳｃよりなる群から選択される少なくとも一種であり、
δは酸素欠損量であり、０．９５≦ｘ≦１、０＜ｙ≦０．５を満たす、プロトン伝導体であって、
前記水素極がニッケルを含み、
前記プロトン伝導体に含まれる前記元素Ａ、前記元素Ｂおよび前記元素Ｍの総量に対する、前記プロトン伝導体に含まれるＮｉの割合：ＲＮｉが、１．２原子％以下であり、
前記水素極が、前記元素Ａ、前記元素Ｂおよび前記元素Ｍのいずれとも異なる元素Ｘを更に含み、
前記元素Ｘは、１５００℃以上の温度で前記プロトン伝導体と反応せず、かつＮｉの活量を低下させる、プロトン伝導型セル構造体。
【請求項2】
前記プロトン伝導体の６００℃の加湿酸素雰囲気中におけるイオン輸率が０．８以上である、請求項１に記載のプロトン伝導型セル構造体。
【請求項3】
前記式（１）が、０．９８≦ｘ≦１を満たす、請求項１または請求項２に記載のプロトン伝導型セル構造体。
【請求項4】
前記元素ＡがＢａを含み、前記元素ＢがＺｒを含み、
前記元素ＭがＹを含む、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載のプロトン伝導プロトン伝導型セル構造体。
【請求項5】
前記元素Ｘは、Ｎｉを含む化合物を形成し得る、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載のプロトン伝導型セル構造体。
【請求項6】
前記元素Ｘは、少なくともＭｇを含む、請求項１～請求項５のいずれか１項に記載のプロトン伝導型セル構造体。
【請求項7】
前記Ｎｉの割合：ＲＮｉが１．０原子％以下である、請求項１～請求項６のいずれか１項に記載のプロトン伝導型セル構造体。
【請求項8】
請求項１～請求項７のいずれか１項に記載のプロトン伝導型セル構造体を備える、水蒸気電解セル。
【請求項9】
水素極の前駆体である多孔質な第１固体電解質層と、プロトン伝導体である緻密な第２固体電解質層と、が一体化されたセル前駆体を得る第１工程と、前記第１固体電解質層の細孔内に、ニッケル成分を付与する第２工程と、を有し、
前記第１固体電解質層および前記プロトン伝導体が、それぞれペロブスカイト型構造を有し、かつ下記式（１）：
ＡxＢ1-yＭyＯ3-δ
で表される金属酸化物を含み、
元素Ａは、Ｂａ、ＣａおよびＳｒよりなる群から選択される少なくとも一種であり、
元素Ｂは、ＣｅおよびＺｒよりなる群から選択される少なくとも一種であり、
元素Ｍは、Ｙ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｔｍ、Ｇｄ、ＩｎおよびＳｃよりなる群から選択される少なくとも一種であり、
δは酸素欠損量であり、０．９５≦ｘ≦１、０＜ｙ≦０．５を満たし、
前記プロトン伝導体に含まれる前記元素Ａ、前記元素Ｂおよび前記元素Ｍの総量に対する、前記プロトン伝導体に含まれるＮｉの割合：ＲＮｉが、１．２原子％以下であり、
前記第１固体電解質層が、前記元素Ａ、前記元素Ｂおよび前記元素Ｍのいずれとも異なる元素Ｘを更に含み、
前記元素Ｘは、１５００℃以上の温度で前記プロトン伝導体と反応せず、かつＮｉの活量を低下させる、水素極－固体電解質層複合体の製造方法。
【請求項10】
前記プロトン伝導体の６００℃における加湿酸素雰囲気中におけるイオン輸率が、０．８以上である、請求項９に記載の水素極－固体電解質層複合体の製造方法。
【請求項11】
前記第１工程が、前記第１固体電解質層の原料と造孔材とを含む第１ペースト層と、前記プロトン伝導体の原料を含み、前記造孔材を含まない第２ペースト層と、を積層して、ペースト積層体を得る工程と、前記ペースト積層体を４００℃～１０００℃で焼成工程と、を有する、請求項９または請求項１０に記載の水素極－固体電解質層複合体の製造方法。
【請求項12】
前記第２工程が、前記細孔内にニッケル化合物溶液を含有させた後、２００℃～６００℃で焼成することを含む、請求項９～請求項１０のいずれか１項に記載の水素極－固体電解質層複合体の製造方法。
【請求項13】
酸素極と、水素極と、前記酸素極および前記水素極の間に介在するプロトン伝導体と、を備え、前記プロトン伝導体が、ペロブスカイト型構造を有し、かつ下記式（１）：
ＡxＢ1-yＭyＯ3-δ
で表される金属酸化物を含み、
元素Ａは、Ｂａ、ＣａおよびＳｒよりなる群から選択される少なくとも一種であり、
元素Ｂは、ＣｅおよびＺｒよりなる群から選択される少なくとも一種であり、
元素Ｍは、Ｙ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｔｍ、Ｇｄ、ＩｎおよびＳｃよりなる群から選択される少なくとも一種であり、
δは酸素欠損量であり、０．９５≦ｘ≦１、０＜ｙ≦０．５を満たし、
前記プロトン伝導体の６００℃の加湿酸素雰囲気中におけるイオン輸率が０．８以上である、水蒸気電解セル。
【請求項14】
前記式（１）が、０．９８≦ｘ≦１を満たす、請求項１３に記載の水蒸気電解セル。
【請求項15】
前記元素ＡがＢａを含み、前記元素ＢがＺｒを含み、
前記元素ＭがＹを含む、請求項１３または請求項１４に記載の水蒸気電解セル。
【請求項16】
前記水素極がニッケルを含み、前記プロトン伝導体に含まれる前記元素Ａ、前記元素Ｂおよび前記元素Ｍの総量に対する、前記プロトン伝導体に含まれるＮｉの割合：ＲＮｉが、１．２原子％以下である、請求項１３～請求項１５のいずれか１項に記載の水蒸気電解セル。
【請求項17】
前記水素極が、前記元素Ａ、前記元素Ｂおよび前記元素Ｍのいずれとも異なる元素Ｘを更に含み、前記元素Ｘは、１５００℃以上の温度で前記プロトン伝導体と反応せず、かつＮｉの活量を低下させる、請求項１６に記載の水蒸気電解セル。
【請求項18】
前記元素Ｘは、Ｎｉを含む化合物を形成し得る、請求項１７に記載の水蒸気電解セル。
【請求項19】
前記元素Ｘは、少なくともＭｇを含む、請求項１７または請求項１８に記載の水蒸気電解セル。
【請求項20】
前記Ｎｉの割合：ＲＮｉが１．０原子％以下である、請求項１６～請求項１９のいずれか１項に記載の水蒸気電解セル。
【請求項21】
酸素極と、水素極と、前記酸素極および前記水素極の間に介在するプロトン伝導体と、を備える水蒸気電解セルの製造方法であって、
前記水素極の前駆体である多孔質な第１固体電解質層と、前記プロトン伝導体である緻密な第２固体電解質層と、が一体化されたセル前駆体を得る第１工程と、
前記第１固体電解質層の細孔内に、ニッケル成分を付与する第２工程と、を有し、
前記第１固体電解質層および前記プロトン伝導体が、それぞれペロブスカイト型構造を有し、かつ下記式（１）：
ＡxＢ1-yＭyＯ3-δ
で表される金属酸化物を含み、
元素Ａは、Ｂａ、ＣａおよびＳｒよりなる群から選択される少なくとも一種であり、
元素Ｂは、ＣｅおよびＺｒよりなる群から選択される少なくとも一種であり、
元素Ｍは、Ｙ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｔｍ、Ｇｄ、ＩｎおよびＳｃよりなる群から選択される少なくとも一種であり、
δは酸素欠損量であり、０．９５≦ｘ≦１、０＜ｙ≦０．５を満たし、
前記プロトン伝導体の６００℃の加湿酸素雰囲気中におけるイオン輸率が０．８以上である、水蒸気電解セルの製造方法。
【請求項22】
前記第１工程が、前記第１固体電解質層の原料と造孔材とを含む第１ペースト層と、前記第２固体電解質層の原料を含み、前記造孔材を含まない第２ペースト層と、を積層して、ペースト積層体を得る工程と、
前記ペースト積層体を４００℃～１０００℃で焼成工程と、を有する、請求項２１に記載の水蒸気電解セルの製造方法。
【請求項23】
前記第２工程が、前記細孔内にニッケル化合物溶液を含有させた後、２００℃～６００℃で焼成することを含む、請求項２１または請求項２２に記載の水蒸気電解セルの製造方法。
【請求項24】
多孔質な第１固体電解質層と、緻密な第２固体電解質層と、が一体化されたセル前駆体を得る第１工程と、前記第１固体電解質層の細孔内に、ニッケル成分を付与する第２工程と、を有し、
前記第１固体電解質層および前記第２固体電解質層が、それぞれペロブスカイト型構造を有し、かつ下記式（１）：
ＡxＢ1-yＭyＯ3-δ
で表される金属酸化物を含み、
元素Ａは、Ｂａ、ＣａおよびＳｒよりなる群から選択される少なくとも一種であり、
元素Ｂは、ＣｅおよびＺｒよりなる群から選択される少なくとも一種であり、
元素Ｍは、Ｙ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｔｍ、Ｇｄ、ＩｎおよびＳｃよりなる群から選択される少なくとも一種であり、
δは酸素欠損量であり、０．９５≦ｘ≦１、０＜ｙ≦０．５を満たし、
前記第１工程が、前記第１固体電解質層の原料と造孔材とを含む第１ペースト層と、前記第２固体電解質層の原料を含み、前記造孔材を含まない第２ペースト層と、を積層して、ペースト積層体を得る工程と、
前記ペースト積層体を４００℃～１０００℃で焼成工程と、を有する、水素極－固体電解質層複合体の製造方法。
【請求項25】
前記第２固体電解質層の６００℃における加湿酸素雰囲気中におけるイオン輸率が、０．８以上である、請求項２４に記載の水素極－固体電解質層複合体の製造方法。
【請求項26】
