JP2023067440A - High temperature steam electrolytic cell and production method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、高温水蒸気電解セル及びその製造方法に関する。 Embodiments of the present invention relate to high temperature steam electrolysis cells and methods of making the same.
近年、化石燃料の枯渇、大気中への二酸化炭素の放出による地球温暖化等の環境問題、エネルギーセキュリティー、等の観点から、太陽光、風力、地熱等に代表される再生可能エネルギーの導入が推進されている。また、二次エネルギーとして、貯蔵や輸送の観点から、水素エネルギーが注目されている。水素エネルギーは例えば燃料電池自動車への適用が期待されており、低コストで品質の高い水素の製造や貯蔵が求められている。 In recent years, the introduction of renewable energy such as solar, wind, and geothermal energy has been promoted from the viewpoint of environmental issues such as the depletion of fossil fuels, global warming due to the release of carbon dioxide into the atmosphere, and energy security. It is Hydrogen energy is attracting attention as a secondary energy from the viewpoint of storage and transportation. Hydrogen energy is expected to be applied to, for example, fuel cell vehicles, and low-cost, high-quality hydrogen production and storage are required.
水素の製造には、現在コストや技術の観点から化石燃料を改質して製造する手法が主流とされている。しかし、化石燃料の改質による水素製造は、その製造過程において二酸化炭素を不可避的に発生させる。これに対し、水を原料として再生可能エネルギーを用いて水素を製造する方法は、二酸化炭素を発生させず、環境負荷が少ないことが分かっている。水や水蒸気を電解して水素を発生する方法としては、固体高分子電解質膜(Polymer Electrolyte Membrane:PEM)を用いるPEM型や、固体酸化物形電解セル(Solid Oxide Electrolysis Cell:SOEC)を用いるSOEC型が知られている。なかでも、SOEC型は水素を製造するための電力が原理的に少なく、将来の水素製造方法として期待されている。 At present, hydrogen is mainly produced by reforming fossil fuels from the viewpoint of cost and technology. However, hydrogen production by reforming fossil fuels inevitably generates carbon dioxide during the production process. On the other hand, it is known that the method of producing hydrogen using renewable energy from water as a raw material does not generate carbon dioxide and has less environmental impact. As a method of electrolyzing water or steam to generate hydrogen, there are a PEM type using a solid polymer electrolyte membrane (PEM) and a SOEC using a solid oxide electrolysis cell (Solid Oxide Electrolysis Cell: SOEC). type is known. Among them, the SOEC type is expected as a future hydrogen production method because it theoretically requires less electric power for producing hydrogen.
水素製造のための水や水蒸気の電解に用いられるSOECは、電子を通す水素極の支持層と、水を電解する水素極(活性層)と、酸素イオンを伝導する固体酸化物電解質層と、酸素イオンを結合して酸素分子にする酸素極とにより構成されている。電解質は酸素イオン伝導性及び水素ガスと酸素ガスとを分離する役割を有しており重要である。また、支持層には電子を通す機能の他に、水蒸気を活性層に供給するためのガス透過性や、電解セルの形態を維持するための強度が要求される。このため、支持層にはガス透過性を実現するために多孔質層が用いられている。従って、支持層には、欠陥とみなされる気孔を有する多孔質層で、高強度を実現するという二律背反の特性が要求されている。 The SOEC used for the electrolysis of water and steam for hydrogen production consists of a hydrogen electrode support layer that conducts electrons, a hydrogen electrode (active layer) that electrolyzes water, a solid oxide electrolyte layer that conducts oxygen ions, and an oxygen electrode that combines oxygen ions into oxygen molecules. The electrolyte is important because it has oxygen ion conductivity and a role of separating hydrogen gas and oxygen gas. In addition to the function of passing electrons, the support layer is required to have gas permeability for supplying water vapor to the active layer and strength for maintaining the form of the electrolytic cell. For this reason, a porous layer is used for the support layer in order to achieve gas permeability. Therefore, the support layer is required to have a contradictory characteristic of realizing high strength in a porous layer having pores which are regarded as defects.
