JP6202784B2 - Hydrogen production equipment - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、水素製造装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to a hydrogen production apparatus.
固体電解質燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell : SOFC)は、通常600〜1000℃前後の運転条件においてイオン導電性(酸素イオンもしくは水素イオン)を有する電解質膜を介して、還元剤(水素もしくは炭化水素など)と酸化剤(酸素など)とを反応(燃料電池反応)させ、そのエネルギーを電気として取り出す装置である。 Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) is a reducing agent (hydrogen or hydrocarbon, etc.) through an electrolyte membrane having ionic conductivity (oxygen ions or hydrogen ions) under an operating condition of about 600 to 1000 ° C. ) And an oxidizing agent (such as oxygen) react (fuel cell reaction) and take out the energy as electricity.
一方、固体電解質電解セル(Solid Oxide Electrolysis Cell : SOEC)は、SOFCの逆反応を動作原理とし、イオン導電性を有する電解質膜を介して、高温の水蒸気を電気分解することにより水素と酸素とを得る装置である。 On the other hand, Solid Oxide Electrolysis Cell (SOEC) uses the reverse reaction of SOFC as the principle of operation, and electrolyzes high-temperature water vapor through an electrolyte membrane having ionic conductivity, thereby converting hydrogen and oxygen. It is a device to obtain.
上記電気化学セルをSOFCとして機能させる場合、その燃料極には水素を含む還元性のガスを供給することになるが、上記電気化学セルをSOECとして機能させる場合は、上記燃料極に相当する水素極には水蒸気を含む酸化性のガスが供給される。 When the electrochemical cell functions as an SOFC, a reducing gas containing hydrogen is supplied to the fuel electrode. When the electrochemical cell functions as an SOEC, hydrogen corresponding to the fuel electrode is supplied. An oxidizing gas containing water vapor is supplied to the electrode.
このため、上記電気化学セルをSOECとして長期間使用した場合は、水素極を構成するニッケル等の金属が酸化されて触媒活性を失うことになってしまう。 For this reason, when the electrochemical cell is used as SOEC for a long period of time, a metal such as nickel constituting the hydrogen electrode is oxidized and the catalytic activity is lost.
このような問題に鑑み、サマリアドープセリア(SDC)の骨格を形成後に液滴浸透によりNiを分散させる特殊な製造手法が開示されているが、電解質支持型が主なセル構造であるため、液滴浸透は可能であるが、水素極側に支持体を設けているので、支持体部分にNi含有液滴が留まったりし、Niを均等に電解質近傍の水素極内に効果的かつ均一に分散させることは困難である。したがって、上述した問題を解決することはできない。 In view of such problems, a special manufacturing method is disclosed in which Ni is dispersed by droplet penetration after formation of a samaritan-doped ceria (SDC) skeleton. However, since the electrolyte support type is the main cell structure, Although droplet permeation is possible, since a support is provided on the hydrogen electrode side, Ni-containing droplets remain on the support, and Ni is evenly and effectively dispersed uniformly in the hydrogen electrode near the electrolyte. It is difficult to make it. Therefore, the above-described problem cannot be solved.
本発明が解決しようとする課題は、電解反応に起因した水素極の触媒機能の劣化を抑制し、長期に亘って高い電解反応効率を維持することが可能な水素製造装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide, to suppress deterioration of catalytic function of the hydrogen electrode due to electrolysis reaction, to provide a hydrogen producing device capable of maintaining a high electrolytic reaction efficiency for a long period of time is there.
実施形態の水素製造装置は、電気化学セルを用い、水蒸気の電解反応により水素を製造する水素製造装置である。電気化学セルは、電気的に絶縁性であって、酸素イオン導電性を呈する電解質膜と、電解質膜の一方の主面側に形成された酸素極と、電解質膜の他方の主面側に形成され、金属ニッケル及びセリウムを含む金属酸化物からなる水素極とを具える。金属ニッケルは、セリウムを含む金属酸化物からなる粒子中に分散されている。金属酸化物は、イットリウム、ランタン、サマリウム、及びガドリニウムからなる群より選ばれる少なくとも一種を固溶している。金属ニッケルの量は、金属ニッケル及び金属酸化物の全量に対して40質量%よりも大きく60質量%よりも小さい。 The hydrogen production apparatus of the embodiment is a hydrogen production apparatus that produces hydrogen by an electrolysis reaction of water vapor using an electrochemical cell. The electrochemical cell is electrically insulating and has an oxygen ion conductive electrolyte membrane, an oxygen electrode formed on one main surface side of the electrolyte membrane, and formed on the other main surface side of the electrolyte membrane. And a hydrogen electrode made of a metal oxide containing metallic nickel and cerium. Metallic nickel is dispersed in particles made of a metal oxide containing cerium. The metal oxide is a solid solution of at least one selected from the group consisting of yttrium, lanthanum, samarium, and gadolinium. The amount of metallic nickel is larger than 40% by mass and smaller than 60% by mass with respect to the total amount of metallic nickel and metal oxide.
