JP2024137341A - Fuel electrode for solid oxide water electrolysis cell and solid oxide water electrolysis cell - Google Patents
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Abstract
【課題】高温の水蒸気に曝されても電極構造の変化が少ない固体酸化物形水電解セル用燃料極、及び、これを備えた固体酸化物形水電解セルを提供すること。
【解決手段】固体酸化物形水電解セル用燃料極は、Ni系粒子と、固体酸化物電解質Aからなる電解質粒子とを備えている。前記電解質粒子は、YがドープされたZrO2(YSZ)とGdがドープされたCeO2(GDC)との固溶体、又は、混合物からなる。固体酸化物形水電解セルは、燃料極として、このような固体酸化物形水電解セル用燃料極を用いたものからなる。
【選択図】図4
The present invention provides a fuel electrode for a solid oxide water electrolysis cell, which undergoes little change in electrode structure even when exposed to high-temperature water vapor, and a solid oxide water electrolysis cell including the same.
[Solution] The fuel electrode for a solid oxide water electrolysis cell includes Ni-based particles and electrolyte particles made of solid oxide electrolyte A. The electrolyte particles are made of a solid solution or mixture of Y-doped ZrO2 (YSZ) and Gd-doped CeO2 (GDC). The solid oxide water electrolysis cell uses such a fuel electrode for a solid oxide water electrolysis cell as the fuel electrode.
[Selected figure] Figure 4
Description
本発明は、固体酸化物形水電解セル用燃料極及び固体酸化物形水電解セルに関し、さらに詳しくは、固体酸化物電解質として、YがドープされたZrO2(YSZ)と、GdがドープされたCeO2(GDC)との固溶体又は混合物を含む固体酸化物形水電解セル用燃料極、及び、これを備えた固体酸化物形水電解セルに関する。 The present invention relates to a fuel electrode for a solid oxide water electrolysis cell and a solid oxide water electrolysis cell, and more specifically, to a fuel electrode for a solid oxide water electrolysis cell that contains a solid solution or mixture of Y-doped ZrO 2 (YSZ) and Gd-doped CeO 2 (GDC) as a solid oxide electrolyte, and a solid oxide water electrolysis cell equipped with the same.
固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、電解質として酸化物イオン伝導体を用いた燃料電池である。SOFCのアノード(燃料極)に、H2、CO、CH4などの燃料ガスを供給し、カソード(酸素極)にO2を供給すると、電極反応が進行し、電力を取り出すことができる。電極反応により生成したCO2やH2Oは、SOFC外に排出される。
一方、固体酸化物形水電解セル(以下、これを「SOEC」ともいう)は、SOFCと構造は同じであるが、SOFCとは逆の反応を起こさせるものである。すなわち、SOECのカソード(燃料極)にH2Oを供給し、電極間に電流を流すと、H2を生成させることができる。
A solid oxide fuel cell (SOFC) is a fuel cell that uses an oxide ion conductor as an electrolyte. When fuel gas such as H2 , CO, or CH4 is supplied to the anode (fuel electrode) of the SOFC and O2 is supplied to the cathode (oxygen electrode), an electrode reaction proceeds and electricity can be obtained. CO2 and H2O produced by the electrode reaction are discharged outside the SOFC.
On the other hand, solid oxide water electrolysis cells (SOECs) have the same structure as SOFCs, but they cause the opposite reaction to that of SOFCs: when H2O is supplied to the cathode (fuel electrode) of an SOEC and a current is passed between the electrodes, H2 can be produced.
SOECは、電解質の一方の面にアノード(空気極)が接合され、他方の面にカソード(燃料極)が接合された単セルを備えている。このようなSOECを構成する部材の材料として、一般的には、以下のような材料が用いられている(非特許文献1~6参照)。
(a)電解質: イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、スカンジア安定化ジルコニア(SSZ)、サマリアドープトセリア(SDC)、ランタンストロンチウムガリウムマグネシウム酸化物(LSGM)など。
(b)空気極: ランタンストロンチウムマンガナイト(LSM)、ランタンストロンチウムコバルトフェライト(LSCF)、ランタンストロンチウムコバルタイト(LSC)など。
(c)燃料極: Ni/YSZ、Ni/SDC、Ni-Fe/SDCなど。
The SOEC is equipped with a single cell in which an anode (air electrode) is bonded to one side of an electrolyte, and a cathode (fuel electrode) is bonded to the other side. The following materials are generally used as materials for the components that constitute such an SOEC (see Non-Patent Documents 1 to 6).
(a) Electrolyte: Yttria stabilized zirconia (YSZ), Scandia stabilized zirconia (SSZ), Samaria doped ceria (SDC), Lanthanum Strontium Gallium Magnesium Oxide (LSGM), etc.
(b) Air electrode: lanthanum strontium manganite (LSM), lanthanum strontium cobalt ferrite (LSCF), lanthanum strontium cobaltite (LSC), etc.
(c) Fuel electrode: Ni/YSZ, Ni/SDC, Ni-Fe/SDC, etc.
また、特許文献1には、
電子伝導性酸化物粒子(例えば、La0.1Sr0.9TiO3(LST))と、イオン伝導性酸化物粒子(例えば、Gd0.1Ce0.9O2(GDC))とを焼結させることにより得られる電極骨格と、
電極骨格の表面に担持された複合電極触媒(例えば、Ni-GDCサーメット)と
を備えた燃料極が開示されている。
In addition, Patent Document 1 states:
an electrode skeleton obtained by sintering electronically conductive oxide particles ( e.g., La0.1Sr0.9TiO3 (LST)) and ionically conductive oxide particles (e.g., Gd0.1Ce0.9O2 ( GDC )) ;
A fuel electrode is disclosed that includes a composite electrode catalyst (eg, Ni-GDC cermet) supported on the surface of an electrode framework.
同文献には、
(A)Ni等の金属と、イオン伝導性酸化物との焼結体からなる従来の燃料極において、金属の酸化による体積膨張と、金属酸化物の還元による体積収縮が繰り返されると、燃料極の骨格が破壊されやすい点、及び、
(B)燃料極の電極骨格を酸化物のみによって構成すると、体積変化がほとんど起こらないために、燃料極の骨格の破壊が回避される点
が記載されている。
The same document states:
(A) In a conventional fuel electrode made of a sintered body of a metal such as Ni and an ion-conductive oxide, when volume expansion due to oxidation of the metal and volume contraction due to reduction of the metal oxide are repeated, the framework of the fuel electrode is easily destroyed; and
(B) It is described that when the electrode skeleton of the fuel electrode is made only of oxide, almost no volume change occurs, so that destruction of the skeleton of the fuel electrode can be avoided.
特許文献2には、燃料極本体と固体電解質膜との間に、NiとYSZとのサーメットからなる活性層が設けられた電気化学セル用基板が開示されている。
同文献には、
(a)活性層の厚さを3μm以上15μm以下とし、
(b)活性層に含まれるNi粒子の平均粒径(dm)及びYSZ粒子の平均粒径(ds)を、それぞれ、0.5μm以上1.0μm以下とし、
(c)dm/dsを0.8~1.2とする
と、燃料極と固体電解質膜との密着性が向上し、固体電解質膜の剥離やクラックが抑制される点が記載されている。
The same document states:
(a) the thickness of the active layer is set to 3 μm or more and 15 μm or less;
(b) the average particle size (d) of the Ni particles and the average particle size (d) of the YSZ particles contained in the active layer are each set to 0.5 μm or more and 1.0 μm or less;
(c) It is described that when dm/ds is set to 0.8 to 1.2, the adhesion between the fuel electrode and the solid electrolyte membrane is improved, and peeling and cracking of the solid electrolyte membrane are suppressed.
SOECの燃料極には、一般に、Ni/YSZサーメットが用いられる。しかし、燃料極には、水素製造の原料となる水蒸気が高温下(700℃以上)で供給される。そのため、燃料極に含まれるNiが容易に酸化され、電極構造が変化する。その結果、電解特性が低下する。 Ni/YSZ cermet is generally used for the fuel electrode of SOEC. However, water vapor, which is the raw material for hydrogen production, is supplied to the fuel electrode at high temperatures (700°C or higher). As a result, the Ni contained in the fuel electrode is easily oxidized, causing a change in the electrode structure. As a result, the electrolytic characteristics are degraded.