すなわち、SOECの多孔質支持層には、強度といった機械的信頼性が要求される一方で、ガス透過性が求められることから、破壊の起点となる気孔を内在しているために強度が低くなりやすい。このように、支持層には機械的信頼性とガス透過性の両立が求められているが、ガス透過性という電解セル性能を確保するためには、多孔質層に基づく機械的信頼性を低く抑えざるを得ないといった課題がある。 In other words, the porous support layer of the SOEC is required to have mechanical reliability such as strength, but it is also required to have gas permeability. Cheap. In this way, the support layer is required to have both mechanical reliability and gas permeability. There are some issues that must be addressed.
本発明が解決しようとする課題は、電解セルに求められるガス透過性を維持しつつ、強度を高めた支持層を備えることにより、水蒸気の電解反応特性と機械的強度とを両立させることを可能にした高温水蒸気電解セルとその製造方法を提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is that by providing a support layer with increased strength while maintaining the gas permeability required for an electrolytic cell, it is possible to achieve both the electrolytic reaction characteristics of water vapor and the mechanical strength. To provide a high-temperature steam electrolysis cell and a method for manufacturing the same.
実施形態の高温水蒸気電解セルは、ガス透過性を有する支持層と、前記支持層上に設けられ、ガス透過性を有し、かつ内部に流入した水蒸気を酸素イオンと水素に電気分解可能な水素極と、前記水素極で生成された前記酸素イオンを伝導可能な固体酸化物電解質層と、ガス透過性を有し、かつ前記固体酸化物電解質層から到達した前記酸素イオンから酸素分子を生成可能な酸素極とを具備する高温水蒸気電解セルにおいて、前記支持層は、酸化ニッケルとガドリニウム固溶セリアとの複合体において、前記複合体の前記ガドリニウム固溶セリアの一部がセリア安定化ジルコニアで置換されている多孔質焼結層を備える。 A high-temperature steam electrolysis cell of an embodiment comprises a gas-permeable support layer, a gas-permeable support layer provided on the support layer, and hydrogen capable of electrolyzing water vapor flowing into the interior into oxygen ions and hydrogen. an electrode, a solid oxide electrolyte layer capable of conducting the oxygen ions generated by the hydrogen electrode, and a gas permeable solid oxide electrolyte layer capable of generating oxygen molecules from the oxygen ions arriving from the solid oxide electrolyte layer. the support layer is a composite of nickel oxide and gadolinium solid solution ceria, wherein a part of the gadolinium solid solution ceria in the composite is replaced with ceria-stabilized zirconia and a porous sintered layer.
以下、実施形態の高温水蒸気電解セルについて、図面を参照して説明する。以下に示す各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。 A high-temperature steam electrolysis cell of an embodiment will be described below with reference to the drawings. In each of the embodiments shown below, substantially the same components are denoted by the same reference numerals, and the description thereof may be partially omitted. The drawings are schematic, and the relationship between thickness and planar dimensions, the thickness ratio of each part, and the like may differ from the actual ones.