本発明によれば、電解反応に起因した水素極の触媒機能の劣化を抑制し、長期に亘って高い電解反応効率を維持することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, deterioration of the catalyst function of the hydrogen electrode resulting from an electrolytic reaction can be suppressed, and high electrolytic reaction efficiency can be maintained over a long period of time.
(第1の実施形態)
図1は、本実施形態における電気化学セルの概略構成を示す断面図である。
図1に示す電気化学セル10は、電気的に絶縁性であって、電子絶縁性と酸素イオン導電性を呈する電解質膜11と、この電解質膜11の一方の主面11A側に形成された酸素極12と、電解質膜11の他方の主面11B側に形成された水素極13とを含む。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an electrochemical cell in the present embodiment.
An
電解質膜11は、例えば安定化ジルコニアから構成することができる。この場合、安定化剤としては、Y2O3、Sc2O3、Yb2O3、Gd2O3、Nd2O3、CaO、MgOなどを挙げることができる。また、安定化ジルコニアに代えて、LaSrGaMg酸化物、LaSrGaMgCo酸化物、LaSrGaMgCoFe酸化物、LaSrGaMgCoFe酸化物などのペロブスカイト型酸化物から構成することもできる。さらに、CeO2にSm2O3、Gd2O3、Y2O3、La2O3などを固溶させたセリア系電解質固溶体を用いることもできる。但し、電解質膜11は、これらの材料に限定されるものではなく、これら以外の材料から構成してもかまわない。
The
なお、電解質膜11の厚さは、目的に応じて任意に設定することができるが、例えば0.001mm〜1mmの範囲とすることができる。また、電解質膜11は、主として酸素イオンのみを伝導させ、ガスを透過させないことから、一般に稠密な構造を呈する。
In addition, although the thickness of the
酸素極12は、LaSrMn酸化物(以下、LSM)、LaSrCo酸化物(以下、LSC)、LaSrCoFe酸化物(以下、LSCF)、LaSrFe酸化物(以下、LSF)、LaSrMnCo酸化物(以下、LSMC)、LaSrMnCr酸化物(以下、LSMC)、LaCoMn酸化物(以下、LCM)、LaSrCu酸化物(以下、LSC)、LaSrFeNi酸化物(以下、LSFN)、LaNiFe酸化物(以下、LNF)、LaBaCo酸化物(以下、LBC)、LaNiCo酸化物(以下、LNC)、LaSrAlFe酸化物(以下、LSAF)、LaSrCoNiCu酸化物(以下、LSCNC)、LaSr-FeNiCu酸化物(以下、LSFNC)、LaNi酸化物(以下、LN)、GdSrCo酸化物(以下、GSC)、GdSrMn酸化物(以下、GSM)、PrCaMn酸化物(以下、PCaM)、PrSrMn酸化物(以下、PSM)、PrBaCo酸化物(以下、PBC)、SmSrCo酸化物(以下、SSC)、NdSmCo酸化物(以下、NSC)、BiSrCaCu酸化物(以下、BSCC)、BaLaFeCo酸化物(以下、BLFC)、BaSrFeCo酸化物(以下、BSFC)、YSrFeCo酸化物(以下、YLFC)、YCuCoFe酸化物(以下、YCCF)、YBaCu酸化物(以下、YBC)などの電子−イオン混合伝導性を有する材料から構成することもできる。 The oxygen electrode 12 includes a LaSrMn oxide (hereinafter, LSM), a LaSrCo oxide (hereinafter, LSC), a LaSrCoFe oxide (hereinafter, LSCF), a LaSrFe oxide (hereinafter, LSF), a LaSrMnCo oxide (hereinafter, LSMC), LaSrMnCr oxide (hereinafter LSMC), LaCoMn oxide (hereinafter LCM), LaSrCu oxide (hereinafter LSC), LaSrFeNi oxide (hereinafter LSFN), LaNiFe oxide (hereinafter LNF), LaBaCo oxide (hereinafter hereafter) LBC), LaNiCo oxide (hereinafter LNC), LaSrAlFe oxide (hereinafter LSAF), LaSrCoNiCu oxide (hereinafter LSCNC), LaSr-FeNiCu oxide (hereinafter LSFNC), LaNi oxide (hereinafter LN) GdSrCo oxide (hereinafter referred to as G SC), GdSrMn oxide (hereinafter GSM), PrCaMn oxide (hereinafter PCaM), PrSrMn oxide (hereinafter PSM), PrBaCo oxide (hereinafter PBC), SmSrCo oxide (hereinafter SSC), NdSmCo oxidation (Hereinafter referred to as NSC), BiSrCaCu oxide (hereinafter referred to as BSCC), BaLaFeCo oxide (hereinafter referred to as BLFC), BaSrFeCo oxide (hereinafter referred to as BSFC), YSrFeCo oxide (hereinafter referred to as YLFC), YCuCoFe oxide (hereinafter referred to as YCCF) ), YBaCu oxide (hereinafter referred to as YBC), or other materials having electron-ion mixed conductivity.