前記第２工程が、前記細孔内にニッケル化合物溶液を含有させた後、２００℃～６００℃で焼成することを含む、請求項２４または請求項２５に記載の水素極－固体電解質層複合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、プロトン伝導体、プロトン伝導型セル構造体、水蒸気電解セルおよび水素極－固体電解質層複合体の製造方法に関する。
本出願は、２０１７年１１月２９日出願の日本出願第２０１７－２２９６８５号、及び、２０１８年２月２２日出願の日本出願第２０１８－０３００７４号に基づく優先権を主張し、これらの日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
本出願は、２０１７年１１月２９日出願の日本出願第２０１７－２２９６８５号、及び、２０１８年２月２２日出願の日本出願第２０１８－０３００７４号に基づく優先権を主張し、これらの日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
【背景技術】
【0002】
電荷のキャリアとして水素イオン（プロトン）を用いるＰＣＦＣ（Ｐｒｏｔｏｎｉｃ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ、プロトン伝導性酸化物型燃料電池）に適用できる固体電解質として、ペロブスカイト型構造（Ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有するプロトン伝導性金属酸化物が知られている（特許文献１および特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２００１－３０７５４６号公報
【文献】特開２００７－１９７３１５号公報
【発明の概要】
【0004】
本開示のプロトン伝導体は、ペロブスカイト型構造を有し、かつ下記式（１）：
ＡｘＢ１－ｙＭｙＯ３－δ （１）
で表される金属酸化物を含み、
元素Ａは、Ｂａ、ＣａおよびＳｒよりなる群から選択される少なくとも一種であり、
元素Ｂは、ＣｅおよびＺｒよりなる群から選択される少なくとも一種であり、
元素Ｍは、Ｙ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｔｍ、Ｇｄ、ＩｎおよびＳｃよりなる群から選択される少なくとも一種であり、
δは酸素欠損量であり、０．９５≦ｘ≦１、０＜ｙ≦０．５を満たす。
ＡｘＢ１－ｙＭｙＯ３－δ （１）
で表される金属酸化物を含み、
元素Ａは、Ｂａ、ＣａおよびＳｒよりなる群から選択される少なくとも一種であり、
元素Ｂは、ＣｅおよびＺｒよりなる群から選択される少なくとも一種であり、
元素Ｍは、Ｙ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｔｍ、Ｇｄ、ＩｎおよびＳｃよりなる群から選択される少なくとも一種であり、
δは酸素欠損量であり、０．９５≦ｘ≦１、０＜ｙ≦０．５を満たす。
【0005】
本開示のプロトン伝導型セル構造体は、酸素極と、水素極と、前記酸素極および前記水素極の間に介在する本開示のプロトン伝導体と、を備える。
【0006】
本開示の水蒸気電解セルは、本開示のプロトン伝導型セル構造体を備える。
【0007】
本開示の水素極－固体電解質層複合体の製造方法は、
多孔質な第１固体電解質層と、緻密な第２固体電解質層と、が一体化されたセル前駆体を得る第１工程と、
前記第１固体電解質層の細孔内に、ニッケル成分を付与する第２工程と、を有し、
前記第１固体電解質層および前記第２固体電解質層が、それぞれペロブスカイト型構造を有し、かつ下記式（１）：
ＡｘＢ１－ｙＭｙＯ３－δ （１）
で表される金属酸化物を含み、
元素Ａは、Ｂａ、ＣａおよびＳｒよりなる群から選択される少なくとも一種であり、
元素Ｂは、ＣｅおよびＺｒよりなる群から選択される少なくとも一種であり、
元素Ｍは、Ｙ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｔｍ、Ｇｄ、ＩｎおよびＳｃよりなる群から選択される少なくとも一種であり、
δは酸素欠損量であり、０．９５≦ｘ≦１、０＜ｙ≦０．５を満たす。
多孔質な第１固体電解質層と、緻密な第２固体電解質層と、が一体化されたセル前駆体を得る第１工程と、
前記第１固体電解質層の細孔内に、ニッケル成分を付与する第２工程と、を有し、
前記第１固体電解質層および前記第２固体電解質層が、それぞれペロブスカイト型構造を有し、かつ下記式（１）：
ＡｘＢ１－ｙＭｙＯ３－δ （１）
で表される金属酸化物を含み、
元素Ａは、Ｂａ、ＣａおよびＳｒよりなる群から選択される少なくとも一種であり、
元素Ｂは、ＣｅおよびＺｒよりなる群から選択される少なくとも一種であり、
元素Ｍは、Ｙ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｔｍ、Ｇｄ、ＩｎおよびＳｃよりなる群から選択される少なくとも一種であり、
δは酸素欠損量であり、０．９５≦ｘ≦１、０＜ｙ≦０．５を満たす。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】本開示の一実施形態に係るプロトン伝導型セル構造体を模式的に示す断面図である。
【図2】本開示の一実施形態に係るプロトン伝導体におけるＢａ欠損量とイオン輸率との関係を示す図である。
【図3】本開示の一実施形態に係るプロトン伝導体におけるアレニウスプロットを示す図である。
【図4】本開示の一実施形態に係るプロトン伝導体における雰囲気温度とイオン輸率との関係を示す図である。
【図5】本開示の一実施形態に係るプロトン伝導体に含まれるＮｉの割合（ＲＮｉ）と水素雰囲気中での６００℃での全伝導度との関係を示す図である。
【図6】本開示の一実施形態に係る水素極－固体電解質層複合体が具備する固体電解質層におけるＹ濃度とＲＮｉとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
［発明が解決しようとする課題］
イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を固体電解質層に用いたセル構造体では、ＮｉＯと固体電解質とを混合した水素極を薄膜化された固体電解質層の支持体とする構成が検討されている。プロトン伝導性金属酸化物でも上記構成により固体電解質層を薄膜化することは可能である。
イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を固体電解質層に用いたセル構造体では、ＮｉＯと固体電解質とを混合した水素極を薄膜化された固体電解質層の支持体とする構成が検討されている。プロトン伝導性金属酸化物でも上記構成により固体電解質層を薄膜化することは可能である。
【0010】
しかし、上記セル構造体は、水素極と固体電解質層との共焼結により形成される。共焼結の際、水素極のＮｉがプロトン伝導性金属酸化物中に拡散すると、金属酸化物のプロトン伝導性が低下する。プロトン伝導性金属酸化物中に拡散したＮｉは、イオン輸率も低下させるため、リーク電流が増加し得る。よって、セル構造体を水蒸気電解セルに使用する際には電解効率が低下しやすい。
【0011】
また、プロトン伝導性金属酸化物が、イットリウムをドープしたジルコン酸バリウムである場合、焼結性が低いことを考慮して、通常１６００℃以上の温度で焼結が行われる。その際、Ｂａが蒸発により欠損することで、イオン輸率とプロトン伝導度の低下を引き起こすことがある。
［発明の効果］
［発明の効果］
【0012】
本開示に係るプロトン伝導体を水蒸気電解セルおよび／または燃料電池に適用すると、高いイオン輸率が得られ、電流効率が向上する。また、本開示に係る水素極－固体電解質層複合体の製造方法によれば、電流効率に優れたプロトン伝導型セル構造体を形成することができる。
【0013】
［発明の実施形態の説明］
最初に、本開示の実施形態の内容を列記して説明する。
最初に、本開示の実施形態の内容を列記して説明する。
【0014】
（１）本開示の一実施形態は、
ペロブスカイト型構造を有し、かつ式（１）：ＡｘＢ１－ｙＭｙＯ３－δで表される金属酸化物を含むプロトン伝導体に関する。ここで、元素Ａは、Ｂａ、ＣａおよびＳｒよりなる群から選択される少なくとも一種であり、元素Ｂは、ＣｅおよびＺｒよりなる群から選択される少なくとも一種であり、元素Ｍは、Ｙ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｔｍ、Ｇｄ、ＩｎおよびＳｃよりなる群から選択される少なくとも一種である。上記式（１）は、０．９５≦ｘ≦１および０＜ｙ≦０．５を満たし、δは酸素欠損量である。
このような構成を有するプロトン伝導体を水蒸気電解セルおよび／または燃料電池に適用すると、高いプロトン伝導性と高いイオン輸率とを確保できるため、高い電流効率を発揮することができる。
ペロブスカイト型構造を有し、かつ式（１）：ＡｘＢ１－ｙＭｙＯ３－δで表される金属酸化物を含むプロトン伝導体に関する。ここで、元素Ａは、Ｂａ、ＣａおよびＳｒよりなる群から選択される少なくとも一種であり、元素Ｂは、ＣｅおよびＺｒよりなる群から選択される少なくとも一種であり、元素Ｍは、Ｙ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｔｍ、Ｇｄ、ＩｎおよびＳｃよりなる群から選択される少なくとも一種である。上記式（１）は、０．９５≦ｘ≦１および０＜ｙ≦０．５を満たし、δは酸素欠損量である。
