JP3469071B2 - 水蒸気電解方法 - Google Patents
水蒸気電解方法Info
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
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- Y02E60/50—Fuel cells
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- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、水蒸気電解方法に
関し、特に、固体電解質型燃料電池を逆作動して水素を
製造する場合に適用すると有効である。 【０００２】 【従来の技術】固体電解質型燃料電池は、騒音や振動が
小さく高効率であるため、種々の用途の発電システムと
して実用化が検討されている。固体電解質型燃料電池
は、固体電解質を電極で挟んだセルに水素と酸素とをそ
れぞれ供給して電気化学的に反応させることにより電気
エネルギを得るように運転される。ここで、電気エネル
ギの発生に伴って生じる水蒸気を電解する、すなわち、
逆作動させるように固体電解質型燃料電池を運転する
（セルに逆方向の電圧を印加する）と、当該水蒸気から
水素と酸素とを得ることができる。このため、固体電解
質型燃料電池を正逆運転させれば、電力の貯蔵や平準化
を図ることができる。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、固体電
解質型燃料電池を電解運転（逆作動）すると、発電運転
時と比べてセルの電極が早く劣化してしまい、実用化に
問題を生じていた。 【０００４】このようなことから、本発明は、電極の劣
化を抑えながら水蒸気を電解することができる水蒸気電
解方法を提供することを目的とした。 【０００５】 【課題を解決するための手段】前述した課題を解決する
ための、本発明による水蒸気電解方法は、固体電解質を
電極で挟んだセルに電圧を印加して水蒸気を電解する水
蒸気電解方法において、水蒸気電解の電圧印加時に所定
の間隔で当該印加電圧と逆方向に電圧を印加することを
特徴とする。 【０００６】 【発明の実施の形態】本発明による水蒸気電解方法の実
施の形態を説明する。本発明による水蒸気電解方法は、
固体電解質を電極で挟んだセルに電圧を印加して水蒸気
を電解する際に、水蒸気電解の電圧印加時に所定の間隔
で当該印加電圧と逆方向に電圧を印加する。これによ
り、電極の劣化を抑えながら水蒸気を電解することがで
きる。この理由を以下に説明する。 【０００７】固体電解質型燃料電池を電解運転すると、
水素ガスなどの還元雰囲気下にある電極（水素極）の還
元反応を促進させる方向に作用する電圧が当該水素極に
印加されると共に、酸素ガスなどの酸化雰囲気下にある
電極（酸素極）の酸化反応を促進させる方向に作用する
電圧が当該酸素極に印加されることから、これら電極が
早く劣化してしまい、当該電極の電気抵抗が増大してセ
ルの性能劣化につながると思われる。 【０００８】ところが、上記電極は、電解運転により電
気抵抗が徐々に増大している途中で発電運転に切り換え
られると、電気抵抗が直ちに小さくなり始めて当初の大
きさ近くにまで復元するようになる一方、電解運転によ
り電気抵抗が所定値を超えるほど増大してしまうと、発
電運転に切り換えられても、電気抵抗があまり小さくな
らず、当初の大きさ近くにまで回復しないことが判明し
た。つまり、上記電極は、電解運転により、まず、可逆
的な劣化が起こり、さらに電解運転することにより、不
可逆的な劣化が起こると考えられる。 【０００９】このため、電極が可逆的な劣化を起こして
いるだけのうちに当該電極に逆方向の電圧をパルス的に
印加すれば、当該電極の不可逆的な劣化の発生を未然に
防止することができる。 【００１０】したがって、電極の電気抵抗の増加を抑え
てセルの性能劣化を防止することができるので、電極の
劣化を抑えながら水蒸気を電解することができ、固体電
解質型燃料電池の正逆運転による電力の貯蔵や平準化を
図ることができる。 【００１１】なお、電解運転により劣化した電極の表面
を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）やＸ線回折によって観察
してみたが、電解運転前との違いをみつけることができ
なかった。このことから、上記電極は、その劣化が膜も
しくは粒界表面の微小領域において起こっていると思わ
れる。 【００１２】 【実施例】本発明による水蒸気電解方法の効果を確認す
るため、図１に示すような試験装置を用いて確認試験を