本発明が解決しようとする課題は、高温の水蒸気に曝されても電極構造の変化が少ない固体酸化物形水電解セル用燃料極を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、このような固体酸化物形水電解セル用燃料極を備えた固体酸化物形水電解セルを提供することにある。
An object of the present invention is to provide a fuel electrode for a solid oxide water electrolysis cell which exhibits little change in electrode structure even when exposed to high-temperature water vapor.
Another object of the present invention is to provide a solid oxide water electrolysis cell including such a solid oxide water electrolysis cell fuel electrode.
上記課題を解決するために本発明に係る固体酸化物形水電解セル用燃料極は、
Ni系粒子と、
固体酸化物電解質Aからなる電解質粒子と
を備え、
前記電解質粒子は、YがドープされたZrO2(YSZ)とGdがドープされたCeO2(GDC)との固溶体、又は、混合物からなる。
In order to solve the above problems, the present invention provides a fuel electrode for a solid oxide water electrolysis cell, comprising:
Ni-based particles;
and electrolyte particles made of a solid oxide electrolyte A.
The electrolyte particles consist of a solid solution or mixture of Y-doped ZrO 2 (YSZ) and Gd-doped CeO 2 (GDC).
本発明に係る固体酸化物形水電解セルは、
固体酸化物電解質Cからなる電解質層と、
前記電解質層の一方の面に形成された燃料極と、
前記電解質層の他方の面に形成された空気極と、
前記電解質層と前記空気極との界面に挿入された反応防止層と
を備え、
前記燃料極は、本発明に係る固体酸化物形水電解セル用燃料極からなる。
The solid oxide water electrolysis cell according to the present invention comprises:
an electrolyte layer made of a solid oxide electrolyte C;
a fuel electrode formed on one surface of the electrolyte layer;
an air electrode formed on the other surface of the electrolyte layer;
a reaction prevention layer inserted at the interface between the electrolyte layer and the air electrode;
The fuel electrode comprises the solid oxide water electrolysis cell fuel electrode according to the present invention.
Ni系粒子と電解質粒子とを含むサーメットを固体酸化物形水電解セルの燃料極に用いる場合において、電解質粒子として、YSZとGDCの固溶体又は混合物を用いると、Niの酸化に起因する電極構造の変化が抑制される。これは、酸素吸蔵能を持つGDC成分がNi系粒子の酸化を抑制するためと考えられる。 When a cermet containing Ni-based particles and electrolyte particles is used in the fuel electrode of a solid oxide water electrolysis cell, if a solid solution or mixture of YSZ and GDC is used as the electrolyte particles, changes in the electrode structure caused by the oxidation of Ni are suppressed. This is thought to be because the GDC component, which has oxygen storage capacity, suppresses the oxidation of the Ni-based particles.
さらに、電解質粒子に含まれるGDC成分は、酸化物イオン伝導性に加えて、電子伝導性を持つ。そのため、GDC成分を含む燃料極は、GDC成分を含まない従来の燃料極に比べて電極反応点の数及び/又は面積を拡張させることができる。その結果、本発明に係る燃料極の反応抵抗(Rct2)増加速度は、従来の燃料極のそれより低くなり、高い耐久性を示す。 Furthermore, the GDC component contained in the electrolyte particles has electronic conductivity in addition to oxide ion conductivity. Therefore, a fuel electrode containing a GDC component can expand the number and/or area of electrode reaction points compared to a conventional fuel electrode that does not contain a GDC component. As a result, the reaction resistance (Rct2) increase rate of the fuel electrode of the present invention is lower than that of a conventional fuel electrode, and the fuel electrode exhibits high durability.
[構成1]
Ni系粒子と、
固体酸化物電解質Aからなる電解質粒子と
を備え、
前記電解質粒子は、YがドープされたZrO2(YSZ)とGdがドープされたCeO2(GDC)との固溶体、又は、混合物からなる
固体酸化物形水電解セル用燃料極。
[Configuration 1]
Ni-based particles;
and electrolyte particles made of a solid oxide electrolyte A.
The electrolyte particles are a solid solution or a mixture of Y-doped ZrO 2 (YSZ) and Gd-doped CeO 2 (GDC), and the electrolyte particles are a fuel electrode for a solid oxide water electrolysis cell.
[構成2]
前記電解質粒子は、次の式(1)で表される平均組成を有する構成1に記載の固体酸化物形水電解セル用燃料極。
{YyZr1-yO2-δ'}1-z{GdxCe1-xO2-δ}z (1)
但し、
0<x≦0.30、0<y≦0.30、0<z<1.0、
δ、δ'は、それぞれ、電気的中性が保たれる値。
[Configuration 2]
2. The fuel electrode for a solid oxide water electrolysis cell according to claim 1, wherein the electrolyte particles have an average composition represented by the following formula (1):
{Y y Zr 1-y O 2-δ' } 1-z {Gd x Ce 1-x O 2-δ } z (1)
however,
0<x≦0.30, 0<y≦0.30, 0<z<1.0,
δ and δ' are the values at which electrical neutrality is maintained.
[構成3]
厚さが15μm以上200μm以下である構成1又は2に記載の固体酸化物形水電解セル用燃料極。
[Configuration 3]
3. The fuel electrode for a solid oxide water electrolysis cell according to
[構成4]
気孔率が15%以上40%以下である構成1から3までのいずれか1つに記載の固体酸化物形水電解セル用燃料極。
[Configuration 4]
4. A fuel electrode for a solid oxide water electrolysis cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the porosity is 15% or more and 40% or less.
[構成5]
前記Ni系粒子の含有量が30.0mass%以上70.0mass%以下である構成1から4までのいずれか1つに記載の固体酸化物形水電解セル用燃料極。
[Configuration 5]
5. The fuel electrode for a solid oxide water electrolysis cell according to any one of configurations 1 to 4, wherein the content of the Ni-based particles is 30.0 mass % or more and 70.0 mass % or less.
[構成6]
固体酸化物電解質Cからなる電解質層と、
前記電解質層の一方の面に形成された燃料極と、
前記電解質層の他方の面に形成された空気極と、
前記電解質層と前記空気極との界面に挿入された反応防止層と
を備え、
前記燃料極は、構成1から5までのいずれか1つに記載の固体酸化物形水電解セル用燃料極からなる固体酸化物形水電解セル。
[Configuration 6]
an electrolyte layer made of a solid oxide electrolyte C;
a fuel electrode formed on one surface of the electrolyte layer;
an air electrode formed on the other surface of the electrolyte layer;
a reaction prevention layer inserted at the interface between the electrolyte layer and the air electrode;
6. A solid oxide water electrolysis cell, wherein the fuel electrode is the solid oxide water electrolysis cell fuel electrode according to any one of configurations 1 to 5.
[構成7]
前記空気極の表面に形成された空気極側集電層、及び/又は、
前記燃料極の表面に形成された燃料極側集電層
をさらに備えている構成6に記載の固体酸化物形水電解セル。
[Configuration 7]
An air electrode-side current collecting layer formed on the surface of the air electrode, and/or
7. The solid oxide water electrolysis cell according to configuration 6, further comprising an anode-side current collecting layer formed on a surface of the anode.
以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 固体酸化物形水電解セル用燃料極]
本発明に係る固体酸化物形水電解セル用燃料極(以下、単に「燃料極」ともいう)は、
Ni系粒子と、
固体酸化物電解質Aからなる電解質粒子と
を備えている。
An embodiment of the present invention will be described in detail below.
[1. Fuel electrode for solid oxide water electrolysis cell]
The fuel electrode for a solid oxide water electrolysis cell according to the present invention (hereinafter, simply referred to as "fuel electrode") comprises:
Ni-based particles;
and electrolyte particles made of a solid oxide electrolyte A.
[1.1. Ni系粒子]
「Ni系粒子」とは、粒子に含まれる金属元素の総質量に対するNiの質量の割合が90mass%以上である金属粒子をいう。Ni系粒子に含まれるNiの質量割合は、好ましくは、95mass%以上である。
Ni系粒子は、燃料極中において、電極触媒及び電子伝導体としての機能を有する。Ni系粒子の組成は、このような機能を奏する限りにおいて特に限定されない。
Ni系粒子としては、例えば、Ni、Ni-Fe合金、Ni-Co合金などがある。これらの中でも、Ni系粒子は、Ni又はNi-Fe合金が好ましい。
[1.1. Ni-based particles]
The term "Ni-based particles" refers to metal particles in which the ratio of the mass of Ni to the total mass of metal elements contained in the particles is 90 mass% or more. The mass ratio of Ni contained in the Ni-based particles is preferably 95 mass% or more. % or more.