このような構成を有するプロトン伝導体を水蒸気電解セルおよび／または燃料電池に適用すると、高いプロトン伝導性と高いイオン輸率とを確保できるため、高い電流効率を発揮することができる。
【0015】
（２）上記プロトン伝導体は、６００℃の加湿酸素雰囲気中におけるイオン輸率が０．８以上であることが好ましい。
イオン輸率がこのような範囲であれば、該プロトン伝導体を水蒸気電解セルおよび／または燃料電池に適用した場合、より高い電流効率を発揮することができる。ここで、加湿酸素雰囲気は、水蒸気と酸素の混合ガス雰囲気であればよく、水蒸気分圧０．０５ａｔｍ（５．０×１０３Ｐａ）、酸素分圧０．９５ａｔｍ（９．５×１０４Ｐａ）の雰囲気であればよい。
イオン輸率がこのような範囲であれば、該プロトン伝導体を水蒸気電解セルおよび／または燃料電池に適用した場合、より高い電流効率を発揮することができる。ここで、加湿酸素雰囲気は、水蒸気と酸素の混合ガス雰囲気であればよく、水蒸気分圧０．０５ａｔｍ（５．０×１０３Ｐａ）、酸素分圧０．９５ａｔｍ（９．５×１０４Ｐａ）の雰囲気であればよい。
【0016】
（３）上記式（１）は、０．９８≦ｘ≦１を満たすことが好ましい。
ｘがこのような範囲では、より高いプロトン伝導性とイオン輸率を確保し得る。
ｘがこのような範囲では、より高いプロトン伝導性とイオン輸率を確保し得る。
【0017】
（４）元素ＡはＢａを含み、元素ＢはＺｒを含み、元素ＭはＹを含んでもよい。これにより、セル構造体の耐久性を向上させることができる。
【0018】
（５）本開示の他の一実施形態は、酸素極と、水素極と、酸素極および水素極の間に介在する上記プロトン伝導体とを備えるプロトン伝導型セル構造体に関する。
この構成を有するプロトン伝導型セル構造体を燃料電池および／または水蒸気電解セルに適用すると、高い電流効率が発揮される。
この構成を有するプロトン伝導型セル構造体を燃料電池および／または水蒸気電解セルに適用すると、高い電流効率が発揮される。
【0019】
（６）上記プロトン伝導型セル構造体が具備するプロトン伝導体において、元素Ａ、元素Ｂおよび元素Ｍの総量に対するＮｉの割合：ＲＮｉ（Ｎｉ Ｃａｔｉｏｎ Ｒａｔｉｏ）は、１．２原子％以下であることが好ましい。
これにより、上記セル構造体による水蒸気電解セルおよび／または燃料電池の電流効率が向上する。
これにより、上記セル構造体による水蒸気電解セルおよび／または燃料電池の電流効率が向上する。
【0020】
（７）上記水素極は、元素Ａ、元素Ｂおよび元素Ｍのいずれとも異なる元素Ｘを含んでもよい。元素Ｘは、１５００℃以上の温度でプロトン伝導体と反応せず、かつＮｉの活量を低下させる元素であることが好ましい。
これにより、上記プロトン伝導体中にＮｉが拡散するのを抑制することができる。また、プロトン伝導体とニッケルとの副生成物（例えば、ＢａＹ２ＮｉＯ５）が生成するのを防ぐことができる。
これにより、上記プロトン伝導体中にＮｉが拡散するのを抑制することができる。また、プロトン伝導体とニッケルとの副生成物（例えば、ＢａＹ２ＮｉＯ５）が生成するのを防ぐことができる。
【0021】
（８）元素Ｘは、例えば、Ｎｉを含む化合物を形成し得る元素であればよい。
Ｎｉを含む化合物を形成することでＮｉの活量を低減することができる。
Ｎｉを含む化合物を形成することでＮｉの活量を低減することができる。
【0022】
（９）元素Ｘは、少なくともＭｇを含むことが好ましい。
Ｍｇはプロトン伝導体中にＮｉが拡散するのを抑制する作用が大きいからである。元素Ｘのうち、９０原子％以上がＭｇであることがより好ましい。
Ｍｇはプロトン伝導体中にＮｉが拡散するのを抑制する作用が大きいからである。元素Ｘのうち、９０原子％以上がＭｇであることがより好ましい。
【0023】
（１０）上記Ｎｉの割合：ＲＮｉは１．０原子％以下が好ましい。
これにより、上記セル構造体を具備する水蒸気電解セルおよび／または燃料電池の電流効率が顕著に向上する。
これにより、上記セル構造体を具備する水蒸気電解セルおよび／または燃料電池の電流効率が顕著に向上する。
【0024】
（１１）本開示の他の一実施形態は、上記プロトン伝導型セル構造体を備える水蒸気電解セルに関する。
【0025】
（１２）本開示の他の一実施形態は、多孔質な第１固体電解質層と、緻密な第２固体電解質層と、が一体化されたセル前駆体を得る工程と、第１固体電解質層の細孔内に、ニッケル成分（金属Ｎｉまたはニッケル化合物）を付与する工程と、を有し、第１固体電解質層および第２固体電解質層が、それぞれペロブスカイト型構造を有し、かつ式（１）：ＡｘＢ１－ｙＭｙＯ３－δで表される金属酸化物を含み、元素Ａは、Ｂａ、ＣａおよびＳｒよりなる群から選択される少なくとも一種であり、元素Ｂは、ＣｅおよびＺｒよりなる群から選択される少なくとも一種であり、元素Ｍは、Ｙ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｔｍ、Ｇｄ、ＩｎおよびＳｃよりなる群から選択される少なくとも一種であり、δは酸素欠損量であり、０．９５≦ｘ≦１、０＜ｙ≦０．５を満たす、水素極－固体電解質層複合体の製造方法に関する。
この方法によれば、固体電解質層へのＮｉの拡散を抑制することができる。この方法で得られる水素極－固体電解質層複合体を水蒸気電解セルおよび／または燃料電池に適用すると、高い電流効率が発揮される。
この方法によれば、固体電解質層へのＮｉの拡散を抑制することができる。この方法で得られる水素極－固体電解質層複合体を水蒸気電解セルおよび／または燃料電池に適用すると、高い電流効率が発揮される。
【0026】
（１３）上記第２固体電解質層の６００℃における加湿酸素雰囲気中におけるイオン輸率は０．８以上であることが好ましい。上記水素極－固体電解質層複合体の製造方法によれば、第２固体電解質層のイオン輸率を０．８以上とすることが容易である。
【0027】
（１４）上記水素極－固体電解質層複合体の製造方法において、セル前駆体を得る工程は、第１固体電解質層の原料と造孔材とを含む第１ペースト層と、第２固体電解質層の原料を含み、造孔材を含まない第２ペースト層とを積層して、ペースト積層体を得る工程と、ペースト積層体を４００℃～１０００℃で焼成する工程とを含み得る。
【0028】
（１５）上記水素極－固体電解質層複合体の製造方法において、細孔内にニッケル成分（金属Ｎｉまたはニッケル化合物）を付与する工程は、細孔内にニッケル化合物溶液を含有させた後、２００℃～６００℃で焼成することを含んでもよい。
【0029】
［実施形態の詳細］
本開示の実施形態の具体例を、適宜図面を参照しつつ以下に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
本開示の実施形態の具体例を、適宜図面を参照しつつ以下に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【0030】
［プロトン伝導体］
プロトン伝導体は、ペロブスカイト型構造（ＡＢＯ３相）を有する金属酸化物であり、その組成は上記式（１）で表される。Ａサイトには、元素Ａが入り、Ｂサイトには、元素Ｂ（ホウ素を示すものではない）が入る。Ｂサイトの一部は、高いプロトン伝導性を確保する観点から、元素Ｍで置換されている。
プロトン伝導体は、ペロブスカイト型構造（ＡＢＯ３相）を有する金属酸化物であり、その組成は上記式（１）で表される。Ａサイトには、元素Ａが入り、Ｂサイトには、元素Ｂ（ホウ素を示すものではない）が入る。Ｂサイトの一部は、高いプロトン伝導性を確保する観点から、元素Ｍで置換されている。
【0031】
元素Ｂおよび元素Ｍの合計に対する元素Ａの比率ｘは、高いプロトン伝導性とイオン輸率を確保する観点から、０．９５≦ｘ≦１であることが好ましく、０．９８≦ｘ≦１であることがより好ましい。また、ｘが１を越えないことで、元素Ａの析出が抑制され、水分の作用によりプロトン伝導体が腐食することを抑制できる。ｙは、プロトン伝導性を確保する観点から、０＜ｙ≦０．５であることが好ましく、０．１＜ｙ≦０．３がより好ましい。
【0032】
元素Ａは、Ｂａ（バリウム）、Ｃａ（カルシウム）およびＳｒ（ストロンチウム）よりなる群から選択される少なくとも一種である。なかでも、優れたプロトン伝導性が得られる点で、元素ＡはＢａを含むことが好ましく、元素Ａに占めるＢａの比率は、５０原子％以上であることが好ましく、８０原子％以上であることがより好ましい。元素ＡはＢａのみで構成されることが更に好ましい。
【0033】
元素Ｂは、Ｃｅ（セリウム）およびＺｒ（ジルコニウム）よりなる群から選択される少なくとも一種である。なかでも、耐久性の観点から、元素ＢはＺｒを含むことが好ましく、元素Ｂに占めるＺｒの比率は、５０原子％以上であることが好ましく、８０原子％以上であることがより好ましい。元素ＢはＺｒのみで構成されることが更に好ましい。
【0034】