図1は実施形態による高温水蒸気電解セルの断面を示している。図1に示す高温水蒸気電解セル1は、高温の水蒸気を電気分解することにより水素と酸素を生成するSOECであって、支持層2と水素極3と固体酸化物電解質層4と中間層5と酸素極6とを具備している。支持層2は、電解セル1の強度を主として担う強度メンバーであって、ガス透過性を有する多孔質焼結体からなり、水蒸気が流通可能な水蒸気通路を有している。支持層2は、酸化ニッケル(NiO)とガドリニウム固溶セリア(Gadolinia Doped Ceria(CeO2):GDC)との複合材料のGDCの一部をセリア安定化ジルコニア(Ceria(CeO2) Stabillized Zirconia(ZrO2):CSZ)で置換した材料を焼結した多孔質焼結体からなる。支持層2としての多孔質焼結体は、例えば30%以上50%以下程度の気孔率を有している。支持層2としての多孔質焼結体の成分比を含む具体的な構成については、後に詳述する。
FIG. 1 shows a cross section of a high-temperature steam electrolysis cell according to an embodiment. A high-temperature
支持層2上には、水素極3が設けられている。水素極3は水素極活性材料からなる多孔質層で構成されており、具体的には網状構造(network structure)の骨格によりガス透過性を有している。水素極3は、内部に網状構造の骨格に少なくとも部分的に囲まれた開放気孔(open pore)を有しており、当該開放気孔に流入した水蒸気を酸素イオンと水素に電気分解可能なものである。水素極3は、例えばNiOとGDCとの複合体からなる。これ以外にも、Co、Fe、Cu、Ru等の酸化物と、希土類元素の酸化物や希土類元素で安定化されたジルコニアとの複合体を水素極3に適用してもよい。支持層2の水蒸気通路から水素極3内の開放気孔に流入した水蒸気は、主に水素極(活性層)3内で酸素イオンと水素とに電気分解される。電気分解により生成された水素ガス(H2)は、図示しないガス流路から外部に導出され、例えば貯蔵される。生成された酸素イオンは、固体酸化物電解質層4内に伝導する。
A
固体酸化物電解質層4は、一方の面が水素極3と積層されており、他方の面が中間層5を介して酸素極6と積層されている。固体酸化物電解質層4は、緻密質な固体酸化物電解質からなり、酸素イオン等のイオンを通すものの、電気を通さないイオン伝導体である。固体酸化物電解質層4には、例えばY、Sc、Ce、Gd、Sm等の希土類元素の酸化物からなる安定化剤が固溶された安定化ジルコニア、代表的にはY2O3安定化ジルコニア(Yttria(Y2O3) Stabillized Zirconia(ZrO2):YSZ)やCSZ、あるいはこれらの複合体を用いることができる。
The solid
酸素極6は、酸素極活性材料からなり、ガス拡散性及び電子伝導性を有する多孔質体で構成されており、多孔質体内に固体酸化物電解質層4から到達した酸素イオン(O2-)及び外部電源から供給された電子(e-)により酸素分子(O2)を生成可能なものである。生成された酸素ガス(O2)は、図示しないガス流路から外部に導出され、例えば必要に応じて貯蔵される。酸素極6は、ABO3で表されるペロブスカイト構造を有する酸化物(以下、ペロブスカイト酸化物と記す。)を含む多孔質の焼結体からなる。酸素極6には、例えばR1-xAxB1-yCyO3-δ、(ここで、RはLa等の希土類元素、AはSr、Ca、Ba等のアルカリ土類元素、B及びCはCr、Mn、Co、Fe、Ni等の金属元素であり、x、y及びδは0≦x≦1、0≦y≦1、及び0≦δ≦1を満足する原子比である)で表されるペロブスカイト酸化物を用いることができる。酸素極6の代表例としては、(La1-xSrx)(Co1-yFey)O3-δ(LSCF)が挙げられる。 The oxygen electrode 6 is made of an oxygen active material and is composed of a porous body having gas diffusibility and electronic conductivity. And electrons (e − ) supplied from an external power source can generate oxygen molecules (O 2 ). The generated oxygen gas (O 2 ) is led outside through a gas flow path (not shown) and stored, for example, as required. The oxygen electrode 6 is made of a porous sintered body containing an oxide having a perovskite structure represented by ABO 3 (hereinafter referred to as perovskite oxide). For the oxygen electrode 6, for example, R 1-x A x B 1-y C y O 3-δ (here, R is a rare earth element such as La, A is an alkaline earth element such as Sr, Ca, Ba, B and C are metal elements such as Cr, Mn, Co, Fe and Ni, and x, y and δ are atomic ratios satisfying 0≦x≦1, 0≦y≦1 and 0≦δ≦1. A perovskite oxide represented by ) can be used. A representative example of the oxygen electrode 6 is (La 1-x Sr x )(Co 1-y Fe y )O 3-δ (LSCF).