The Ni-based particles function as an electrode catalyst and an electron conductor in the fuel electrode. The composition of the Ni-based particles is not particularly limited as long as they exhibit such functions.
Examples of Ni-based particles include Ni, Ni-Fe alloys, Ni-Co alloys, etc. Among these, the Ni-based particles are preferably Ni or Ni-Fe alloys.
[1.2. 電解質粒子]
[1.2.1. 定義]
本発明において、「電解質粒子」とは、YがドープされたZrO2(YSZ)とGdがドープされたCeO2(GDC)との固溶体、又は、混合物からなる粒子をいう。
[1.2. Electrolyte particles]
[1.2.1. Definition]
In the present invention, the term "electrolyte particles" refers to particles made of a solid solution or a mixture of Y-doped ZrO 2 (YSZ) and Gd-doped CeO 2 (GDC).
燃料極を作製する場合、電解質粒子の原料として、
(a)目的とする平均組成を有する電解質粒子と同一の組成を有する粉末、
(b)目的とする平均組成を有する電解質粒子を生成させることが可能なYSZ粉末とGDC粉末の混合物
などが用いられる。
後者の場合、
(b1)組成が均一な電解質粒子が得られる場合と、
(b2)YSZとGDCとの混合物からなる電解質粒子が得られる場合と
がある。
When making an anode, the raw material for the electrolyte particles is:
(a) a powder having the same composition as the electrolyte particles having a desired average composition;
(b) A mixture of YSZ powder and GDC powder that can produce electrolyte particles having the desired average composition is used.
In the latter case,
(b1) Electrolyte particles having a uniform composition are obtained,
(b2) Electrolyte particles consisting of a mixture of YSZ and GDC may be obtained.
電解質粒子がYSZとGDCとの混合物からなる場合、電解質粒子を構成するYSZ及びGDCは、それぞれ、固相拡散により、原料に用いたYSZ粉末及びGDC粉末とは組成が異なる場合がある。
燃料極に含まれる電解質粒子の履歴は、特に限定されるものではなく、いずれの方法を用いて製造されたものでも良い。
When the electrolyte particles are made of a mixture of YSZ and GDC, the YSZ and GDC constituting the electrolyte particles may have compositions different from the YSZ powder and GDC powder used as the raw materials due to solid-phase diffusion.
The history of the electrolyte particles contained in the fuel electrode is not particularly limited, and they may be produced by any method.
[1.2.2. 酸素吸蔵・放出能]
電解質粒子に含まれるGDC成分は、燃料極中において、酸化物イオン伝導体としての機能と、電子伝導体としての機能と、Ni系粒子に含まれるNiの酸化を抑制する機能とを有する。
[1.2.2. Oxygen storage and release capacity]
The GDC component contained in the electrolyte particles has a function as an oxide ion conductor, a function as an electron conductor, and a function of suppressing the oxidation of Ni contained in the Ni-based particles in the fuel electrode.
CeO2にドープされたGdは、主として、CeO2に高いイオン伝導性を付与する作用と、CeO2が本来持つ酸素吸蔵・放出能をさらに向上させる作用とがある。さらに、CeO2そのものは、電子伝導体としても機能する。
そのため、Ni系粒子を含む燃料極にGDC成分を含む電解質粒子を添加すると、高い電極活性を維持したまま、Ni系粒子に含まれるNiの酸化が格段に抑制される。Ni系粒子がNi以外の金属元素を含む場合であっても、少なくともNiの酸化を抑制することができれば、電極内に三相界面(TPB)を確保することができる。また、Ni系粒子の一部が酸化した場合であっても、電解質粒子を介して電子が伝導する。
Gd doped in CeO2 mainly has the function of imparting high ionic conductivity to CeO2 and further improving the inherent oxygen storage and release capacity of CeO2 . Furthermore, CeO2 itself also functions as an electronic conductor.
Therefore, when electrolyte particles containing GDC components are added to a fuel electrode containing Ni-based particles, the oxidation of Ni contained in the Ni-based particles is significantly suppressed while maintaining high electrode activity. Even if the Ni-based particles contain metal elements other than Ni, if the oxidation of Ni can be suppressed at least, a three-phase boundary (TPB) can be secured in the electrode. Furthermore, even if a part of the Ni-based particles is oxidized, electrons are conducted through the electrolyte particles.
次の式(a)に、CeO2の酸素吸蔵・放出反応の反応式を示す。式(a)中、右側に進む反応は酸化反応を表し、左側に進む反応は還元反応を表す。
CeO2-x+(x/2)O2 ⇔ CeO2 …(a)
The following formula (a) shows the reaction of oxygen storage and release reaction of CeO2 . In formula (a), the reaction proceeding to the right side represents an oxidation reaction, and the reaction proceeding to the left side represents a reduction reaction.
CeO 2-x +(x/2)O 2 ⇔ CeO 2 …(a)
Ceイオンは、周囲の雰囲気中の酸素分圧に応じて、可逆的に3価の状態(還元状態)と、4価の状態(酸化状態)とを取ることができる。そのため、CeO2が酸化雰囲気に曝される時には、CeO2は雰囲気中にある酸素イオンを結晶格子内に取り込む。一方、CeO2が還元雰囲気に曝される時には、CeO2は結晶格子内にある酸素イオンを雰囲気中に放出する。この点は、GDC、及び、GDC成分を含む電解質粒子も同様である。 Ce ions can reversibly take a trivalent state (reduced state) or a tetravalent state (oxidized state) depending on the oxygen partial pressure in the surrounding atmosphere. Therefore, when CeO2 is exposed to an oxidizing atmosphere, CeO2 takes in oxygen ions in the atmosphere into its crystal lattice. On the other hand, when CeO2 is exposed to a reducing atmosphere, CeO2 releases oxygen ions in the crystal lattice into the atmosphere. This is also true for GDC and electrolyte particles containing a GDC component.
[1.2.3. 組成]
電解質粒子は、次の式(1)で表される平均組成を有するものが好ましい。
{YyZr1-yO2-δ'}1-z{GdxCe1-xO2-δ}z (1)
但し、
0<x≦0.30、0<y≦0.30、0<z<1.0、
δ、δ'は、それぞれ、電気的中性が保たれる値。
[1.2.3. composition]
The electrolyte particles preferably have an average composition represented by the following formula (1).
{Y y Zr 1-y O 2-δ' } 1-z {Gd x Ce 1-x O 2-δ } z (1)
however,
0<x≦0.30, 0<y≦0.30, 0<z<1.0,
δ and δ' are the values at which electrical neutrality is maintained.
[A. x]
式(1)中、xは、電解質粒子に含まれるGd及びCeの総モル数に対するGdのモル数の比を表す。xが小さくなりすぎると、電解質粒子の酸素吸蔵能が低下する場合がある。従って、xは、0超である必要がある。xは、好ましくは、0.05以上である。
一方、xが過剰になると、かえって電解質粒子の酸素吸蔵能が低下する場合がある。従って、xは、0.30以下が好ましい。xは、さらに好ましくは、0.25以下である。
[A.x]
In formula (1), x represents the ratio of the number of moles of Gd to the total number of moles of Gd and Ce contained in the electrolyte particle. If x is too small, the oxygen storage capacity of the electrolyte particle may decrease. Therefore, x must be greater than 0. x is preferably 0.05 or more.
On the other hand, if x is excessive, the oxygen storage capacity of the electrolyte particles may be decreased. Therefore, x is preferably 0.30 or less, and more preferably 0.25 or less.
[B. y]
式(1)中、yは、電解質粒子に含まれるY及びZrの総モル数に対するYのモル数の比を表す。Yは、ZrO2のイオン伝導度を向上させる作用、及び、ZrO2の高温相(正方晶、立方晶)を室温において安定化させる作用がある。このような効果を得るためには、yは、0超である必要がある。yは、好ましくは、0.05以上である。
[B.y]
In formula (1), y represents the ratio of the number of moles of Y to the total number of moles of Y and Zr contained in the electrolyte particles. Y has the effect of improving the ionic conductivity of ZrO2 and stabilizing the high-temperature phase (tetragonal, cubic) of ZrO2 at room temperature. In order to obtain such an effect, y must be greater than 0. y is preferably 0.05 or more.