元素Ｍは、Ｙ（イットリウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｈｏ（ホルミウム）、Ｔｍ（ツリウム）、Ｇｄ（ガドリニウム）、Ｉｎ（インジウム）およびＳｃ（スカンジウム）よりなる群から選択される少なくとも一種である。元素Ｍはドーパントであって、これにより酸素欠陥が生じ、ペロブスカイト型構造を有する金属酸化物はプロトン伝導性を発現する。
【0035】
上記式（１）において、酸素欠損量δは、元素Ｍの量に応じて決定でき、例えば、０≦δ≦０．１５である。金属酸化物における各元素の比率は、例えば、電子プローブマイクロアナライザを使用した波長分散型Ｘ線分析 (Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、以下、ＷＤＸと称する)を用いて求めることができる。
【0036】
ペロブスカイト型構造を有する金属酸化物の具体例としては、イットリウムがドープされたジルコン酸バリウム［ＢａｘＺｒ１－ｙＹｙＯ３－δ（以下、ＢＺＹと称する）］、イットリウムがドープされたセリウム酸バリウム［ＢａｘＣｅ１－ｙＹｙＯ３－δ（ＢＣＹ）］、イットリウムがドープされたジルコン酸バリウム／セリウム酸バリウムの混合酸化物［ＢａｘＺｒ１－ｙ－ｚＣｅｚＹｙＯ３－δ（ＢＺＣＹ）］などが挙げられる。
【0037】
発明者らは、固体電解質にＢＺＹを用い、水素極にＢＺＹとＮｉＯの混合体を用いた水蒸気電解セルを検討する中、従来の共焼結法で作製したセルではＢＺＹ中へのＮｉの拡散によりイオン輸率が低下し、ＢＺＹの物性値から試算される電流効率よりも実際の電流効率は低いということを明らかにした。さらに、高いイオン輸率を確保し、高い電流効率を有するプトロン伝導体に必要な条件を探求した。その結果、上記式（１）の化合物における元素Ａ（特にＢａ）の欠損量の増大に伴って加湿酸素雰囲気中におけるイオン輸率が低下するという新たな知見を得た。水蒸気電解セルにおいては、固体電解質層の加湿酸素雰囲気中におけるイオン輸率を確保することが重要である。
【0038】
本開示に係るプロトン伝導体は、加湿酸素雰囲気中においても高いイオン輸率を確保できる。イオン輸率とは、電解質に電流を流した際に、電子、ホール、陽イオン、陰イオンによって運ばれる全電気量のうち、陰イオンと陽イオンによって運ばれる電気量の割合である。なお、運ばれる全電気量が陰イオンと陽イオンによって運ばれる電気量と等しい場合にはイオン輸率が１となる。例えばＢＺＹの場合は、プロトンと酸化物イオンとホールとがキャリアとして存在することから、イオン輸率は、プロトンと酸化物イオンによって流れた電気が全体の何割であるのかを示す。
【0039】
［プロトン伝導型セル構造体］
本開示の一実施形態に係るセル構造体の断面模式図を図１に示す。プロトン伝導型セル構造体１は、酸素極２と、水素極３と、酸素極２および水素極３の間に介在し、プロトン伝導性を備える固体電解質層（プロトン伝導体）４と、を備える。プロトン伝導型セル構造体１において、固体電解質層４は、酸素極２と水素極３との間に挟持されており、固体電解質層４の一方の主面は、水素極３に接触し、他方の主面は酸素極２と接触している。水素極３および固体電解質層４は、焼成により一体化されて、水素極３と固体電解質層４との複合体５を形成している。固体電解質層の厚みは、例えば、１μｍ～１００μｍ、好ましくは３μｍ～２０μｍである。固体電解質層の厚みがこのような範囲である場合、固体電解質層の抵抗が低く抑えられる点で好ましい。
本開示の一実施形態に係るセル構造体の断面模式図を図１に示す。プロトン伝導型セル構造体１は、酸素極２と、水素極３と、酸素極２および水素極３の間に介在し、プロトン伝導性を備える固体電解質層（プロトン伝導体）４と、を備える。プロトン伝導型セル構造体１において、固体電解質層４は、酸素極２と水素極３との間に挟持されており、固体電解質層４の一方の主面は、水素極３に接触し、他方の主面は酸素極２と接触している。水素極３および固体電解質層４は、焼成により一体化されて、水素極３と固体電解質層４との複合体５を形成している。固体電解質層の厚みは、例えば、１μｍ～１００μｍ、好ましくは３μｍ～２０μｍである。固体電解質層の厚みがこのような範囲である場合、固体電解質層の抵抗が低く抑えられる点で好ましい。
【0040】
図示例では、積層型のセル構造体を示しているが、セル構造体の形状はこれに限定されない。例えば、中空を有するように、水素極３を内側にして丸めた円筒形状であってもよい。また、水素極３の厚みは、酸素極２よりも大きくなっており、水素極３が固体電解質層４（ひいてはプロトン伝導型セル構造体１）を支持する支持体として機能している。ただし、水素極３の厚みを、必ずしも酸素極２よりも大きくする必要はなく、例えば、水素極３の厚みと酸素極２の厚みとは同程度であってもよい。
【0041】
固体電解質層４において、元素Ａ、元素Ｂおよび元素Ｍの総量に対するＮｉの割合：ＲＮｉは、１．２原子％以下であることが好ましく、０．８原子％以下がより好ましく、０．５原子％以下がさらに好ましい。ＲＮｉは、固体電解質層４に含まれる酸素を除く全てのカチオン量に対するＮｉの割合である。このように、固体電解質層４へのＮｉの拡散を抑制することで、伝導度の低下を防ぐことができる。
【0042】
ＲＮｉは、ＷＤＸを用いて、元素分布状態（デプスプロファイル）を評価することによって求めることができる。例えば、固体電解質層４のある一点を通る、固体電解質層４の主面に対する法線を引いたとき、法線上にある、水素極３と固体電解質層４との境界から固体電解質層４と酸素極２との境界までを、１μｍ間隔で評価する。その後、全ての測定点を平均化することによって、ＲＮｉを求めればよい。ただし、元素Ａ、元素Ｂの量によって、プロトン伝導体でないと判断される点は除外する。
【0043】
［酸素極］
酸素極２は、例えば、燃料電池の場合、酸素分子を吸着し、解離させてイオン化することができる多孔質の構造を有している。酸素極２では、固体電解質層４を介して伝導されたプロトンと、酸化物イオンとの反応（酸素の還元反応）が生じている。酸化物イオンは、酸化剤流路から導入された酸化剤（酸素）が解離することにより生成する。
酸素極２は、例えば、燃料電池の場合、酸素分子を吸着し、解離させてイオン化することができる多孔質の構造を有している。酸素極２では、固体電解質層４を介して伝導されたプロトンと、酸化物イオンとの反応（酸素の還元反応）が生じている。酸化物イオンは、酸化剤流路から導入された酸化剤（酸素）が解離することにより生成する。
【0044】
酸素極２の材料としては、例えば、燃料電池のカソードとして用いられる公知の材料を用いることができる。なかでも、ランタンを含み、かつ、ペロブスカイト構造を有する化合物（フェライト、マンガナイト、および／またはコバルタイトなど）が好ましく、これらの化合物のうち、さらにストロンチウムを含むものがより好ましい。具体的には、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ：Ｌａ１－ｘＳｒｘＦｅ１－ｙＣｏｙＯ３－δ、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ：Ｌａ１－ｘＳｒｘＭｎＯ３－δ、０＜ｘ＜１）、ランタンストロンチウムコバルタイト（ＬＳＣ：Ｌａ１－ｘＳｒｘＣｏＯ３－δ、０＜ｘ＜１）等が挙げられる。ここでも、δは酸素欠損量を示す。
【0045】
酸素極２は、例えば、上記材料を焼結することにより形成することができる。プロトンと酸化物イオンとの反応を促進させる観点から、酸素極２は、Ｐｔ等の触媒を含んでいてもよい。触媒を含む場合、酸素極２は、触媒と上記材料とを混合して、焼結することにより形成することができる。必要に応じて、上記の酸素極２の材料とともに、バインダ、添加剤および／または分散媒などを用いてもよい。酸素極２の厚みは、特に限定されないが、５μｍ～４０μｍ程度であればよい。
【0046】
［水素極］
水素極３は、多孔質の構造を有している。水素極３では、例えば、燃料電池の場合、水素などの燃料が酸化され、プロトンと電子とを放出する反応（燃料の酸化反応）が行われる。
水素極３は、多孔質の構造を有している。水素極３では、例えば、燃料電池の場合、水素などの燃料が酸化され、プロトンと電子とを放出する反応（燃料の酸化反応）が行われる。
【0047】
水素極３の材料としては、例えば、燃料電池のアノードとして用いられる材料を用いることができる。具体的には、触媒成分であるニッケルもしくはニッケル化合物（酸化ニッケル等）と、プロトン伝導体との複合物等が挙げられる。なお、ニッケル化合物は、セルの使用中に還元され、Ｎｉを生成する。プロトン伝導体には、上記式（１）の化合物を用いる。これにより、水素極３と固体電解質層４に含まれる金属元素の実質的な相互拡散が抑制されるため、抵抗が高くなり難い。
【0048】
水素極３は、例えば、ＮｉＯ粉末とプロトン伝導体の粉末等とを混合して焼結することにより形成することができる。水素極３の厚みは、例えば、１０μｍ～２ｍｍから適宜決定でき、１０μｍ～１００μｍであってもよい。水素極３の厚みを大きくして、固体電解質層４を支持する支持体として機能させてもよい。この場合、水素極３の厚みは、例えば、１００μｍ～２ｍｍの範囲から適宜選択できる。
【0049】