中間層5は、固体酸化物電解質層4と酸素極6との間に必要に応じて配置され、固体酸化物電解質層4と酸素極6との間における元素の拡散と反応を防止する緻密質な反応防止層である。実施形態のSOEC1は、支持層2、水素極3、固体酸化物電解質層4、中間層5、及び酸素極6を順に積層することにより構成されている。より具体的には、支持層2上に水素極3の薄膜を形成し、さらに水素極3上に固体酸化物電解質層4の薄膜を形成する。さらに、固体酸化物電解質層4上に、中間層5と酸素極6の薄膜を形成することによりSOEC1が構成される。各構成要素の厚さに関しては、例えば支持層2は500μm以上800μm以下、水素極3は30μm以上50μm以下、固体酸化物電解質層4は10μm以上15μm以下、中間層5は5μm以上10μm以下、酸素極6は30μm以上50μm以下程度の厚さを有する。
The
次に、支持層2について詳述する。高温水蒸気電解セル1は、例えば原料粉末にバインダ及び気孔形成剤等と溶媒を加えてスラリー化し、このスラリーをシート成形、積層、及び圧着して成形体とし、成形体に脱バインダ処理である脱脂工程や焼結工程を施して製造される。支持層2の多孔質化のために添加される気孔形成剤は、脱脂工程において熱分解されて除去され、残った穴が焼結後も残留して支持層2の多孔質化を実現している。一般的に気孔率は40%前後であり、この高い気孔率でガス透過性を発揮させている。
Next, the
しかしながら、上記したような多孔質の焼結体に荷重が付加された場合、気孔の周囲にはその形状に応じた応力が周囲のマトリックスに発生する。この発生応力がマトリックスの破断強度より高くなった場合には、亀裂が発生し、亀裂が伸展することで、支持層2の破壊、ひいては電解セル1全体の大規模破壊を引き起こしてしまう。そのため、気孔の径や形状といった気孔形態が重要である。気孔形成剤には最も応力集中がしにくい球状の粒子が用いられることが多い。脆性材料であるセラミックス(焼結体)には、ハンドリングやセッティングのしやすさ等から高い強度が要求される。ヤング率が高いとわずかな変形でも高い応力が発生して容易に破壊することから、ヤング率は低いほうが好ましい。亀裂は粒界を進展することが多いことから、粒界強度を向上させることや添加物を加えて高強度化することが有効である。
However, when a load is applied to the porous sintered body as described above, a stress corresponding to the shape of the pores is generated in the surrounding matrix. When this generated stress exceeds the breaking strength of the matrix, cracking occurs and the cracking extends, causing destruction of the
そこで、実施形態における支持層2には、水素極3と接する支持層2の構成材料として有効なNiOとGDCとの複合体の焼結体を使用するだけでなく、複合体のGDCの一部をCSZで置換している。NiOとGDCとの複合体のうち、GDCのセリアはCSZのセリアと親和性に優れることから、多孔質焼結体内で相互反応を示す。CSZはGDCに比べて強度特性に優れているため、NiOとGDCとの複合体にGDCの一部を置換してCSZを含有させることによって、多孔質焼結体の強度を向上させることができる。特に、NiOとGDCとの複合体にCSZを含有させることで、多孔質焼結体の粒界強度を改善することができるため、支持層2の強度、ひいては電解セル1全体の強度を高めて機械的信頼性を向上させることができる。さらに、支持層2はNiOとGDCとの複合体を主体としているため、支持層2の特性及び機能は維持されるため、電解セル1の特性を維持することが可能になる。すなわち、セル特性と機械的強度に優れる高温水蒸気電解セル1を提供することが可能になる。
Therefore, for the