一方、本発明において、電解質粒子のイオン伝導度は主としてYのドープ量(y)により制御される。この場合、電解質粒子に含まれるYSZ成分の組成が8mol%Y2O3-ZrO2(8YSZ)組成の近傍にあるときにイオン伝導度が最も高くなる。そのため、yが過剰になると、かえってイオン伝導度が低下する。従って、yは、0.3以下が好ましい。yは、さらに好ましくは、0.25以下である。 On the other hand, in the present invention, the ionic conductivity of the electrolyte particles is controlled mainly by the doping amount of Y (y). In this case, the ionic conductivity is highest when the composition of the YSZ component contained in the electrolyte particles is in the vicinity of the 8 mol % Y 2 O 3 -ZrO 2 (8YSZ) composition. Therefore, if y becomes excessive, the ionic conductivity decreases. Therefore, y is preferably 0.3 or less. y is more preferably 0.25 or less.
[C. z]
zは、電解質粒子に含まれるYSZ成分及びGDC成分の総モル数に対するGDC成分のモル数の比を表す。一般に、zが大きくなるほど、燃料極の耐久性が向上する。このような効果を得るためには、zは、0超である必要がある。zは、好ましくは、0.5以上、0.6以上、あるいは、0.7以上である。
一方、zが過剰になると、還元膨張により機械強度が担保できなくなるおそれがある。従って、zは、1.0未満である必要がある。zは、好ましくは、0.95以下である。
[C.z]
z represents the ratio of the number of moles of the GDC component to the total number of moles of the YSZ component and the GDC component contained in the electrolyte particle. In general, the larger z is, the more durable the fuel electrode is. To obtain such an effect, z must be greater than 0. z is preferably 0.5 or more, 0.6 or more, or 0.7 or more.
On the other hand, if z is excessive, there is a risk that the mechanical strength cannot be ensured due to reduction expansion. Therefore, z must be less than 1.0. z is preferably 0.95 or less.
[1.3. 燃料極の組成]
「Ni系粒子の含有量」とは、燃料極に含まれる電解質粒子及びNi系粒子の総質量に対するNi系粒子の質量の割合をいう。
[1.3. Composition of the fuel electrode]
The "content of Ni-based particles" refers to the ratio of the mass of Ni-based particles to the total mass of the electrolyte particles and Ni-based particles contained in the fuel electrode.
Ni系粒子の含有量が少なくなりすぎると、セル全抵抗が高くなり、電極反応の効率も低下する。従って、Ni系粒子の含有量は、30mass%以上が好ましい。含有量は、さらに好ましくは、40mass%以上である。
一方、Ni系粒子の含有量が過剰になると、電解質粒子の含有量が少なくなり、Ni系粒子に含まれるNiの酸化を十分に抑制できなくなる。従って、Ni系粒子の含有量は、70mass%以下が好ましい。
If the content of the Ni-based particles is too small, the total cell resistance increases and the efficiency of the electrode reaction decreases. Therefore, the content of the Ni-based particles is preferably 30 mass% or more. The content is more preferably 40 mass% or more.
On the other hand, if the content of the Ni-based particles is excessive, the content of the electrolyte particles becomes small, and the oxidation of Ni contained in the Ni-based particles cannot be sufficiently suppressed. Therefore, the content of the Ni-based particles is preferably 70 mass% or less.
[1.4. 気孔率]
燃料極の気孔率は、電解特性に影響を与える。燃料極の気孔率が小さすぎると、ガスの拡散性が低下し、電極反応の効率が低下する。従って、燃料極の気孔率は、15%以上が好ましい。気孔率は、さらに好ましくは、20%以上、あるいは、25%以上である。
一方、燃料極の気孔率が大きくなりすぎると、三相界面が相対的に少なくなり、かえって電極反応の効率が低下する。従って、燃料極の気孔率は、40%以下が好ましい。気孔率は、さらに好ましくは、35%以下、あるいは、30%以下である。
[1.4. Porosity]
The porosity of the fuel electrode affects the electrolysis characteristics. If the porosity of the fuel electrode is too small, the gas diffusion decreases, and the efficiency of the electrode reaction decreases. Therefore, the porosity of the fuel electrode is preferably 15% or more. The porosity is more preferably 20% or more, or 25% or more.
On the other hand, if the porosity of the fuel electrode is too large, the number of three-phase interfaces becomes relatively small, and the efficiency of the electrode reaction decreases. Therefore, the porosity of the fuel electrode is preferably 40% or less. The porosity is more preferably 35% or less, or 30% or less.
[1.5. 厚さ]
燃料極の厚さは、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な厚さを選択することができる。燃料極の厚さが薄くなりすぎると、電極触媒として機能するNi系粒子の総量が少なくなり、電極反応の効率が低下する場合がある。従って、燃料極の厚さは、15μm以上が好ましい。厚さは、さらに好ましくは、25μm以上、30μm以上、40μm以上、あるいは、50μm以上である。
一方、燃料極の厚さを必要以上に厚くしても、効果に差がなく、実益がない。従って、燃料極の厚さは、200μm以下が好ましい。厚さは、さらに好ましくは、180μm以下、160μm以下、あるいは、140μm以下である。
1.5. Thickness
The thickness of the fuel electrode is not particularly limited, and an optimal thickness can be selected according to the purpose. If the thickness of the fuel electrode is too thin, the total amount of Ni-based particles that function as an electrode catalyst decreases, and the efficiency of the electrode reaction may decrease. Therefore, the thickness of the fuel electrode is preferably 15 μm or more. The thickness is more preferably 25 μm or more, 30 μm or more, 40 μm or more, or 50 μm or more.
On the other hand, even if the thickness of the fuel electrode is made thicker than necessary, there is no difference in the effect and no practical benefit. Therefore, the thickness of the fuel electrode is preferably 200 μm or less. The thickness is more preferably 180 μm or less, 160 μm or less, or 140 μm or less.
[1.6. 特性: 反応抵抗(Rct2)増加速度]
「反応抵抗(Rct2)増加速度(%/h)」とは、次の式(2)で表される値をいう。
反応抵抗(Rct2)増加速度={R2×100/R1-100}÷100 (2)
但し、
R1は、製造直後の固体酸化物形水電解セル用燃料極の電気化学反応抵抗、
R2は、耐久試験後の固体酸化物形水電解セル用燃料極の電気化学反応抵抗、
「電気化学反応抵抗(Rct2)」とは、固体酸化物形水電解セルに対して参照極を用いて燃料極のインピーダンス測定を行うことにより得られる、燃料極内の3相界面における反応抵抗であって、電極反応に寄与する円弧(第2円弧)の直径、
「耐久試験」とは、表1に示す条件下で100hの水蒸気電解を行う試験。
[1.6. Characteristics: Reaction Resistance (Rct2) Increase Rate]
"Reaction resistance (Rct2) increase rate (%/h)" refers to the value expressed by the following formula (2).
Reaction resistance (Rct2) increase rate = { R2 x 100/R1 - 100} ÷ 100 (2)
however,
R1 is the electrochemical reaction resistance of the solid oxide water electrolysis cell fuel electrode immediately after production,
R2 is the electrochemical reaction resistance of the solid oxide water electrolysis cell fuel electrode after the durability test.
"Electrochemical reaction resistance (Rct2)" refers to the reaction resistance at the three-phase interface in the fuel electrode, which is obtained by measuring the impedance of the fuel electrode using a reference electrode for a solid oxide water electrolysis cell, and is the diameter of the arc (second arc) that contributes to the electrode reaction,
The "durability test" refers to a test in which steam electrolysis is performed for 100 hours under the conditions shown in Table 1.
従来の燃料極は耐酸化性が低いため、反応抵抗(Rct2)増加速度は20%/hを超える。これに対し、本発明に係る燃料極は耐酸化性が高いため、反応抵抗(Rct)増加速度は従来の燃料極のそれより低くなる。製造条件をさらに最適化すると、反応抵抗(Rct2)増加速度は、15%/h以下、10%/h以下、あるいは、5%/h以下となる。 Conventional fuel electrodes have low oxidation resistance, so the reaction resistance (Rct2) increases at a rate exceeding 20%/h. In contrast, the fuel electrode of the present invention has high oxidation resistance, so the reaction resistance (Rct) increases at a rate lower than that of conventional fuel electrodes. By further optimizing the manufacturing conditions, the reaction resistance (Rct2) increases at a rate of 15%/h or less, 10%/h or less, or 5%/h or less.