ここで、水素極３として、例えば、ＮｉＯ粉末とプロトン伝導体のＢＺＹ粉末とを混合して共焼結することにより形成された複合物を用いる場合、ＢＺＹ中にＮｉが拡散しやすい。このような水素極３をプロトン伝導型セルに使用すると、セルの伝導度およびイオン輸率が低下する。セルの伝導度およびイオン輸率を低下させないためには、水素極３が、１５００℃以上の温度においてプロトン伝導体のＢＺＹ粉末と反応せず、かつ、Ｎｉの活量を低下させる元素Ｘを含むことが好ましい。
【0050】
元素Ｘは、例えば、Ｎｉを含む化合物を形成し得る元素であればよい。元素Ｘは、少なくともＭｇを含むことが好ましく、元素Ｘの９０原子％以上がＭｇであることがより好ましく、元素Ｘの９９原子％以上もしくは全量がＭｇであることが更に好ましい。これにより、Ｎｉの割合：ＲＮｉを容易に１．０原子％以下、更には０．５原子％以下とすることができる。
【0051】
具体的には、例えばＭｇＯとＮｉＯとを混合し、空気中で熱処理して得られる固溶体を水素極３に用いることができる。なお、水素極３は、還元によりＮｉを生成するものであればよい。ＭｇＯとＮｉＯの固溶体を用いる場合、ＭｇとＮｉとの合計に占めるＭｇの割合は、Ｎｉ量を確保する観点から言えば、例えば３０～７０原子％であればよく、４０～５０原子％が好ましい。
【0052】
水素極３に、アンモニア、メタン、プロパン等の気体を含むガスを導入すると、水素極３では、これらの気体の分解反応が起こり、水素が発生する。つまり、プロトン伝導型セル構造体１は、ガス分解性能を備えており、このプロトン伝導型セル構造体１をガス分解装置に用いることも可能である。
【0053】
例えば、アンモニアの分解により発生した水素は、水素極３によって酸化され、プロトンが生成する。生成したプロトンは、固体電解質層４を通って、酸素極２に移動する。一方、アンモニアの分解により同時に生成したＮ２は、排気ガスとして排出される。水素極３には、上記ガスを分解する機能を有する触媒を含ませてもよい。アンモニア等のガスを分解する機能を有する触媒としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、ＲｕおよびＣｕよりなる群から選択される少なくとも１種の触媒成分を含む化合物が挙げられる。
【0054】
［水蒸気電解セル］
水蒸気電解セルは、上記のプロトン伝導型セル構造体１を含んでいればよく、その他の構成は、公知のものが採用できる。また、水蒸気電解セルは、上記のプロトン伝導型セル構造体１を用いる以外は、公知の方法で製造できる。
水蒸気電解セルは、上記のプロトン伝導型セル構造体１を含んでいればよく、その他の構成は、公知のものが採用できる。また、水蒸気電解セルは、上記のプロトン伝導型セル構造体１を用いる以外は、公知の方法で製造できる。
【0055】
水蒸気電解セルに用いる場合には、加湿酸素雰囲気中のイオン輸率はより高いことが好ましく、少なくとも０．８以上である固体電解質層４を備えることが好ましい。これにより、水蒸気電解セルにおいて電子性の漏れ電流を抑制し、水蒸気電解の効率を向上させることができる。
【0056】
本開示に係るプロトン伝導体を水蒸気電解セルに適用する場合、イオン輸率がより高いことが好ましい理由を以下に説明する。
【0057】
例えば、ＢＺＹの場合は、プロトンと酸化物イオンとホールとがキャリアとして存在しており、ホール伝導が存在すると、漏れ電流が流れる。漏れ電流は電解に関係なく流れてしまうため、電流効率が低くなる。ここで、漏れ電流をｊ、セルの電圧をＶ、電解質中のホール伝導に対する抵抗値をＲとすると、ｊ＝Ｖ／Ｒという関係が成り立つ。燃料電池として発電を行うときには、Ｖは小さくなり、Ｒは大きくなるため、ｊは小さくなる。一方、水蒸気電解セルの場合には、Ｖは大きくなり、Ｒは小さくなるため、ｊは大きくなる。したがって、水蒸気電解セルの場合、燃料電池の場合と比べて漏れ電流ｊが大きくなる傾向がある。漏れ電流を抑えて電解の効率を良好にするためには、イオン輸率をできるだけ高くすることが望まれる。
【0058】
［水素極－固体電解質層複合体の製造方法］
本開示の一実施形態に係る水素極－固体電解質層複合体の製造方法は、多孔質な第１固体電解質層と、緻密な第２固体電解質層とが一体化されたセル前駆体を得る第１工程と、第１固体電解質層の細孔内に、ニッケル成分（金属Ｎｉまたはニッケル化合物）を付与する第２工程と、を有する。
本開示の一実施形態に係る水素極－固体電解質層複合体の製造方法は、多孔質な第１固体電解質層と、緻密な第２固体電解質層とが一体化されたセル前駆体を得る第１工程と、第１固体電解質層の細孔内に、ニッケル成分（金属Ｎｉまたはニッケル化合物）を付与する第２工程と、を有する。
【0059】
第１固体電解質層および第２固体電解質層は、それぞれペロブスカイト型構造を有し、かつ上記式（１）で表される金属酸化物を含む。このような製造方法を用いることにより、第２固体電解質層に拡散するニッケル成分（金属Ｎｉまたはニッケル化合物）を制御することが可能となり、ニッケル成分（金属Ｎｉまたはニッケル化合物）の固溶に起因するプロトン伝導型セル構造体の伝導度の低下を抑えることができる。
【0060】
［第１工程］
第１工程では、第１固体電解質層の原料と造孔材（例えば、カーボン）とを含む第１ペースト層と、第２固体電解質層の原料を含み、造孔材を含まない第２ペースト層と、を積層して、ペースト積層体を得る工程と、ペースト積層体を焼成し、造孔材の少なくとも一部を除去する工程とを有することが好ましい。焼成温度については、４００℃～１０００℃が好ましく、４００℃～８００℃がより好ましい。積層体の焼成物は、その後、過剰のＢＺＹ粉末に埋めた状態で、例えば１５００～１６５０℃程度（好ましくは１５５０～１６５０℃）の高温にて酸素雰囲気で焼成する。この焼成により、多孔質な第１固体電解質層と緻密な第２固体電解質層の二層が一体化した焼結体を得ることができる。なお、第１固体電解質と造孔材を混合した粉末と、第２固体電解質とを、共に加圧成型し、次に、この加圧成型された成型体を熱処理することにより、造孔材を焼き飛ばしてもよい。
第１工程では、第１固体電解質層の原料と造孔材（例えば、カーボン）とを含む第１ペースト層と、第２固体電解質層の原料を含み、造孔材を含まない第２ペースト層と、を積層して、ペースト積層体を得る工程と、ペースト積層体を焼成し、造孔材の少なくとも一部を除去する工程とを有することが好ましい。焼成温度については、４００℃～１０００℃が好ましく、４００℃～８００℃がより好ましい。積層体の焼成物は、その後、過剰のＢＺＹ粉末に埋めた状態で、例えば１５００～１６５０℃程度（好ましくは１５５０～１６５０℃）の高温にて酸素雰囲気で焼成する。この焼成により、多孔質な第１固体電解質層と緻密な第２固体電解質層の二層が一体化した焼結体を得ることができる。なお、第１固体電解質と造孔材を混合した粉末と、第２固体電解質とを、共に加圧成型し、次に、この加圧成型された成型体を熱処理することにより、造孔材を焼き飛ばしてもよい。
【0061】
［第２工程］
第２工程では、第１固体電解質層の細孔内に、ニッケル成分（金属Ｎｉまたはニッケル化合物）を付与する。例えば、硝酸ニッケル水溶液に第１工程で得られた焼結体を投入し、減圧下において、焼結体の第１固体電解質層の細孔内に硝酸ニッケル水溶液を含浸する。その後、熱処理を行うことにより、硝酸ニッケルを酸化ニッケルに変換する。このようにすることで、第１固体電解質層の細孔内に、ニッケル成分（金属Ｎｉまたはニッケル化合物）を付与することができる。細孔内に硝酸ニッケル水溶液を含浸させた後、２００℃～６００℃の温度で焼成することが好ましく、３００℃～５００℃の温度で焼成することがより好ましい。この焼成温度であれば、ニッケルが第２固体電解質層に拡散することがほとんどなく、Ｎｉ含有量が低い第２固体電解質層を得ることができる。硝酸ニッケル水溶液の含浸と、熱処理については、数回繰り返すことが好ましい。
第２工程では、第１固体電解質層の細孔内に、ニッケル成分（金属Ｎｉまたはニッケル化合物）を付与する。例えば、硝酸ニッケル水溶液に第１工程で得られた焼結体を投入し、減圧下において、焼結体の第１固体電解質層の細孔内に硝酸ニッケル水溶液を含浸する。その後、熱処理を行うことにより、硝酸ニッケルを酸化ニッケルに変換する。このようにすることで、第１固体電解質層の細孔内に、ニッケル成分（金属Ｎｉまたはニッケル化合物）を付与することができる。細孔内に硝酸ニッケル水溶液を含浸させた後、２００℃～６００℃の温度で焼成することが好ましく、３００℃～５００℃の温度で焼成することがより好ましい。この焼成温度であれば、ニッケルが第２固体電解質層に拡散することがほとんどなく、Ｎｉ含有量が低い第２固体電解質層を得ることができる。硝酸ニッケル水溶液の含浸と、熱処理については、数回繰り返すことが好ましい。
【0062】
第１固体電解質層の細孔内にニッケル成分（金属Ｎｉまたはニッケル化合物）を付与する手法として、第１固体電解質層に対して、金属ＮｉやＮｉＯを真空蒸着等により直接付着させてもよい。また、金属Ｎｉナノ粒子を懸濁させた液中で上記焼結体にめっき、または無電解めっきを施してもよい。
【0063】
以下、実施例に基づき、本開示をより具体的に説明するが、以下の実施例は本開示を限定するものではない。
【0064】
［実施例１］
（１）金属酸化物ｍ１～ｍ３（ＢａｘＺｒ１－ｙＹｙＯ３－δ）の作製