水素極3の支持層2の構成材料において、NiOとGDCとの質量比は5:5~7:3の範囲であることが好ましい。このようなNiOとGDCとの質量比を満足させることによって、支持層2の機能及び特性を良好に満足させることができる。このような複合体において、GDCの1質量%以上40質量%以下をCSZで置換することが好ましい。CSZによるGDCの置換量が1質量%未満であると、NiOとGDCとの複合体による多孔質焼結体の強度向上効果を十分に得ることができないおそれがある。CSZによるGDCの置換量が40質量%を超えると、NiOとGDCとの複合体による支持層2の特性(セル特性等)を低下させるおそれがある。
In the constituent material of the
支持層2を構成するNiOとGDCとCSZの複合体からなる多孔質焼結体において、GDC及びCSZの少なくとも一方を含む凝集体の粒子径は20μm以下であることが好ましい。粒子径が20μmを超える凝集体は、亀裂の発生起点となり、さらに発生した亀裂が伸展しやすくなるため、強度の低下要因となる。従って、凝集体の粒子径が20μm以下であることが好ましい。支持層2を構成する多孔質焼結体の気孔率は、前述したように30%以上50%以下程度であることが好ましい。多孔質焼結体の気孔率が30%未満であると、ガスの透過性が低下して電解セル1の特性が低下しやすくなる。多孔質焼結体の気孔率が50%を超えると、ガスの透過性は向上するものの、支持層2の強度等の機械的特性が低下しやすくなる。
In the porous sintered body composed of the composite of NiO, GDC, and CSZ that constitutes the
実施形態の高温水蒸気電解セル1の製造方法は、特に限定されるものではないが、例えば以下のようにして作成することができる。まず、酸化ニッケル(NiO)とガドリニウム固溶セリア(GDC)とセリア安定化ジルコニア(CSZ)の各粉末を、上記した比率で混合して原料粉末を調製する。この際、CSZ粉末は0.1μm以上1μm以下の平均粒径を有することが好ましい。CSZ粉末の平均粒径が1μmを超えると、作製する多孔質焼結体中に粒径が大きい凝集粒子が生じやすい。CSZ粉末の平均粒径が0.1μm未満であると、結晶粒が十分に成長せず、多孔質焼結体の強度が低下しやすい。NiO粉末及びGDC粉末の平均粒径は必ずしも限定されるものではないが、CSZ粉末と同様に、0.1μm以上1μm以下の平均粒径を有することが好ましい。
The method for manufacturing the high-temperature
次に、上記した原料粉末にバインダや気孔形成剤を添加し、さらに必要に応じて溶媒を加えて混合して原料スラリーを調製する。このような原料スラリーをシート成形してシートを作製する。次いで、得られたシート上に水素極3の形成スラリーと固体酸化物電解質層4の形成スラリーを順にシート状に成形することによって、積層成形体を作製する。このような積層成形体に対して熱圧着、脱脂、及び焼結の各工程を施すことによって、多孔質状の積層焼結体を作製する。積層焼結体上に中間層5及び酸素極6の形成材料の成形及び焼き付けの各工程を実施することによって、高温水蒸気電解セル1を得る。なお、これら各構成層は個別に脱脂及び焼結してもよい。
Next, a binder and a pore-forming agent are added to the raw material powder described above, and if necessary, a solvent is added and mixed to prepare a raw material slurry. A sheet is produced by forming such a raw material slurry into a sheet. Then, the slurry for forming the
次に、実施形態の電解セルの具体例及びその評価結果について述べる。 Next, specific examples of the electrolytic cell of the embodiment and evaluation results thereof will be described.