行った。以下にその試験を説明する。なお、図１は、そ
の試験装置の概略構成図である。 【００１３】図１に示すように、固体電解質１１を酸素
極１２および水素極１３で挟んだセル１０の上記酸素極
１２に酸化ガス１を送給する一方、上記水素極１３に燃
料ガス２を送給し、当該セル１０を電気炉１０１で所定
の温度に保持すると共に、当該セル１０に白金線を介し
て定電位／定電流電源装置１０２を接続し、電圧および
電流の制御および測定を行った。なお、試験条件は、以
下の通りである。 【００１４】［セル］ ＜固体電解質＞ ・材質：イットリア部分安定化ジルコニア ・直径：２３ｍｍ ・厚さ：５００μｍ ＜酸素極＞ ・材質：ストロンチウムドープランタンマンガネート ・有効面積：０．７９ｃｍ2 ・厚さ：２０μｍ ＜水素極＞ ・材質：ニッケル（７０wt％）とイットリア部分安定化
ジルコニア（３０wt％）とのサーメット ・有効面積０．７９ｃｍ2 ・厚さ：２０μｍ 【００１５】［供給ガス］ ＜酸化ガス＞ ・組成：空気 ＜燃料ガス＞ ・組成：水蒸気１２％，水素３．５％，窒素バランス 【００１６】［運転条件］ ・温度：１０００℃ ・通電電流：４５０ｍＡ／ｃｍ2 ・通電方法：１秒間に０．０５秒間で０．５Ｖの電圧を
逆向きに印加する。※なお、比較例として、電解電流を
連続的に通電した場合も行った。 【００１７】［試験結果］試験結果を表１に示す。 【００１８】 【表１】【００１９】表１からわかるように、初期の抵抗値
（２．１Ω／ｃｍ2 ）に対して、実施例では、５０時間
通電後および１００時間通電後でも抵抗値がほとんど変
わらない（２．２Ω／ｃｍ2 ）ものの、比較例では、５
０時間通電後および１００時間通電後には抵抗値が大き
く増加（２．４〜２．５Ω／ｃｍ2 ）してしまった。 【００２０】以上の結果から、電極の電気抵抗の増化を
抑えてセルの性能劣化を防止でき、電極の劣化を抑えな
がら水蒸気を電解できることが確認された。 【００２１】 【発明の効果】本発明による水蒸気電解方法は、固体電
解質を電極で挟んだセルに電圧を印加して水蒸気を電解
する水蒸気電解方法において、水蒸気電解の電圧印加時
に所定の間隔で当該印加電圧と逆方向に電圧を印加する
ことから、電極の不可逆な劣化の発生を未然に防止する
ことができるので、電極の電気抵抗の増化を抑えてセル
の性能劣化を防止することができ、電極の劣化を抑えな
がら水蒸気を電解することができる。このため、固体電
解質型燃料電池の運転に適用すれば、固体電解質型燃料
電池の正逆運転による電力の貯蔵や平準化を図ることが
できる。
関し、特に、固体電解質型燃料電池を逆作動して水素を
製造する場合に適用すると有効である。 【０００２】 【従来の技術】固体電解質型燃料電池は、騒音や振動が
小さく高効率であるため、種々の用途の発電システムと
して実用化が検討されている。固体電解質型燃料電池
は、固体電解質を電極で挟んだセルに水素と酸素とをそ
れぞれ供給して電気化学的に反応させることにより電気
エネルギを得るように運転される。ここで、電気エネル
ギの発生に伴って生じる水蒸気を電解する、すなわち、
逆作動させるように固体電解質型燃料電池を運転する
（セルに逆方向の電圧を印加する）と、当該水蒸気から
水素と酸素とを得ることができる。このため、固体電解
質型燃料電池を正逆運転させれば、電力の貯蔵や平準化
を図ることができる。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、固体電
解質型燃料電池を電解運転（逆作動）すると、発電運転
時と比べてセルの電極が早く劣化してしまい、実用化に
問題を生じていた。 【０００４】このようなことから、本発明は、電極の劣
化を抑えながら水蒸気を電解することができる水蒸気電
解方法を提供することを目的とした。 【０００５】 【課題を解決するための手段】前述した課題を解決する
ための、本発明による水蒸気電解方法は、固体電解質を
電極で挟んだセルに電圧を印加して水蒸気を電解する水
蒸気電解方法において、水蒸気電解の電圧印加時に所定
の間隔で当該印加電圧と逆方向に電圧を印加することを
特徴とする。 【０００６】 【発明の実施の形態】本発明による水蒸気電解方法の実
施の形態を説明する。本発明による水蒸気電解方法は、
固体電解質を電極で挟んだセルに電圧を印加して水蒸気
を電解する際に、水蒸気電解の電圧印加時に所定の間隔
で当該印加電圧と逆方向に電圧を印加する。これによ
り、電極の劣化を抑えながら水蒸気を電解することがで
きる。この理由を以下に説明する。 【０００７】固体電解質型燃料電池を電解運転すると、
水素ガスなどの還元雰囲気下にある電極（水素極）の還