炭酸バリウムと、酸化ジルコニウムと、酸化イットリウムとを、Ｂａの比率ｘが表１に示す値、Ｙの比率ｙが０．２００になるようなモル比で、それぞれボールミルに入れて２４時間混合し、混合物を得た。得られた混合物を、１０００℃で１０時間の仮焼成を行った。仮焼成された混合物をボールミルで１０時間処理して、一軸成形した後、大気雰囲気において、１３００℃で１０時間焼成した。焼成した試料を乳鉢で粉砕した後、ボールミルで１０時間処理した。得られた粉末に対して、再度、一軸成形した後、１３００℃、１０時間の焼成を行い、ボールミルで１０時間処理することによって金属酸化物ｍ１～ｍ３を得た。
（１）金属酸化物ｍ１～ｍ３（ＢａｘＺｒ１－ｙＹｙＯ３－δ）の作製
炭酸バリウムと、酸化ジルコニウムと、酸化イットリウムとを、Ｂａの比率ｘが表１に示す値、Ｙの比率ｙが０．２００になるようなモル比で、それぞれボールミルに入れて２４時間混合し、混合物を得た。得られた混合物を、１０００℃で１０時間の仮焼成を行った。仮焼成された混合物をボールミルで１０時間処理して、一軸成形した後、大気雰囲気において、１３００℃で１０時間焼成した。焼成した試料を乳鉢で粉砕した後、ボールミルで１０時間処理した。得られた粉末に対して、再度、一軸成形した後、１３００℃、１０時間の焼成を行い、ボールミルで１０時間処理することによって金属酸化物ｍ１～ｍ３を得た。
【0065】
（２）焼結体およびサンプル電極の作製
金属酸化物ｍ１～ｍ３を一軸成形してそれぞれのペレットを得た後、これをＢＺＹと炭酸バリウムとの混合粉末［ＢＺＹ：ＢａＣＯ３＝１００：１（質量比）］に埋めて、酸素雰囲気中、１６００℃で、２４時間の熱処理をすることにより焼結させ、ペロブスカイト型構造を有する各金属酸化物ｍ１～ｍ３の焼結体Ｓ１～Ｓ３を作製した。各焼結体Ｓ１～Ｓ３の両面にスパッタによりＰｔ電極を形成することによりサンプル電極を作製した。
金属酸化物ｍ１～ｍ３を一軸成形してそれぞれのペレットを得た後、これをＢＺＹと炭酸バリウムとの混合粉末［ＢＺＹ：ＢａＣＯ３＝１００：１（質量比）］に埋めて、酸素雰囲気中、１６００℃で、２４時間の熱処理をすることにより焼結させ、ペロブスカイト型構造を有する各金属酸化物ｍ１～ｍ３の焼結体Ｓ１～Ｓ３を作製した。各焼結体Ｓ１～Ｓ３の両面にスパッタによりＰｔ電極を形成することによりサンプル電極を作製した。
【0066】
【表1】
【0067】
（３）イオン輸率の測定
Ｐｔスパッタ後のサンプル電極を測定用のホルダーに取り付け、電気炉に入れ、７００℃まで昇温した。水蒸気分圧が０．０５ａｔｍ（５×１０３Ｐａ）、酸素分圧が０．９５ａｔｍ（９．５×１０４Ｐａ）となるように加湿した酸素を供給しながら、交流インピーダンス測定により伝導度を求めた。交流インピーダンス測定には、Ｓｏｌａｒｔｒｏｎ１２６０（Ｓｏｌａｒｔｒｏｎ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ社製）を使用した。その後、ＡｒにＯ２を２０％混合したガス［水蒸気分圧０．０５ａｔｍ（５×１０３Ｐａ）、酸素分圧０．１９ａｔｍ（１．９×１０４Ｐａ）、アルゴン分圧０．７６ａｔｍ（７．６×１０４Ｐａ）］、ＡｒにＨ２を５％混合したガス［水蒸気分圧０．０５ａｔｍ（５×１０３Ｐａ）、水素分圧０．０４７５ａｔｍ（４．７５×１０３Ｐａ）、アルゴン分圧０．９０２５ａｔｍ（９．０２５×１０４Ｐａ）］、ＡｒにＨ２を１０％混合したガス［水蒸気分圧０．０５ａｔｍ、水素分圧０．０９５ａｔｍ（９．５×１０３Ｐａ）、アルゴン分圧０．８５５分圧（８．５５×１０４Ｐａ）］、ＡｒにＨ２を５０％混合したガス［水蒸気分圧０．０５ａｔｍ（５×１０３Ｐａ）、水素分圧０．４７５ａｔｍ（４．７５×１０４Ｐａ）、アルゴン分圧０．４７５ａｔｍ（４．７５×１０４Ｐａ）］、およびＨ２雰囲気［水蒸気分圧０．０５ａｔｍ（５×１０３Ｐａ）、水素分圧０．９５ａｔｍ（９．５×１０４Ｐａ）］においても、それぞれ伝導度を求めた。
Ｐｔスパッタ後のサンプル電極を測定用のホルダーに取り付け、電気炉に入れ、７００℃まで昇温した。水蒸気分圧が０．０５ａｔｍ（５×１０３Ｐａ）、酸素分圧が０．９５ａｔｍ（９．５×１０４Ｐａ）となるように加湿した酸素を供給しながら、交流インピーダンス測定により伝導度を求めた。交流インピーダンス測定には、Ｓｏｌａｒｔｒｏｎ１２６０（Ｓｏｌａｒｔｒｏｎ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ社製）を使用した。その後、ＡｒにＯ２を２０％混合したガス［水蒸気分圧０．０５ａｔｍ（５×１０３Ｐａ）、酸素分圧０．１９ａｔｍ（１．９×１０４Ｐａ）、アルゴン分圧０．７６ａｔｍ（７．６×１０４Ｐａ）］、ＡｒにＨ２を５％混合したガス［水蒸気分圧０．０５ａｔｍ（５×１０３Ｐａ）、水素分圧０．０４７５ａｔｍ（４．７５×１０３Ｐａ）、アルゴン分圧０．９０２５ａｔｍ（９．０２５×１０４Ｐａ）］、ＡｒにＨ２を１０％混合したガス［水蒸気分圧０．０５ａｔｍ、水素分圧０．０９５ａｔｍ（９．５×１０３Ｐａ）、アルゴン分圧０．８５５分圧（８．５５×１０４Ｐａ）］、ＡｒにＨ２を５０％混合したガス［水蒸気分圧０．０５ａｔｍ（５×１０３Ｐａ）、水素分圧０．４７５ａｔｍ（４．７５×１０４Ｐａ）、アルゴン分圧０．４７５ａｔｍ（４．７５×１０４Ｐａ）］、およびＨ２雰囲気［水蒸気分圧０．０５ａｔｍ（５×１０３Ｐａ）、水素分圧０．９５ａｔｍ（９．５×１０４Ｐａ）］においても、それぞれ伝導度を求めた。
【0068】
得られた伝導度σはσion＋σeleで表される。このとき、σion（イオン伝導度）は一定である。σele（ホール伝導度）は酸素分圧ｐＯ２の１／４乗に比例するため、Ａ（ｐＯ２）１／４と表される。
ここで、ある雰囲気で伝導度を測定した場合、その雰囲気での全伝導度しか求めることができない。つまり、ホール伝導度σeleは雰囲気によって変化するため、雰囲気による変化を見る必要がある。そこで、酸素雰囲気中のホール伝導度を確認するために、雰囲気を変えて、その変化を見ることにした。
具体的には、σ＝σion+Ａ（ｐＯ２）１／４の式で伝導度をフィッティングし、σionとσeleを求めた。イオン輸率はσion／（σion+σele）であり、フィッティングから得られた値を用い、加湿酸素雰囲気におけるイオン輸率を算出した。なお、加湿酸素雰囲気におけるイオン輸率測定は、６００℃、５００℃でも同様にして行った。
ここで、ある雰囲気で伝導度を測定した場合、その雰囲気での全伝導度しか求めることができない。つまり、ホール伝導度σeleは雰囲気によって変化するため、雰囲気による変化を見る必要がある。そこで、酸素雰囲気中のホール伝導度を確認するために、雰囲気を変えて、その変化を見ることにした。
具体的には、σ＝σion+Ａ（ｐＯ２）１／４の式で伝導度をフィッティングし、σionとσeleを求めた。イオン輸率はσion／（σion+σele）であり、フィッティングから得られた値を用い、加湿酸素雰囲気におけるイオン輸率を算出した。なお、加湿酸素雰囲気におけるイオン輸率測定は、６００℃、５００℃でも同様にして行った。
【0069】
イオン輸率の測定結果を図２に示す。イオン輸率は、いずれの温度でも、Ｂａの欠損量の増大に伴って低下する傾向があることがわかる。
【0070】
（４）イオン伝導度の測定
Ｐｔスパッタ後のＳ１～Ｓ３について、水蒸気分圧が０．０５ａｔｍ（５×１０３Ｐａ）、水素分圧が０．９５ａｔｍ（９．５×１０４Ｐａ）の加湿水素雰囲気中において６００℃から１００℃まで温度を変えながら伝導度を測定することにより、イオン伝導度の温度依存性を確認した。
Ｐｔスパッタ後のＳ１～Ｓ３について、水蒸気分圧が０．０５ａｔｍ（５×１０３Ｐａ）、水素分圧が０．９５ａｔｍ（９．５×１０４Ｐａ）の加湿水素雰囲気中において６００℃から１００℃まで温度を変えながら伝導度を測定することにより、イオン伝導度の温度依存性を確認した。
【0071】
イオン伝導度の測定結果（アレニウスプロット）を図３に示す。なお、図３に示す各プロットと各焼結体との関係は、それぞれ以下のとおりである。
Ｓ１：化学量論組成（ＢａＺｒ０．８Ｙ０．２Ｏ３－δ）
Ｓ２：Ｂａ欠損量０．０２（Ｂａ０．９８Ｚｒ０．８Ｙ０．２Ｏ３－δ）
Ｓ３：Ｂａ欠損量０．０５（Ｂａ０．９５Ｚｒ０．８Ｙ０．２Ｏ３－δ）
イオン伝導度は、加湿水素雰囲気の温度低下に伴って低下した。イオン伝導度は、いずれの温度でも、Ｂａの欠損量の増大に伴って低下する傾向があることがわかる。
Ｓ１：化学量論組成（ＢａＺｒ０．８Ｙ０．２Ｏ３－δ）
Ｓ２：Ｂａ欠損量０．０２（Ｂａ０．９８Ｚｒ０．８Ｙ０．２Ｏ３－δ）
Ｓ３：Ｂａ欠損量０．０５（Ｂａ０．９５Ｚｒ０．８Ｙ０．２Ｏ３－δ）
イオン伝導度は、加湿水素雰囲気の温度低下に伴って低下した。イオン伝導度は、いずれの温度でも、Ｂａの欠損量の増大に伴って低下する傾向があることがわかる。
【0072】
［実施例２］
金属酸化物ｍ１中のＢａ、ＺｒおよびＹの合計に対するＮｉの割合（ＲＮｉ）が２．１原子％となるように、金属酸化物ｍ１にＮｉＯを混合した。得られた混合粉末を一軸成形した後、酸素雰囲気中、１５００℃で１０時間焼成して焼結体（以下、試料ＢＺＹ－Ｎｉと称する）を得た。