(実施例1)
高温水蒸気電解セルを製造するにあたって、まず支持層の原料として平均粒径が0.5μmの酸化ニッケル(NiO)と平均粒径が0.2μmのガドリニウム固溶セリア(GDC)を用意した。これらを質量比が6:4となるように配合する際に、GDCの一部を平均粒径が0.2μmのセリア安定化ジルコニア(CSZ)に置き換えることにより原料粉末を調整した。CSZによるGDCの置換量は10質量%から50質量%の範囲で調整した。CSZによる置換量は後述する表1に示す。
(Example 1)
In manufacturing the high-temperature steam electrolysis cell, nickel oxide (NiO) with an average particle size of 0.5 μm and gadolinium-dissolved ceria (GDC) with an average particle size of 0.2 μm were prepared as raw materials for the support layer. A raw material powder was prepared by replacing part of the GDC with ceria-stabilized zirconia (CSZ) having an average particle size of 0.2 μm when blending these in a mass ratio of 6:4. The amount of GDC substituted with CSZ was adjusted in the range of 10% by mass to 50% by mass. The amount of substitution with CSZ is shown in Table 1 below.
上記した原料組成比を調整した複数の原料粉末100質量部に、それぞれバインダとしてポリビニルアセタール樹脂を10重量部と、気孔形成剤として平均粒径が10μmの黒鉛を5重量部とを加え、さらに溶媒としてエタノールを加えて24時間ポット混合してスラリーをそれぞれ作製した。このようにして作製した各スラリーを、それぞれ1mmの厚さにシート成形して支持層用のシートを作製した。 10 parts by weight of polyvinyl acetal resin as a binder and 5 parts by weight of graphite having an average particle size of 10 μm as a pore-forming agent are added to 100 parts by weight of the plurality of raw material powders having the raw material composition ratio adjusted as described above, and a solvent is added. Ethanol was added as a solution and pot-mixed for 24 hours to prepare slurries, respectively. Each slurry thus prepared was formed into a sheet having a thickness of 1 mm to prepare a support layer sheet.
次に、水素極活性層の形成材料としてNiO-GDC系スラリーを、上記した各シート上にシート成形した。電解質層は、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムを用いて、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)スラリーを20μmの厚さでシート状にスクリーン印刷した。さらに、作製した支持層及び水素極活性層のためのシートと電解質層のためのシートとを、70℃の温度で熱圧着して積層成形体とした後、400℃で2時間脱脂を行った。さらに、脱脂体を1300℃以上の十分焼結が進む温度で焼結を行って焼結体を得た。雰囲気は大気雰囲気とした。このような焼結体の電解質側に酸素極としてLSCFをスクリーン印刷した後に焼き付けを行った。 Next, a NiO-GDC-based slurry as a material for forming a hydrogen electrode active layer was sheet-formed on each of the above-described sheets. For the electrolyte layer, a polyethylene terephthalate (PET) film was used, and yttria-stabilized zirconia (YSZ) slurry was screen-printed into a sheet with a thickness of 20 μm. Further, the sheets for the support layer and the hydrogen electrode active layer and the sheets for the electrolyte layer were thermocompressed at a temperature of 70° C. to form a laminate molded body, and then degreased at 400° C. for 2 hours. . Further, the degreased body was sintered at a temperature of 1300° C. or higher, at which sintering proceeds sufficiently, to obtain a sintered body. The atmosphere was an air atmosphere. After screen-printing LSCF as an oxygen electrode on the electrolyte side of such a sintered body, baking was performed.