[1.7. 用途]
本発明に係る固体酸化物形水電解用セル燃料極は、水電解セルの燃料極として好適であるが、固体酸化物形燃料電池の燃料極としても用いることもできる。
1.7. Uses
The solid oxide water electrolysis cell fuel electrode according to the present invention is suitable as a fuel electrode for a water electrolysis cell, but can also be used as a fuel electrode for a solid oxide fuel cell.
[2. 固体酸化物形水電解セル用燃料極の製造方法]
本発明に係る固体酸化物形水電解セル用燃料極は、
(a)Ni系粒子の原料、及び、電解質粒子の原料を含む原料混合物を用いて成形体を作製し、
(b)得られた成形体を焼結し、
(c)得られた焼結体を還元処理する
ことにより製造することができる。
[2. Method for manufacturing fuel electrode for solid oxide water electrolysis cell]
The fuel electrode for a solid oxide water electrolysis cell according to the present invention comprises:
(a) preparing a compact using a raw material mixture containing raw materials for Ni-based particles and raw materials for electrolyte particles;
(b) sintering the obtained compact;
(c) The resulting sintered body is subjected to a reduction treatment to produce the desired product.
[2.1. 成形体形成工程]
まず、Ni系粒子の原料、及び、電解質粒子の原料を含む原料混合物を用いて成形体を作製する。
[2.1. Molded object forming process]
First, a compact is produced using a raw material mixture containing raw materials for the Ni-based particles and raw materials for the electrolyte particles.
「Ni系粒子の原料」とは、焼結及び還元後にNi系粒子となる原料をいう。本発明において、Ni系粒子の原料の種類は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な原料を選択することができる。Ni系粒子の原料としては、例えば、NiO粉末、Fe2O3粉末、Fe3O4粉末、金属FeとNiO又は金属Niとの混合物、CoO粉末、Co2O3粉末などがある。 "Raw material for Ni-based particles" refers to a raw material that becomes Ni-based particles after sintering and reduction. In the present invention, the type of raw material for Ni-based particles is not particularly limited, and the most suitable raw material can be selected according to the purpose. Examples of raw materials for Ni-based particles include NiO powder, Fe2O3 powder, Fe3O4 powder , a mixture of metal Fe and NiO or metal Ni, CoO powder, and Co2O3 powder .
「電解質粒子の原料」とは、焼結後に電解質粒子となる原料をいう。電解質粒子の原料の種類は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な原料を選択することができる。電解質粒子の原料としては、例えば、
(a)目的とする組成を有する電解質粉末、
(b)目的とする組成となるように配合されたYSZ粉末とGDC粉末との混合物、
(c)目的とする組成となるように配合された、Yを含む塩と、Zrを含む塩と、Gdを含む塩と、Ceを含む塩(例えば、硝酸塩)との混合物、
などがある。
The term "raw material for electrolyte particles" refers to a raw material that will become electrolyte particles after sintering. The type of raw material for electrolyte particles is not particularly limited, and an optimal raw material can be selected depending on the purpose. Examples of raw materials for electrolyte particles include:
(a) an electrolyte powder having a desired composition;
(b) a mixture of YSZ and GDC powders blended to provide a desired composition;
(c) a mixture of a Y-containing salt, a Zr-containing salt, a Gd-containing salt, and a Ce-containing salt (e.g., nitrates) formulated to provide a desired composition;
etc.
原料混合物中には、造孔材(例えば、カーボン粉末)が含まれていても良い。原料混合物中に添加されたNi系粒子の原料に含まれる金属酸化物(例えば、NiO粉末)は、焼結体作製後に還元処理される。その際、体積収縮が起こり、焼結体内に気孔が導入される。そのため、造孔材は、必ずしも必要ではない。しかし、原料混合物中に造孔材を添加すると、気孔率の制御の自由度が増大する。
さらに、各原料は、焼結及び還元後に目的とする組成を有する燃料極が得られるように配合するのが好ましい。
The raw material mixture may contain a pore-forming material (e.g., carbon powder). Metal oxides (e.g., NiO powder) contained in the raw material of the Ni-based particles added to the raw material mixture are reduced after the sintered body is produced. At that time, volume shrinkage occurs, and pores are introduced into the sintered body. Therefore, the pore-forming material is not necessarily required. However, adding a pore-forming material to the raw material mixture increases the degree of freedom in controlling the porosity.
Furthermore, the raw materials are preferably mixed so as to obtain a fuel electrode having a desired composition after sintering and reduction.
成形体の作製方法は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な方法を選択することができる。成形体の作製方法としては、例えば、
(a)原料混合物を含むスラリーをテープ成形し、得られたグリーンシートを基材(例えば、焼結後に燃料極側集電層となる成形体、あるいは、焼結後に電解質層となる成形体)の上に積層し、積層体を静水圧プレスして圧着させる方法、
(b)原料混合物を含むスラリーを作製し、基材の表面にスラリーをスクリーン印刷する方法、
などがある。
The method for producing the molded body is not particularly limited, and an optimal method can be selected depending on the purpose. Examples of the method for producing the molded body include
(a) A method of tape-casting a slurry containing a raw material mixture, laminating the obtained green sheet on a substrate (e.g., a green sheet to be a current collecting layer on the anode side after sintering, or a green sheet to be an electrolyte layer after sintering), and isostatically pressing the laminate;
(b) preparing a slurry containing the raw material mixture, and screen printing the slurry on a surface of a substrate;
etc.
[2.2. 焼結工程]
次に、得られた成形体を焼結させる(焼結工程)。焼結条件は、原料組成に応じて最適な条件を選択するのが好ましい。焼結は、通常、大気雰囲気下において、1000℃~1500℃で1時間~5時間行うのが好ましい。
原料混合物中に2種以上の酸化物が含まれている場合、焼結中に固相反応が進行し、所定の組成を有する固溶体が生成する場合がある。また、原料混合物中に造孔材が含まれている場合、焼結時に造孔材が消失し、焼結体内に気孔が形成される。
[2.2. Sintering process]
Next, the obtained molded body is sintered (sintering step). It is preferable to select the optimum sintering conditions according to the raw material composition. Sintering is usually preferably performed in an air atmosphere at 1000°C to 1500°C for 1 hour to 5 hours.
When the raw material mixture contains two or more oxides, a solid-phase reaction may proceed during sintering to produce a solid solution having a predetermined composition. When the raw material mixture contains a pore-forming material, the pore-forming material disappears during sintering, and pores are formed in the sintered body.
[2.3. 還元工程]
次に、得られた焼結体を還元処理する(還元工程)。これにより、本発明に係る燃料極が得られる。還元処理は、焼結体中に含まれるNiO等の金属酸化物を還元し、Ni系粒子を生成させるために行われる。還元条件は、特に限定されるものではなく、電極の組成に応じて最適な条件を選択するのが好ましい。
[2.3. Reduction step]
Next, the obtained sintered body is subjected to a reduction treatment (reduction step). As a result, the fuel electrode according to the present invention is obtained. The reduction treatment is performed to reduce metal oxides such as NiO contained in the sintered body and generate Ni-based particles. The reduction conditions are not particularly limited, and it is preferable to select optimal conditions depending on the composition of the electrode.
なお、固体酸化物形水電解セルは、後述するように、燃料極(カソード)/電解質層/反応防止層/空気極(アノード)の接合体からなる。また、燃料極の外側に燃料極側集電層がさらに接合され、及び/又は、空気極の外側に空気極側集電層がさらに接合される場合がある。各層の焼結及び接合は、成形体を積層した後、積層体を所定の温度に加熱することにより行われる。また、各層の最適な焼結温度が異なる場合、焼結は、通常、複数段階に分けて行われる。さらに、燃料極の還元は、通常、すべての層を接合した後に行われる。 As described below, a solid oxide water electrolysis cell is composed of an assembly of a fuel electrode (cathode), an electrolyte layer, a reaction prevention layer, and an air electrode (anode). A fuel electrode-side current collecting layer may be further joined to the outside of the fuel electrode, and/or an air electrode-side current collecting layer may be further joined to the outside of the air electrode. Sintering and joining of each layer is performed by stacking the compacts and then heating the stack to a specified temperature. When the optimal sintering temperature for each layer is different, sintering is usually performed in multiple stages. Furthermore, reduction of the fuel electrode is usually performed after all layers have been joined.