金属酸化物ｍ１中のＢａ、ＺｒおよびＹの合計に対するＮｉの割合（ＲＮｉ）が２．１原子％となるように、金属酸化物ｍ１にＮｉＯを混合した。得られた混合粉末を一軸成形した後、酸素雰囲気中、１５００℃で１０時間焼成して焼結体（以下、試料ＢＺＹ－Ｎｉと称する）を得た。
【0073】
試料ＢＺＹ－ＮｉのようにＮｉがＢＺＹ中に固溶している場合、水素雰囲気と酸素雰囲気ではイオン伝導度が異なると考えられる。これは、水素雰囲気と酸素雰囲気では固溶体中のＮｉの状態が異なるためである。そのため、実施例１で行ったように水素雰囲気中でのイオン伝導度の測定結果を酸素雰囲気中でのイオン伝導度と仮定し、イオン輸率を求めることは困難である。そこで、試料ＢＺＹ－Ｎｉについては、起電力測定法によりイオン輸率を求めた。また、比較のため、Ｎｉを含まない試料Ｓ１についても同様に測定を行った。
【0074】
起電力測定法によるイオン輸率の算出は以下のとおりである。
焼結体の両側にＰｔをスパッタし、電極（Ｉ）及び電極（ＩＩ）を作製する。電極（Ｉ）側のガスにおける水蒸気分圧をＰＨ2Ｏ（Ｉ）、水素分圧をＰＨ2（Ｉ）、酸素分圧をＰＯ2（Ｉ）とする。電極(ＩＩ)側のガスにおける水蒸気分圧をＰＨ2Ｏ（ＩＩ）、水素分圧をＰＨ2（ＩＩ）、酸素分圧をＰＯ2（ＩＩ）とする。
焼結体の両側にＰｔをスパッタし、電極（Ｉ）及び電極（ＩＩ）を作製する。電極（Ｉ）側のガスにおける水蒸気分圧をＰＨ2Ｏ（Ｉ）、水素分圧をＰＨ2（Ｉ）、酸素分圧をＰＯ2（Ｉ）とする。電極(ＩＩ)側のガスにおける水蒸気分圧をＰＨ2Ｏ（ＩＩ）、水素分圧をＰＨ2（ＩＩ）、酸素分圧をＰＯ2（ＩＩ）とする。
【0075】
プロトンおよび酸化物イオンが電荷のキャリアとなり得るため、各電極のガス分圧が異なると起電力Ｖcellが生じる。起電力Ｖcellは、下記式（２）もしくは式（３）で表される。
【0076】
【数1】
【0077】
【数2】
【0078】
ここで、ｔＨ
＋はプロトンの輸率、ｔＯ
2-は酸化物イオンの輸率、Ｒは気体定数、Ｆはファラデー定数、Ｔは温度（Ｋ）を示している。
【0079】
加湿水素雰囲気下におけるイオン輸率（ｔＨ
+＋ｔＯ
2-）を測定する場合には、式（２）を使用する。両電極の水蒸気分圧ＰＨ2Ｏ（Ｉ）、ＰＨ2Ｏ（ＩＩ）は０．０３とした。一方の電極側の水素分圧ＰＨ2（Ｉ）を０．９７に固定し、他方の電極側の水素分圧ＰＨ2（ＩＩ）を０．２９、０．３９、０．４９、０．５８、０．６８、０．７８とし、各水素分圧での起電力Ｖmeaを測定した。測定された起電力を横軸ｌｏｇ［ＰＨ2（ＩＩ）］、縦軸Ｖのグラフにプロットした。プロットを直線近似したときの傾きと、イオン輸率（ｔＨ
+＋ｔＯ
2-）が１であるときの傾きから、イオン輸率を算出した。このとき、電極の過電圧の影響を受けるため、下記式（４）で補正を行った。式（４）において、Ｖcellは式（２）に（ｔＨ
+＋ｔＯ
2-）＝１を代入したときに得られる値である。
【0080】
【数3】
【0081】
加湿酸素雰囲気下におけるイオン輸率を測定する場合には、式（３）を使用する。両電極の水蒸気分圧ＰＨ2Ｏ（Ｉ）、ＰＨ2Ｏ（ＩＩ）は０．０３とした。一方の電極側の酸素分圧ＰＯ2（ＩＩ）を０．９７に固定し、他方の電極側の酸素分圧ＰＯ2（Ｉ）を０．２９、０．３９、０．４９、０．５８、０．６８、０．７８とし、各酸素分圧での起電力Ｖmeaを測定した。測定された起電力を横軸ｌｏｇ［ＰＯ2（Ｉ）］、縦軸Ｖのグラフにプロットした。プロットを直線近似したときの傾きからイオン輸率を算出し、上記と同様に補正した。
【0082】
イオン輸率の測定結果を図４に示す。加湿酸素雰囲気下におけるイオン輸率は、温度の上昇に伴って低下する傾向がある。この傾向は、Ｎｉを含まない試料Ｓ１（図４の符号●）と比較して、Ｎｉを含む固溶体である試料ＢＺＹ－Ｎｉ（図４の符号▲）において大きい。そのため、試料ＢＺＹ－Ｎｉのイオン輸率は、試料Ｓ１のイオン輸率よりも低くなる。したがって、試料ＢＺＹ－Ｎｉを中温域の水蒸気電解セルに適用する場合には、ＢＺＹに含まれるＮｉ量を可能な限り小さくすることが望ましい。なお、図４には、加湿水素雰囲気下におけるイオン輸率について測定した結果も示した。図４の符号〇は、Ｎｉを含まない試料Ｓ１の結果であり、図４の符号△は、Ｎｉを含む固溶体である試料ＢＺＹ－Ｎｉの結果である。加湿水素雰囲気下では、イオン輸率がほとんど変化しないことがわかる。
【0083】
［実施例３］
金属酸化物ｍ１中のＢａ、ＺｒおよびＹの合計に対するＮｉの割合（ＲＮｉ）が０．４原子％、０．６原子％、１．３原子％となるように、それぞれ金属酸化物ｍ１とＮｉＯとを混合した。得られた混合粉末を一軸成形した後、酸素雰囲気中で１５００℃、１０時間の熱処理を行うことで、焼結体を得た。焼結体の両面にスパッタによりＰｔ電極を形成することによりサンプル電極を作製した。
金属酸化物ｍ１中のＢａ、ＺｒおよびＹの合計に対するＮｉの割合（ＲＮｉ）が０．４原子％、０．６原子％、１．３原子％となるように、それぞれ金属酸化物ｍ１とＮｉＯとを混合した。得られた混合粉末を一軸成形した後、酸素雰囲気中で１５００℃、１０時間の熱処理を行うことで、焼結体を得た。焼結体の両面にスパッタによりＰｔ電極を形成することによりサンプル電極を作製した。
【0084】
Ｐｔスパッタ後のサンプル電極を測定用のホルダーに取り付け、電気炉に入れ昇温した。６００℃において、水蒸気分圧が０．０５ａｔｍ（５×１０３Ｐａ）、水素分圧が０．９５ａｔｍ（９．５×１０４Ｐａ）となるように加湿した水素を供給しながら、交流インピーダンス測定により伝導度を求めた。得られた水素雰囲気中の全伝導度を図５に示す。なお、実施例１で作製した焼結体Ｓ１及び実施例２で作製した試料ＢＺＹ－Ｎｉについても、サンプル電極を作製した後、水素雰囲気中の全伝導度を求め、合わせて図５に示した。
【0085】
図５より、ＲＮｉが増大するに伴い、全伝導度が低下することがわかる。プロトン伝導型セル構造体を水蒸気電解セルに適用する場合には、固体電解質層の抵抗を抑え、少なくとも全伝導度を０．００５Ｓ／ｃｍ以上にすることが求められる。
【0086】
ここで、プロトン伝導型セル構造体を有する水蒸気電解セルにおいて、全伝導度から水蒸気電解効率を試算すると、以下のようになる。
【0087】
まず、電解効率は電流効率（電解に用いられる正味の電流／漏れ電流を含む全電流）と仮定する。ここで、電解効率に影響するパラメーターは電解質の伝導度以外に多数（電解質厚み、電極のガス組成、電極の触媒性能、電流密度等）存在するが、イオン伝導度の低下は確実に電解効率の低下に繋がる。
【0088】
具体的には、例えば、電解質がＢＺＹの水蒸気電解セルにおけるポテンシャルとして理想に近い以下のパラメーターで試算すると、０．３Ａ／ｃｍ２の電流密度で電解したときの電解効率は、電解質伝導度０．０１８Ｓ／ｃｍ(Ｎｉフリー)において９０．９％から、０．００５Ｓ／ｃｍにおいて８７．５％に低下する。
（試算パラメーター）
電解質厚み：２０μｍ
水素極：水蒸気分圧０．０５ａｔｍ（５×１０３Ｐａ）、水素分圧０．９５ａｔｍ（９．５×１０４Ｐａ）
酸素極：酸素分圧０．０１ａｔｍ（１×１０３Ｐａ）、水蒸気分圧０．９９ａｔｍ（９．９×１０４Ｐａ） (加湿水蒸気供給を想定)
ホール伝導度：加湿酸素雰囲気（水蒸気分圧０．０５ａｔｍ（５×１０３Ｐａ）、酸素分圧０．９５ａｔｍ（９．５×１０４Ｐａ））下で０．００４４Ｓ／ｃｍ
電極反応抵抗：０．１Ωｃｍ２(実績値は水素極で０．１５Ωｃｍ２、酸素極で０．５Ωｃｍ２)
（試算パラメーター）
電解質厚み：２０μｍ
水素極：水蒸気分圧０．０５ａｔｍ（５×１０３Ｐａ）、水素分圧０．９５ａｔｍ（９．５×１０４Ｐａ）
酸素極：酸素分圧０．０１ａｔｍ（１×１０３Ｐａ）、水蒸気分圧０．９９ａｔｍ（９．９×１０４Ｐａ） (加湿水蒸気供給を想定)
ホール伝導度：加湿酸素雰囲気（水蒸気分圧０．０５ａｔｍ（５×１０３Ｐａ）、酸素分圧０．９５ａｔｍ（９．５×１０４Ｐａ））下で０．００４４Ｓ／ｃｍ
電極反応抵抗：０．１Ωｃｍ２(実績値は水素極で０．１５Ωｃｍ２、酸素極で０．５Ωｃｍ２)
【0089】
したがって、プロトン伝導型セル構造体を有する水蒸気電解セルにおいて、全伝導度を０．００５Ｓ／ｃｍ以上にすることで、水蒸気電解として良好な効率（具体的には、水蒸気電解効率８５％以上）を得ることができると推認される。図５の結果によれば、ＲＮｉの低下に伴って全伝導度が増加する傾向にあり、ＲＮｉが１．２原子％以下であれば全伝導度が０．００５Ｓ／ｃｍ以上となることがわかる。
【0090】
［実施例４］
（１）ＭｇＯとＮｉＯの固溶体の調製
酸化マグネシウムと酸化ニッケルとを１：１のモル比率でそれぞれボールミルに入れて２４時間混合し、混合物を得た。得られた混合物をボールミルで１０時間処理して、一軸成形した後、大気雰囲気において、１３００℃で１０時間焼成した。焼成した試料を乳鉢で粉砕した後、ボールミルで１０時間処理することによってＭｇＯとＮｉＯの固溶体（以下、ＮｉＯ／ＭｇＯ固溶体と称する）を得た。なお、ＮｉＯ／ＭｇＯ固溶体はＸ線回折（ＸＲＤ：Ｘ－ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）測定により、単相の立方晶（空間群：Ｆｍ－３ｍ）ＸＲＤパターンのみが検出され、ＭｇＯ／ＮｉＯ固溶体の単相であることが確認された。ＸＲＤ測定には、Ｐａｎａｌｙｔｉｃａｌ製Ｘ’ｐｅｒｔ Ｐｒｏを使用し、Ｘ線はＣｕＫα線（管電圧４５ｋＶ、管電流４０ｍＡ）とし、集中法、２θ走査範囲５－９０ｄｅｇｒｅｅ、０．０１７ｄｅｇｒｅｅ／ｓｔｅｐ、１０．１６ｓｅｃ／ｓｔｅｐとした。