このようにして、電解セル用の50×50mmの焼結体を得た。このような焼結体を用いて、荷重負荷速度0.5mm/分で3点曲げ試験を行って、それぞれ破壊強度を測定した。CSZによるGDCの置換量と破壊強度とを表1に示す。また、比較のためにCSZによるGDCの置換を行わなかった材料(CSZ:0質量%)についても、同様に支持層用スラリーを調製して電解セル用の焼結体を作製した。表1に示すように、NiO-GDC系材料のGDCの一部をCSZで置換した原料粉末を用いて形成した支持層を有する電解セル用の焼結体は、CSZによるGDCの置換を行わなかった材料を用いた場合に比べて強度が大きいことが分かる。ただし、CSZによるGDCの置換量を50質量%とした場合、強度が若干低下しているため、CSZによるGDCの置換量は40質量%以下とすることが好ましいことが分かる。 Thus, a 50×50 mm sintered body for an electrolytic cell was obtained. Using such a sintered body, a three-point bending test was performed at a load rate of 0.5 mm/min to measure the breaking strength. Table 1 shows the amount of GDC substituted by CSZ and the breaking strength. For comparison, a support layer slurry was similarly prepared for a material in which GDC was not replaced with CSZ (CSZ: 0% by mass) to produce a sintered body for an electrolytic cell. As shown in Table 1, the sintered body for an electrolytic cell having a support layer formed using raw material powder in which part of GDC of the NiO-GDC-based material was replaced with CSZ did not replace GDC with CSZ. It can be seen that the strength is greater than when the material is used. However, when the amount of GDC substituted with CSZ is 50% by mass, the strength is slightly reduced, so it can be seen that the amount of GDC substituted with CSZ is preferably 40% by mass or less.
(実施例2)
実施例1における支持層及び水素極活性層のためのシートと電解質層のためのシートとを積層した成形体を作製するにあたって、成形体の焼結時における保持時間を変更(長時間化又は短時間化)することによって、GDC及びCSZの少なくとも一方を含む粒子の粒径を変えた焼結体を作製した。それ以外については、実施例1と同様の工程を適用することによって、電解セル用の焼結体を作製した。これら電解セル用焼結体の破壊強度を実施例1と同様にして測定した。GDC及びCSZの少なくとも一方を含む凝集体の粒径と破壊強度とを表2に示す。
(Example 2)
In producing a compact obtained by laminating the sheet for the support layer and the hydrogen electrode active layer and the sheet for the electrolyte layer in Example 1, the holding time during sintering of the compact was changed (longer or shorter). By aging), sintered bodies were produced in which the particle size of the particles containing at least one of GDC and CSZ was changed. A sintered body for an electrolytic cell was produced by applying the same steps as in Example 1 except for the above. The breaking strength of these sintered bodies for electrolytic cells was measured in the same manner as in Example 1. Table 2 shows the particle size and breaking strength of aggregates containing at least one of GDC and CSZ.
表2に示すように、NiO-GDC系材料のGDCの一部をCSZで置換した複合体を用いた電解セル用焼結体において、GDC及びCSZの少なくとも一方を含む凝集体の粒径が25μmであると、強度が若干低下しているため、凝集体の粒径は20μm以下が好ましいことが分かる。図2に粒径が2μmの焼結体の断面SEM像を、また図3に粒径が25μmの焼結体の断面SEM像を示す。 As shown in Table 2, in the sintered body for an electrolytic cell using a composite in which a part of GDC of the NiO-GDC-based material is replaced with CSZ, the particle size of aggregates containing at least one of GDC and CSZ is 25 μm. , the strength is slightly reduced, so it can be seen that the particle size of the aggregates is preferably 20 μm or less. FIG. 2 shows a cross-sectional SEM image of a sintered body with a grain size of 2 μm, and FIG. 3 shows a cross-sectional SEM image of a sintered body with a grain size of 25 μm.