[3. 固体酸化物形水電解セル]
[3.1. 構成]
図1に、Ni/GDC-YSZを燃料極(活性層)に用いた固体酸化物形水電解セルの模式図を示す。図1において、固体酸化物形水電解セル(以下、単に「SOEC」ともいう)10は、
固体酸化物電解質Cからなる電解質層12と、
電解質層12の一方の面に接合された燃料極14と、
電解質層12の他方の面に接合された空気極16と、
電解質層12と空気極16との間に挿入された中間層(反応防止層)18と
を備えている。
[3. Solid oxide water electrolysis cell]
3.1. Configuration
A schematic diagram of a solid oxide water electrolysis cell using Ni/GDC-YSZ as the fuel electrode (active layer) is shown in Fig. 1. In Fig. 1, a solid oxide water electrolysis cell (hereinafter, simply referred to as "SOEC") 10 is
an
an
a
The battery includes an intermediate layer (reaction prevention layer) 18 inserted between the
燃料極14には、本発明に係る固体酸化物形水電解セル用燃料極(Ni/GDC-YSZ)が用いられる。燃料極14の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。
また、図1において、燃料極14の外側には、さらに燃料極側集電層20が配置される。燃料極側集電層20は、燃料極14の厚さが薄い場合において、燃料極14を支持するためのものである。燃料極側集電層20は、省略することができる。
同様に、図示はしないが、空気極16の外側に空気極側集電層がさらに配置されていても良い。空気極側集電層(図示せず)は、空気極16の厚さが薄い場合において、空気極16を支持するためのものである。空気極側集電層は、省略することができる。
The solid oxide water electrolysis cell fuel electrode (Ni/GDC-YSZ) according to the present invention is used for the
1, an anode-side
Similarly, although not shown, an air electrode side current collecting layer may be further disposed on the outside of the
[3.2. 材料]
電解質層12、空気極16、中間層18、燃料極側集電層20、及び、空気極側集電層(図示せず)の材料は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な材料を選択することができる。
3.2 Materials
The materials for the
[3.2.1. 電解質層、空気極、中間層]
例えば、電解質層12には、YSZなどを用いることができる。
空気極16には、(La,Sr)CoO3(LSC)、(La,Sr)(Co,Fe)O3(LSCF)、(La,Sr)MnO3(LSM)、LSCとGdドープCeO2(GDC)との複合体などを用いることができる。
中間層18は、電解質層12と空気極16とが直接、接触することにより生じる反応を防止するための層であり、必要に応じて挿入される。例えば、電解質層12がYSZであり、空気極16がLSCである場合、中間層18には、GdドープCeO2(GDC)を用いるのが好ましい。
[3.2.1. Electrolyte layer, air electrode, intermediate layer]
For example, the
The
The
[3.2.2. 燃料極側集電層]
燃料極側集電層20は、少なくとも、
(a)電解質層12の表面に形成される燃料極14を支持するための機能、
(b)電解の原料を燃料極14まで拡散させる機能、
(c)還元反応に必要な電子を集電体から燃料極14まで輸送する機能、及び、
(d)電極反応により燃料極14で生成した水素を燃料極14外に排出する機能
を備えている必要がある。
燃料極側集電層20の組成は、このような機能を奏する限りにおいて、特に限定されない。集電層は、Ni系粒子と、固体酸化物電解質からなる電解質粒子とを含むサーメットが好ましい。
[3.2.2. Fuel electrode side current collecting layer]
The fuel electrode side
(a) a function of supporting the
(b) A function of diffusing the raw material for electrolysis to the
(c) a function of transporting electrons required for the reduction reaction from the current collector to the
(d) It is necessary to have a function of discharging hydrogen generated at the
There are no particular limitations on the composition of the fuel electrode side
[A. 集電層に含まれるNi系粒子]
燃料極側集電層20(以下、単に「集電層」ともいう)に含まれる「Ni系粒子(以下、これを「Ni系粒子B」ともいう)」とは、粒子に含まれる金属元素の総質量に対するNiの質量の割合が10mass%以上である金属粒子をいう。Ni系粒子Bに含まれるNiの質量割合は、好ましくは、50mass%以上、さらに好ましくは、90mass%以上である。
[A. Ni-based particles contained in current collecting layer]
The "Ni-based particles (hereinafter also referred to as "Ni-based particles B")" contained in the fuel electrode-side current collecting layer 20 (hereinafter also simply referred to as the "current collecting layer") refer to metal particles in which the ratio of the mass of Ni to the total mass of metal elements contained in the particles is 10 mass% or more. The mass ratio of Ni contained in the Ni-based particles B is preferably 50 mass% or more, and more preferably 90 mass% or more.
Ni系粒子Bは、集電層中において、電子伝導体としての機能を有する。Ni系粒子Bの組成は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。Ni系粒子Bとしては、例えば、Ni、Ni-Fe合金、Ni-Co合金などがある。 The Ni-based particles B function as an electronic conductor in the current collecting layer. The composition of the Ni-based particles B is not particularly limited as long as it exhibits such a function. Examples of Ni-based particles B include Ni, Ni-Fe alloys, and Ni-Co alloys.
[B. 電解質粒子]
燃料極側集電層20に含まれる電解質粒子(以下、これを「電解質粒子B」ともいう)の組成は、集電層としての機能を奏する限りにおいて、特に限定されない。
電解質粒子Bとしては、例えば、
(a)3~15mol%のY2O3を含むイットリア安定化ジルコニア(YSZ)、
(b)燃料極に含まれる電解質粒子と同一又は類似の組成を持つ材料、
などがある。
これらの中でも、電解質粒子Bは、YSZが好適である。これは、機械的強度が安定しているためである。
B. Electrolyte Particles
The composition of the electrolyte particles contained in the fuel electrode side current collecting layer 20 (hereinafter also referred to as "electrolyte particles B") is not particularly limited as long as it functions as a current collecting layer.
Examples of the electrolyte particles B include:
(a) yttria-stabilized zirconia ( YSZ ) containing 3 to 15 mol % Y2O3 ;
(b) a material having the same or similar composition as the electrolyte particles contained in the anode;
etc.
Among these, YSZ is preferable for the electrolyte particles B because it has stable mechanical strength.
[C. 集電層の組成]
「Ni系粒子Bの含有量」とは、集電層に含まれる電解質粒子B及びNi系粒子Bの総質量に対するNi系粒子Bの質量の割合をいう。
Ni系粒子Bの含有量は、集電層としての機能を奏する限りにおいて、特に限定されない。また、集電層に含まれるNi系粒子Bの含有量は、燃料極に含まれるNi系粒子の含有量と同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。集電層に含まれるNi系粒子Bの含有量は、通常、30~70mass%である。
C. Composition of the current collecting layer
The "content of Ni-based particles B" refers to the ratio of the mass of Ni-based particles B to the total mass of electrolyte particles B and Ni-based particles B contained in the current collecting layer.
The content of the Ni-based particles B is not particularly limited as long as the current collecting layer functions as such. The content of the Ni-based particles B contained in the current collecting layer may be the same as or different from the content of the Ni-based particles contained in the fuel electrode. The content of the Ni-based particles B contained in the current collecting layer is usually 30 to 70 mass%.
[D. 気孔率]
集電層の気孔率は、集電層のガス拡散性、強度、電子伝導性などに影響を与える。一般に、集電層の気孔率が小さすぎると、ガス拡散性が低下する。従って、集電層の気孔率は、40%以上が好ましい。気孔率は、さらに好ましくは、45%以上、さらに好ましくは、50%以上である。
一方、集電層の気孔率が大きくなりすぎると、強度及び電子伝導性が低下する場合がある。従って、集電層の気孔率は、60%以下が好ましい。気孔率は、好ましくは、58%以下、さらに好ましくは、55%以下である。
D. Porosity
The porosity of the current collecting layer affects the gas diffusibility, strength, electronic conductivity, etc. of the current collecting layer. In general, if the porosity of the current collecting layer is too small, the gas diffusibility decreases. Therefore, the porosity of the current collecting layer is preferably 40% or more. The porosity is more preferably 45% or more, and even more preferably 50% or more.
On the other hand, if the porosity of the current collecting layer is too high, the strength and electronic conductivity may decrease. Therefore, the porosity of the current collecting layer is preferably 60% or less. The porosity is preferably 58% or less, and more preferably 55% or less.