（１）ＭｇＯとＮｉＯの固溶体の調製
酸化マグネシウムと酸化ニッケルとを１：１のモル比率でそれぞれボールミルに入れて２４時間混合し、混合物を得た。得られた混合物をボールミルで１０時間処理して、一軸成形した後、大気雰囲気において、１３００℃で１０時間焼成した。焼成した試料を乳鉢で粉砕した後、ボールミルで１０時間処理することによってＭｇＯとＮｉＯの固溶体（以下、ＮｉＯ／ＭｇＯ固溶体と称する）を得た。なお、ＮｉＯ／ＭｇＯ固溶体はＸ線回折（ＸＲＤ：Ｘ－ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）測定により、単相の立方晶（空間群：Ｆｍ－３ｍ）ＸＲＤパターンのみが検出され、ＭｇＯ／ＮｉＯ固溶体の単相であることが確認された。ＸＲＤ測定には、Ｐａｎａｌｙｔｉｃａｌ製Ｘ’ｐｅｒｔ Ｐｒｏを使用し、Ｘ線はＣｕＫα線（管電圧４５ｋＶ、管電流４０ｍＡ）とし、集中法、２θ走査範囲５－９０ｄｅｇｒｅｅ、０．０１７ｄｅｇｒｅｅ／ｓｔｅｐ、１０．１６ｓｅｃ／ｓｔｅｐとした。
【0091】
（２）水素極用粉末の調製
水素極用材料として、ＮｉＯ／ＭｇＯ固溶体および金属酸化物ｍ１を使用した。ＮｉＯ／ＭｇＯ固溶体、金属酸化物ｍ１、および適量の２－プロパノールとともに、ボールミルで混合した後、乾燥させることで水素極用粉末を調製した。なお、ＮｉＯ／ＭｇＯ固溶体と金属酸化物ｍ１は１：１の重量比で混合した。また、バインダおよび添加剤の量は、ＮｉＯ／ＭｇＯ固溶体および金属酸化物ｍ１の合計１００質量部に対して、それぞれ、１０質量部および０．５質量部とした。
水素極用材料として、ＮｉＯ／ＭｇＯ固溶体および金属酸化物ｍ１を使用した。ＮｉＯ／ＭｇＯ固溶体、金属酸化物ｍ１、および適量の２－プロパノールとともに、ボールミルで混合した後、乾燥させることで水素極用粉末を調製した。なお、ＮｉＯ／ＭｇＯ固溶体と金属酸化物ｍ１は１：１の重量比で混合した。また、バインダおよび添加剤の量は、ＮｉＯ／ＭｇＯ固溶体および金属酸化物ｍ１の合計１００質量部に対して、それぞれ、１０質量部および０．５質量部とした。
【0092】
（３）固体電解質用ペーストの調製
固体電解質層用材料として、上記金属酸化物ｍ１を用いた。金属酸化物ｍ１と、エチルセルロース（バインダ）と、適量のαテルピネオールとを混合して、固体電解質用ペーストを調製した。バインダの量は、金属酸化物ｍ１の１００質量部に対して、４質量部とした。
固体電解質層用材料として、上記金属酸化物ｍ１を用いた。金属酸化物ｍ１と、エチルセルロース（バインダ）と、適量のαテルピネオールとを混合して、固体電解質用ペーストを調製した。バインダの量は、金属酸化物ｍ１の１００質量部に対して、４質量部とした。
【0093】
（４）水素極－固体電解質層複合体Ａの作製
上記水素極用粉末を、３９２ＭＰａの圧力で一軸成形して、円盤状のペレット（直径１１ｍｍ）を得た後、これを大気中、１０００℃で、１０時間の熱処理を行った。得られた円盤状のペレットの一方の主面に、上記固体電解質用ペーストをスピンコートにより塗布して、塗膜を形成した。塗膜が形成されたペレットを、６００℃で１時間加熱することにより脱バインダ処理を行った。次いで、得られたペレットを酸素雰囲気中にて１６００℃で１０時間、本焼成し、水素極－固体電解質層複合体Ａを得た。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察したところ、水素極の厚みは約１．４ｍｍであり、固体電解質層の厚みは２０μｍであった。
上記水素極用粉末を、３９２ＭＰａの圧力で一軸成形して、円盤状のペレット（直径１１ｍｍ）を得た後、これを大気中、１０００℃で、１０時間の熱処理を行った。得られた円盤状のペレットの一方の主面に、上記固体電解質用ペーストをスピンコートにより塗布して、塗膜を形成した。塗膜が形成されたペレットを、６００℃で１時間加熱することにより脱バインダ処理を行った。次いで、得られたペレットを酸素雰囲気中にて１６００℃で１０時間、本焼成し、水素極－固体電解質層複合体Ａを得た。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察したところ、水素極の厚みは約１．４ｍｍであり、固体電解質層の厚みは２０μｍであった。
【0094】
（５）水素極－固体電解質層複合体Ｂの作製
比較のために、酸化マグネシウムを用いずに酸化ニッケルのみを用いて水素極用ペーストを調製したこと以外、水素極－固体電解質層複合体Ａと同様の方法で、水素極－固体電解質層複合体Ｂを作製した。
比較のために、酸化マグネシウムを用いずに酸化ニッケルのみを用いて水素極用ペーストを調製したこと以外、水素極－固体電解質層複合体Ａと同様の方法で、水素極－固体電解質層複合体Ｂを作製した。
【0095】
次に、水素極－固体電解質層複合体Ａが具備する固体電解質層中のＲＮｉおよび水素極－固体電解質層複合体Ｂが具備する固体電解質中のＲＮｉを、それぞれ測定した。まず水素極－固体電解質層複合体ＡおよびＢをそれぞれエポキシ樹脂に埋めた後、研磨によって断面出しを行い、続いて日本電子製ＩＢ－１９５１０ＣＰを用いて断面加工を行った。これを、メイワフォーシス製ＣＡＤＥ－Ｅを用いてカーボンコートを行った後、日本電子製ＪＸＡ－８５３０Ｆにセットし、ＷＤＸを行った。ＷＤＸは、固体電解質層を表面から厚さ方向に、１μｍ間隔で１４点の測定を行った。この時の、加速電圧は１５ｋＶ、照射電流は５０ｎＡとした。その後、全ての測定点を平均化することによって、ＲＮｉを求めた。ただし、隣の測定点の値よりも１原子％以上差が生じた点に関しては除外した。
【0096】
水素極－固体電解質層複合体ＡおよびＢが具備する固体電解質層におけるＹ濃度とＲＮｉとの関係を図６に示す。ここで、Ｙ濃度とは、ＢＺＹ中の元素Ａ、元素Ｂ、元素Ｍの総量に対するＹの割合（原子％）である。なお、水素極－固体電解質層複合体Ａ、Ｂの調製について、化学量論組成のＢＺＹ２０（ＢａＺｒ０．８Ｙ０．２Ｏ３－δ）を得るために、以下に示す異なる３種の調製条件によりそれぞれ行った。図６に示すプロットと調製条件との関係は以下のとおりである。
符号□および符号■：水素極用粉末を、３９２ＭＰａで一軸成形して、円盤状のペレット（直径１１ｍｍ）を得た後、これを大気中、１０００℃で、１０時間の熱処理を行った。得られた円盤状のペレットの一方の主面に、上記固体電解質用ペーストをスピンコートにより塗布して、塗膜を形成した。塗膜が形成されたペレットを、６００℃で１時間程度加熱することにより脱バインダ処理を行った。これをＢＺＹと炭酸バリウムとの混合粉末［ＢＺＹ：ＢａＣＯ３＝１００：１（質量比）］に埋めて、酸素雰囲気中、１６００℃で、１０時間の熱処理を行う。
符号△および符号▲：脱バインダ処理後のペレットをＢＺＹと炭酸バリウムとの混合粉末［ＢＺＹ：ＢａＣＯ３＝１００：１（質量比）］に載置すること以外、上記符号□の場合と同様の方法で熱処理を行う。
符号〇および符号●：脱バインダ処理後のペレットをそのまま露出した状態にすること以外、上記符号□の場合と同様の方法で熱処理を行う。
図６において、Ｙ濃度が１０原子％の場合、化学量論組成のＢＺＹ２０（ＢａＺｒ０．８Ｙ０．２Ｏ３－δ）が調製されているとみなす。
符号□および符号■：水素極用粉末を、３９２ＭＰａで一軸成形して、円盤状のペレット（直径１１ｍｍ）を得た後、これを大気中、１０００℃で、１０時間の熱処理を行った。得られた円盤状のペレットの一方の主面に、上記固体電解質用ペーストをスピンコートにより塗布して、塗膜を形成した。塗膜が形成されたペレットを、６００℃で１時間程度加熱することにより脱バインダ処理を行った。これをＢＺＹと炭酸バリウムとの混合粉末［ＢＺＹ：ＢａＣＯ３＝１００：１（質量比）］に埋めて、酸素雰囲気中、１６００℃で、１０時間の熱処理を行う。
符号△および符号▲：脱バインダ処理後のペレットをＢＺＹと炭酸バリウムとの混合粉末［ＢＺＹ：ＢａＣＯ３＝１００：１（質量比）］に載置すること以外、上記符号□の場合と同様の方法で熱処理を行う。
符号〇および符号●：脱バインダ処理後のペレットをそのまま露出した状態にすること以外、上記符号□の場合と同様の方法で熱処理を行う。
図６において、Ｙ濃度が１０原子％の場合、化学量論組成のＢＺＹ２０（ＢａＺｒ０．８Ｙ０．２Ｏ３－δ）が調製されているとみなす。
【0097】
図６より、固体電解質層中のＹ濃度が増加するに伴い、ＹとＮｉとを含む副生成物（例えば、ＢａＹ２ＮｉＯ５）が生成されやすくなるため、ＲＮｉが増加する傾向があることがわかる。ただし、水素極－固体電解質層複合体Ａと水素極－固体電解質層複合体Ｂとを比較すると、ＲＮｉが同じ場合では、複合体ＡのＹ濃度は複合体Ｂのほぼ倍である。この結果は、複合体Ａの固体電解質層では、複合体ＢのそれよりもＮｉの拡散が進行しにくいことを示している。
【符号の説明】
【0098】
１：セル構造体
２：酸素極
３：水素極
４：固体電解質層
５：電解質層－電極接合体
２：酸素極
３：水素極
４：固体電解質層
５：電解質層－電極接合体
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