元反応を促進させる方向に作用する電圧が当該水素極に
印加されると共に、酸素ガスなどの酸化雰囲気下にある
電極（酸素極）の酸化反応を促進させる方向に作用する
電圧が当該酸素極に印加されることから、これら電極が
早く劣化してしまい、当該電極の電気抵抗が増大してセ
ルの性能劣化につながると思われる。 【０００８】ところが、上記電極は、電解運転により電
気抵抗が徐々に増大している途中で発電運転に切り換え
られると、電気抵抗が直ちに小さくなり始めて当初の大
きさ近くにまで復元するようになる一方、電解運転によ
り電気抵抗が所定値を超えるほど増大してしまうと、発
電運転に切り換えられても、電気抵抗があまり小さくな
らず、当初の大きさ近くにまで回復しないことが判明し
た。つまり、上記電極は、電解運転により、まず、可逆
的な劣化が起こり、さらに電解運転することにより、不
可逆的な劣化が起こると考えられる。 【０００９】このため、電極が可逆的な劣化を起こして
いるだけのうちに当該電極に逆方向の電圧をパルス的に
印加すれば、当該電極の不可逆的な劣化の発生を未然に
防止することができる。 【００１０】したがって、電極の電気抵抗の増加を抑え
てセルの性能劣化を防止することができるので、電極の
劣化を抑えながら水蒸気を電解することができ、固体電
解質型燃料電池の正逆運転による電力の貯蔵や平準化を
図ることができる。 【００１１】なお、電解運転により劣化した電極の表面
を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）やＸ線回折によって観察
してみたが、電解運転前との違いをみつけることができ
なかった。このことから、上記電極は、その劣化が膜も
しくは粒界表面の微小領域において起こっていると思わ
れる。 【００１２】 【実施例】本発明による水蒸気電解方法の効果を確認す
るため、図１に示すような試験装置を用いて確認試験を
行った。以下にその試験を説明する。なお、図１は、そ
の試験装置の概略構成図である。 【００１３】図１に示すように、固体電解質１１を酸素
極１２および水素極１３で挟んだセル１０の上記酸素極
１２に酸化ガス１を送給する一方、上記水素極１３に燃
料ガス２を送給し、当該セル１０を電気炉１０１で所定
の温度に保持すると共に、当該セル１０に白金線を介し
て定電位／定電流電源装置１０２を接続し、電圧および
電流の制御および測定を行った。なお、試験条件は、以
下の通りである。 【００１４】［セル］ ＜固体電解質＞ ・材質：イットリア部分安定化ジルコニア ・直径：２３ｍｍ ・厚さ：５００μｍ ＜酸素極＞ ・材質：ストロンチウムドープランタンマンガネート ・有効面積：０．７９ｃｍ2 ・厚さ：２０μｍ ＜水素極＞ ・材質：ニッケル（７０wt％）とイットリア部分安定化
ジルコニア（３０wt％）とのサーメット ・有効面積０．７９ｃｍ2 ・厚さ：２０μｍ 【００１５】［供給ガス］ ＜酸化ガス＞ ・組成：空気 ＜燃料ガス＞ ・組成：水蒸気１２％，水素３．５％，窒素バランス 【００１６】［運転条件］ ・温度：１０００℃ ・通電電流：４５０ｍＡ／ｃｍ2 ・通電方法：１秒間に０．０５秒間で０．５Ｖの電圧を
逆向きに印加する。※なお、比較例として、電解電流を
連続的に通電した場合も行った。 【００１７】［試験結果］試験結果を表１に示す。 【００１８】 【表１】【００１９】表１からわかるように、初期の抵抗値
（２．１Ω／ｃｍ2 ）に対して、実施例では、５０時間
通電後および１００時間通電後でも抵抗値がほとんど変
わらない（２．２Ω／ｃｍ2 ）ものの、比較例では、５
０時間通電後および１００時間通電後には抵抗値が大き
く増加（２．４〜２．５Ω／ｃｍ2 ）してしまった。 【００２０】以上の結果から、電極の電気抵抗の増化を
抑えてセルの性能劣化を防止でき、電極の劣化を抑えな
がら水蒸気を電解できることが確認された。 【００２１】 【発明の効果】本発明による水蒸気電解方法は、固体電
解質を電極で挟んだセルに電圧を印加して水蒸気を電解
する水蒸気電解方法において、水蒸気電解の電圧印加時
に所定の間隔で当該印加電圧と逆方向に電圧を印加する
ことから、電極の不可逆な劣化の発生を未然に防止する
ことができるので、電極の電気抵抗の増化を抑えてセル
の性能劣化を防止することができ、電極の劣化を抑えな
がら水蒸気を電解することができる。このため、固体電
解質型燃料電池の運転に適用すれば、固体電解質型燃料
電池の正逆運転による電力の貯蔵や平準化を図ることが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による水蒸気電解方法の効果確認試験に