[3.2.3. 空気極側集電層]
空気極側集電層の機能は、空気極16における反応形態が燃料極14とは異なる点を除き、燃料極側集電層20の機能とほぼ同様である。
空気極側集電層の電解質粒子の材料には、LSC、LSCFなどが用いられる。空気極側集電層に関するその他の点については、燃料極側集電層20と同様であるので、説明を省略する。
[3.2.3. Cathode-side current collecting layer]
The function of the air electrode side current collecting layer is almost the same as that of the anode side
The material of the electrolyte particles in the air electrode side current collecting layer is LSC, LSCF, etc. Other points regarding the air electrode side current collecting layer are similar to those of the fuel electrode side
[4. 作用]
[4.1. Niの酸化]
図2に、Ni/YSZを燃料極(活性層)に用いた従来の固体酸化物形水電解セル(SOEC)の模式図を示す。図2において、従来のSOEC10’は、電解質層12と、電解質層12の一方の面に接合された燃料極14’と、電解質層12の他方の面に接合された空気極16と、電解質層12と空気極16との間に挿入された中間層18とを備えている。従来のSOEC10’は、燃料極14’として、Ni/YSZサーメットが用いられている。
[4. Action]
[4.1. Oxidation of Ni]
Fig. 2 shows a schematic diagram of a conventional solid oxide water electrolysis cell (SOEC) using Ni/YSZ as the anode (active layer). In Fig. 2, the conventional SOEC 10' includes an
燃料極14’がNi/YSZサーメットからなるSOEC10’において、燃料極14’にH2Oを供給し、燃料極14’-空気極16間に電流を流すと、燃料極14’では、次の式(3)に示す還元反応が進行する。
H2O+2e- → H2+O2- …(3)
In an SOEC 10' having an anode 14' made of Ni/YSZ cermet, when H 2 O is supplied to the anode 14' and a current is passed between the anode 14' and the
H2O + 2e- → H2 +O2 -... (3)
しかし、SOEC10’を用いた水電解においては、燃料極14’に、原料となる高温(700℃以上)の水蒸気が供給される。そのため、燃料極14’に含まれるNiが容易に酸化され、Ni(OH)2が形成される。Ni(OH)2は蒸散しやすいため、Ni(OH)2の蒸散によって電極反応点である3相界面の形態が変化する。その結果、電解特性は低下する。
この点は、SOFCも同様である。すなわち、SOFCのアノード(燃料極)においては、電極反応により水が生成する。そのため、特に、高負荷運転条件下において、生成した水により燃料極中のNiが酸化され、発電特性が低下する場合がある。
However, in water electrolysis using the SOEC 10', high-temperature (700°C or higher) water vapor, which is the raw material, is supplied to the fuel electrode 14'. As a result, Ni contained in the fuel electrode 14' is easily oxidized to form Ni(OH) 2 . Since Ni(OH) 2 is easily evaporated, the morphology of the three-phase interface, which is the electrode reaction site, changes due to the evaporation of Ni(OH) 2 . As a result, the electrolysis characteristics are degraded.
The same is true for SOFCs. That is, water is generated by an electrode reaction at the anode (fuel electrode) of an SOFC. Therefore, especially under high-load operating conditions, Ni in the fuel electrode may be oxidized by the generated water, resulting in a decrease in power generation characteristics.
[4.2. GDC成分によるNiの酸化抑制]
これに対し、GDCは、高い酸素吸蔵能を示す。そのため、Ni系粒子及びGDC成分を含む電解質粒子を含む燃料極を備えたSOECを用いて水蒸気電解を行うと、Niの酸化が格段に抑制される。SOECにおいて、燃料極へのGDC成分の添加によりNiの酸化が格段に抑制されるのは、以下の理由によると考えられる。
[4.2. Suppression of Ni oxidation by GDC components]
In contrast, GDC exhibits high oxygen storage capacity. Therefore, when steam electrolysis is performed using an SOEC equipped with a fuel electrode containing Ni-based particles and electrolyte particles containing a GDC component, the oxidation of Ni is significantly suppressed. In the SOEC, the reason why the oxidation of Ni is significantly suppressed by adding the GDC component to the fuel electrode is considered to be as follows.
[4.2.1. GDC成分による酸素の固定]
NiとGDC成分を含む水素極が高温の水蒸気に曝されると、Niが酸化され、Ni粒子の表面がNi(OH)2となる(ステップ1)。この時、Ni粒子の近傍にGDC成分があると、Ni(OH)2から酸素が引き抜かれ、引き抜かれた酸素がGDC成分に固定される(ステップ2)。そのトリガーとなるのは、GDC成分の酸素吸蔵能力と考えられる。
[4.2.1. Fixation of oxygen by GDC components]
When a hydrogen electrode containing Ni and GDC components is exposed to high-temperature water vapor, the Ni is oxidized and the surface of the Ni particles becomes Ni(OH) 2 (step 1). At this time, if there are GDC components in the vicinity of the Ni particles, oxygen is extracted from the Ni(OH) 2 and the extracted oxygen is fixed to the GDC components (step 2). It is thought that the trigger for this is the oxygen storage capacity of the GDC components.
[4.2.2. GDC成分による還元雰囲気の生成]
Ni(OH)2から引き抜かれた酸素は、GDC成分に一時的にトラップされる(ステップ3)。燃料極は、Ni触媒から生成したH2によって還元雰囲気になっている。GDC成分自身も水分解能を持ち、そこから水素が生成するので、GDC成分もH2源として機能する。さらに、還元雰囲気下では、GDC成分はトラップした酸素原子又は酸素イオンを酸素分子として容易に放出する。GDC成分から放出された酸素分子は、Niを再酸化させる前に、系外に排出される(ステップ4)。あるいは、GDC成分を含む電解質粒子内の酸素イオンは電解反応により電解質粒子内を拡散し、酸素空孔が形成される(ステップ5)。以下、このようなステップ1~5が繰り返されることにより、Ni酸化が抑制されると考えられる。
[4.2.2. Generation of reducing atmosphere by GDC components]
The oxygen extracted from Ni(OH) 2 is temporarily trapped by the GDC component (step 3). The fuel electrode is in a reducing atmosphere due to H2 generated from the Ni catalyst. The GDC component itself has water decomposition ability and generates hydrogen from it, so the GDC component also functions as a H2 source. Furthermore, in a reducing atmosphere, the GDC component easily releases the trapped oxygen atoms or oxygen ions as oxygen molecules. The oxygen molecules released from the GDC component are discharged outside the system before Ni is reoxidized (step 4). Alternatively, the oxygen ions in the electrolyte particles containing the GDC component diffuse within the electrolyte particles due to an electrolytic reaction, and oxygen vacancies are formed (step 5). It is considered that Ni oxidation is suppressed by repeating steps 1 to 5.
(試料No.1~3)
[1. 試料の作製]
[1.1. GDC粉末の作製(試料No.1、2)]
所定量の硝酸セリウムCe(NO3)3・6H2Oと、硝酸ガドリニウムGd(NO3)3・5H2Oを秤量し、両者を、それぞれ、イオン交換水に溶解させた。さらに、イオン交換水と25%アンモニア水との混合物に、所定量の硝酸セリウム水溶液と、所定量の硝酸ガドリニウム水溶液とを添加し、15分間攪拌し、沈殿物を得た。
次に、沈殿物を大気雰囲気下、150℃×7h、及び、400℃×5hの条件下で熱処理し、乾燥させ、GDC粉末を得た。Gdドープ量は、10at%(試料No.1)、又は、20at%(試料No.2)であった。
(Samples No. 1 to 3)
1. Preparation of Samples
[1.1. Preparation of GDC powder (samples No. 1 and 2)]
Predetermined amounts of cerium nitrate Ce (NO3)3.6H2O and gadolinium nitrate Gd(NO3)3.5H2O were weighed and dissolved in ion-exchanged water. Further, a predetermined amount of an aqueous solution of cerium nitrate and a predetermined amount of an aqueous solution of gadolinium nitrate were added to a mixture of ion-exchanged water and 25% ammonia water, and the mixture was stirred for 15 minutes to obtain a precipitate.
Next, the precipitate was heat-treated in an air atmosphere at 150°C for 7 h and 400°C for 5 h, and then dried to obtain GDC powders. The Gd doping amount was 10 at% (sample No. 1) or 20 at% (sample No. 2).