(実施例3)
実施例1における支持層のためのシートを作製するにあたって、CSZの原料粉末の平均粒径を変更する以外は、実施例1と同様に、支持層及び水素極活性層のためのシートの作製、そのようなシートと電解質層のためのシートとを積層した成形体の作製、成形体の脱脂及び焼結を行い、さらに酸素極としてのLSCFの印刷及び焼き付けを行って、それぞれ電解セル用の焼結体を作製した。これら電解セル用焼結体の破壊強度を実施例1と同様にして測定した。CSZの原料粉末の平均粒径と破壊強度とを表3に示す。表3に示すように、CSZの原料粉末の平均粒径が0.1μm未満又は1μmを超えると、強度が若干低下している。従って、NiO-GDC-CSZ系複合体の多孔質焼結体を作製するにあたって、CSZの平均粒径は0.1μm以上1μm以下が好ましいことが分かる。
(Example 3)
In producing the sheet for the support layer in Example 1, the sheets for the support layer and the hydrogen electrode active layer were produced in the same manner as in Example 1, except that the average particle size of the raw material powder of CSZ was changed. A compact obtained by laminating such a sheet and a sheet for the electrolyte layer was produced, the compact was degreased and sintered, and LSCF as an oxygen electrode was printed and baked to produce an electrolytic cell. A body was produced. The breaking strength of these sintered bodies for electrolytic cells was measured in the same manner as in Example 1. Table 3 shows the average particle size and breaking strength of the raw material powder of CSZ. As shown in Table 3, when the average particle size of the raw CSZ powder is less than 0.1 μm or more than 1 μm, the strength is slightly lowered. Therefore, it can be seen that the average grain size of CSZ is preferably 0.1 μm or more and 1 μm or less when producing a porous sintered body of a NiO-GDC-CSZ composite.
なお、上述した各実施形態の構成は、それぞれ組合せて適用することができ、また一部置き換えることも可能である。ここでは、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図するものではない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の省略、置き換え、変更等を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同時に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 It should be noted that the configurations of the respective embodiments described above can be combined and applied, and can also be partially replaced. Although several embodiments of the invention have been described herein, these embodiments are provided by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, changes, etc. can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention described in the claims and equivalents thereof.
1…高温水蒸気電解セル、2…支持層、3…水素極、4…固体酸化物電解質層、5…中間層、6…酸素極。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記支持層は、酸化ニッケルとガドリニウム固溶セリアとの複合体において、前記複合体の前記ガドリニウム固溶セリアの一部がセリア安定化ジルコニアで置換されている多孔質焼結層を備える、高温水蒸気電解セル。 a support layer having gas permeability; a hydrogen electrode provided on the support layer and having gas permeability and capable of electrolyzing water vapor that has flowed into the interior into oxygen ions and hydrogen; a solid oxide electrolyte layer capable of conducting oxygen ions; and an oxygen electrode having gas permeability and capable of generating oxygen molecules from the oxygen ions arriving from the solid oxide electrolyte layer. in the electrolytic cell,
The support layer comprises a porous sintered layer in a composite of nickel oxide and gadolinium solid solution ceria in which a part of the gadolinium solid solution ceria in the composite is replaced with ceria-stabilized zirconia. electrolytic cell.
前記酸化ニッケル粉末と前記ガドリニウム固溶セリア粉末と前記セリア安定化ジルコニア粉末とを含む原料粉末を調製する工程と、
前記原料粉末にバインダと気孔形成剤と溶媒を加えて原料スラリーを作製する工程と、
前記原料スラリーをシート状に成形し、成形体を得る工程と、
前記成形体を脱脂し、脱脂体を得る工程と、
前記脱脂体を焼結し、前記支持層として多孔質焼結層を得る工程と
を具備する高温水蒸気電解セルの製造方法。 A method for manufacturing a high-temperature steam electrolysis cell according to claim 1,
preparing a raw material powder containing the nickel oxide powder, the gadolinium solid-solution ceria powder, and the ceria-stabilized zirconia powder;
adding a binder, a pore-forming agent, and a solvent to the raw material powder to prepare a raw material slurry;
a step of forming the raw material slurry into a sheet to obtain a formed body;
a step of degreasing the molded body to obtain a degreased body;
and a step of sintering the degreased body to obtain a porous sintered layer as the support layer.
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