用いた試験装置の概略構成図である。 【符号の説明】 １ 酸化ガス ２ 燃料ガス １０ セル １１ 固体電解質 １２ 空気極 １３ 水素極 １０１ 電気炉 １０２ 定電位／定電流電源装置
用いた試験装置の概略構成図である。 【符号の説明】 １ 酸化ガス ２ 燃料ガス １０ セル １１ 固体電解質 １２ 空気極 １３ 水素極 １０１ 電気炉 １０２ 定電位／定電流電源装置
フロントページの続き
(72)発明者 武田 博幸
兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番
１号 三菱重工業株式会社 神戸造船所
内
(72)発明者 石原 伸夫
兵庫県高砂市荒井町新浜二丁目１番１号
三菱重工業株式会社 高砂研究所内
(72)発明者 松原 龍一
兵庫県高砂市荒井町新浜二丁目１番１号
三菱重工業株式会社 高砂研究所内
(72)発明者 宮本 均
兵庫県高砂市荒井町新浜二丁目１番１号
三菱重工業株式会社 高砂研究所内
(56)参考文献 特開 平５−125575（ＪＰ，Ａ)
特開 昭60−181286（ＪＰ，Ａ)
特開 平３−267389（ＪＰ，Ａ)
特開 平７−109592（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−115470（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
C25B 1/04
C25B 15/02 302
H01M 8/04
H01M 8/12
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 固体電解質を電極で挟んだセルに電圧を
印加して水蒸気を電解する水蒸気電解方法において、水
蒸気電解の電圧印加時に所定の間隔で当該印加電圧と逆
方向に電圧を印加することを特徴とする水蒸気電解方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32415497A JP3469071B2 (ja) | 1997-11-26 | 1997-11-26 | 水蒸気電解方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32415497A JP3469071B2 (ja) | 1997-11-26 | 1997-11-26 | 水蒸気電解方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11158673A JPH11158673A (ja) | 1999-06-15 |
| JP3469071B2 true JP3469071B2 (ja) | 2003-11-25 |
Family
ID=18162739
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32415497A Expired - Fee Related JP3469071B2 (ja) | 1997-11-26 | 1997-11-26 | 水蒸気電解方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3469071B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4832982B2 (ja) * | 2006-07-31 | 2011-12-07 | 東京瓦斯株式会社 | 固体酸化物形燃料電池のアノード還元法 |
| JP5465165B2 (ja) * | 2010-12-20 | 2014-04-09 | 三菱電機株式会社 | 酸化物半導体中の金属成分の回収方法およびその装置 |
| JP6888918B2 (ja) * | 2016-03-31 | 2021-06-18 | 行政院原子能委員會核能研究所 | 固体酸化物型電解質燃料電池試験装置 |
| JP6888602B2 (ja) * | 2018-11-23 | 2021-06-16 | 株式会社豊田中央研究所 | 水電解システム |
-
1997
- 1997-11-26 JP JP32415497A patent/JP3469071B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11158673A (ja) | 1999-06-15 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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