[1.2. 水電解セルの作製]
[1.2.1. 試料No.1、2]
図3に、試料No.1、2の水電解セルの模式図を示す。側面に参照電極(図示せず)を付けた8YSZ電解質ペレット(厚さ500μm)の一方の面にGDCシート(中間層)を重ね、1380℃で焼成した。
次に、8YSZ電解質ペレットの他方の面(中間層を焼き付けた面とは反対側の面)に、燃料極を形成した。すなわち、Ni/GDCペースト(NiO:GDC=1:1、質量比)をスクリーン印刷法にて塗布し、1340℃で焼成した。
[1.2. Preparation of water electrolysis cell]
[1.2.1. Samples No. 1 and 2]
3 shows a schematic diagram of the water electrolysis cells of Samples No. 1 and 2. A GDC sheet (intermediate layer) was placed on one side of an 8YSZ electrolyte pellet (thickness: 500 μm) with a reference electrode (not shown) attached to the side, and the resulting mixture was fired at 1,380° C.
Next, a fuel electrode was formed on the other surface of the 8YSZ electrolyte pellet (the surface opposite to the surface on which the intermediate layer was baked) by applying Ni/GDC paste (NiO:GDC=1:1, mass ratio) by screen printing and firing at 1340°C.
次に、中間層の上に、LSC/GDCペーストをスクリーン印刷法にて塗布し、1125℃で焼成し、空気極を形成した。
さらに、LSC/GDC電極(空気極)の上に、LSCペーストをスクリーン印刷法にて塗布し、950℃で焼成し、空気極側集電層を形成した。
Next, the LSC/GDC paste was applied onto the intermediate layer by screen printing and fired at 1125° C. to form a cathode.
Furthermore, the LSC paste was applied onto the LSC/GDC electrode (air electrode) by screen printing and fired at 950° C. to form an air electrode-side current collecting layer.
[1.2.2. 試料No.3]
燃料極を形成するためのペーストとして、Ni/8YSZペーストを用いた以外は、試料No.1と同様にして水電解セルを作製した。
[1.2.2. Sample No. 3]
A water electrolysis cell was fabricated in the same manner as in Sample No. 1, except that a Ni/8YSZ paste was used as the paste for forming the fuel electrode.
[2. 試験方法]
得られた水電解セルを用いて、表1に示す条件下で100hの水蒸気電解試験(耐久試験)を行った。
また、耐久試験の際にインピーダンス測定を行い、反応抵抗(Rct2)を測定した。さらに、耐久試験前後の反応抵抗(Rct2)を用いて、反応抵抗(Rct2)増加速度を算出した。
2. Test Method
Using the obtained water electrolysis cell, a steam electrolysis test (durability test) was carried out for 100 hours under the conditions shown in Table 1.
In addition, impedance measurements were performed during the durability test to measure the reaction resistance (Rct2). Furthermore, the reaction resistance (Rct2) increase rate was calculated using the reaction resistance (Rct2) before and after the durability test.
[3. 結果]
本発明に係る燃料極の特徴は、集電領域(電解質層/燃料極界面から離れた領域)でのNi粒子の粒径変化が抑制されていることである。この結果は、電子パスであるNi粒子の形態が変わらず、電解反応が安定的に担保できることを意味する。Ni粒子の粒径変化が抑制される理由は、GDC成分が酸素吸蔵能力を持ち、集電領域におけるNiの酸化を抑制するからである。酸素吸蔵能力が高ければ、その効果は集電領域だけでなく、電極活性領域(電解質層/燃料極界面の近傍領域)にも及ぶ。
3. Results
The fuel electrode according to the present invention is characterized in that the change in particle size of Ni particles in the current collecting region (region away from the electrolyte layer/fuel electrode interface) is suppressed. This result means that the shape of the Ni particles, which are the electron paths, does not change and the electrolytic reaction can be stably guaranteed. The reason that the change in particle size of Ni particles is suppressed is that the GDC component has oxygen storage capacity and suppresses the oxidation of Ni in the current collecting region. If the oxygen storage capacity is high, the effect extends not only to the current collecting region but also to the electrode active region (region near the electrolyte layer/fuel electrode interface).
図4に、試料No.1~3の燃料極の反応抵抗(Rct2)増加速度を示す。試料No.3の反応抵抗増加速度は、23.5%であった。一方、試料No.1、2の反応抵抗増加速度は、それぞれ、3.2%及び2.6%であった。図4より、燃料極としてNi/GDCを用いると、Ni/YSZに比べて反応抵抗増加速度が約1/8に低減できることがわかる。この結果は、燃料極として、YSZ成分とGDC成分の固溶体又は混合物を用いると、GDC成分の量に応じて、反応抵抗増加速度が低下することを示している。
さらに、図4より、Gdのドープ量を増加させると、反応抵抗増加速度がさらに低下することがわかる。これは、Gdのドープ量が多くなるほど、GDCの酸素吸蔵能が大きくなるためと考えられる。
Figure 4 shows the reaction resistance (Rct2) increase rate of the anodes of samples No. 1 to 3. The reaction resistance increase rate of sample No. 3 was 23.5%. On the other hand, the reaction resistance increase rates of samples No. 1 and 2 were 3.2% and 2.6%, respectively. From Figure 4, it can be seen that when Ni/GDC is used as the anode, the reaction resistance increase rate can be reduced to about 1/8 compared to Ni/YSZ. This result shows that when a solid solution or mixture of a YSZ component and a GDC component is used as the anode, the reaction resistance increase rate decreases depending on the amount of the GDC component.
4, it can be seen that the reaction resistance increase rate further decreases as the doping amount of Gd increases, which is believed to be because the oxygen storage capacity of GDC increases as the doping amount of Gd increases.
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 Although the embodiment of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible without departing from the gist of the present invention.
本発明に係る固体酸化物形水電解セル用燃料極は、固体酸化物形水電解セルの燃料極、あるいは、固体酸化物形燃料電池の燃料極として使用することができる。 The fuel electrode for a solid oxide water electrolysis cell according to the present invention can be used as a fuel electrode for a solid oxide water electrolysis cell or a fuel electrode for a solid oxide fuel cell.
Claims (7)
固体酸化物電解質Aからなる電解質粒子と
を備え、
前記電解質粒子は、YがドープされたZrO2(YSZ)とGdがドープされたCeO2(GDC)との固溶体、又は、混合物からなる
固体酸化物形水電解セル用燃料極。 Ni-based particles;
and electrolyte particles made of a solid oxide electrolyte A.
The electrolyte particles are a solid solution or a mixture of Y-doped ZrO 2 (YSZ) and Gd-doped CeO 2 (GDC), and the electrolyte particles are a fuel electrode for a solid oxide water electrolysis cell.
{YyZr1-yO2-δ'}1-z{GdxCe1-xO2-δ}z (1)
但し、
0<x≦0.30、0<y≦0.30、0<z<1.0、
δ、δ'は、それぞれ、電気的中性が保たれる値。 2. The fuel electrode for a solid oxide water electrolysis cell according to claim 1, wherein the electrolyte particles have an average composition represented by the following formula (1):
{Y y Zr 1-y O 2-δ' } 1-z {Gd x Ce 1-x O 2-δ } z (1)
however,
0<x≦0.30, 0<y≦0.30, 0<z<1.0,
δ and δ' are the values at which electrical neutrality is maintained.
前記電解質層の一方の面に形成された燃料極と、
前記電解質層の他方の面に形成された空気極と、
前記電解質層と前記空気極との界面に挿入された反応防止層と
を備え、
前記燃料極は、請求項1に記載の固体酸化物形水電解セル用燃料極からなる固体酸化物形水電解セル。 an electrolyte layer made of a solid oxide electrolyte C;
a fuel electrode formed on one surface of the electrolyte layer;
an air electrode formed on the other surface of the electrolyte layer;
a reaction prevention layer inserted at the interface between the electrolyte layer and the air electrode;
A solid oxide water electrolysis cell, wherein the fuel electrode is the solid oxide water electrolysis cell fuel electrode according to claim 1 .
前記燃料極の表面に形成された燃料極側集電層
をさらに備えている請求項6に記載の固体酸化物形水電解セル。 An air electrode-side current collecting layer formed on the surface of the air electrode, and/or
7. The solid oxide water electrolysis cell according to claim 6, further comprising an anode-side current collecting layer formed on a surface of the anode.
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