この場合、酸素極12が電子導電性及び酸化物イオン導電性を有するようになるので、酸素極12における酸素イオンの電気化学反応が促進され、効率良く酸素を生成することができる。すなわち、固体電解質電解セル(SOEC)として使用した場合の生成電流、すなわち酸素及び水素の生成量をより向上させることができる。 In this case, since the oxygen electrode 12 has electronic conductivity and oxide ion conductivity, the electrochemical reaction of oxygen ions at the oxygen electrode 12 is promoted, and oxygen can be generated efficiently. That is, the generation current, that is, the generation amount of oxygen and hydrogen when used as a solid electrolyte electrolytic cell (SOEC) can be further improved.
なお、上述した電子−イオン混合伝導性を有する材料を用いる場合は、組成比などは問わない。また、安定化ジルコニアやセリア系電解質固溶体の混合体でもかまわない。さらに、上述した電子―イオン混合導電性材料には、例えば、Pt、Ru、Au、Ag、Pdなどの金属成分を添加し、上述した電子伝導性及び酸化物イオン導電性を向上させることにより、酸素及び水素の生成量を効率的により増大させることができる。 In addition, when using the material which has the electron-ion mixed conductivity mentioned above, a composition ratio etc. do not ask | require. Further, a mixture of stabilized zirconia or ceria-based electrolyte solid solution may be used. Further, for example, by adding a metal component such as Pt, Ru, Au, Ag, Pd to the above-described electron-ion mixed conductive material, the above-described electron conductivity and oxide ion conductivity are improved. Oxygen and hydrogen production can be increased more efficiently.
酸素極12は、電気化学セル10をSOECとして使用する場合は、生成した酸素を効率よく取り出すために、一般には多孔質体として形成する。酸素極12の厚さは、目的に応じて任意に設定することができるが、例えば0.001mm〜1mmの範囲とすることができる。
When the
水素極13は、金属ニッケル及びセリウムを含む金属酸化物から構成する。この場合、金属ニッケルは電子伝導性及び酸化物イオン導電性を有し、水素極13の触媒として機能するので、供給された水蒸気が電子を取り込むことによって水素と酸素イオンとを生成するようになる。当該酸素イオンは固体電解質11中を伝導した後に酸素極12に至り、上述したように、当該酸素極12における電気化学反応を通じて酸素となる。
The
また、水素極13は金属ニッケルに加えてセリウムを含む金属酸化物をも有するが、このセリウム酸化物は電子伝導性及び酸化物イオン導電性を有し、水素極13の触媒として機能するようになる。したがって、供給された水蒸気が電子を取り込むことによって水素と酸素イオンとを生成するようになる。なお、生成した酸素イオンは上述のように酸素極12において酸素に転換される。
The
このように、水素極13は、本来的に触媒として機能する金属ニッケルの他に、補助的に触媒として機能するセリウムの金属酸化物を含むので、金属ニッケル自体の触媒としての機能が上記金属酸化物の存在によって軽減されることになる。また、セリウム酸化物を用いることによって、このセリウム酸化物が電子導電及び酸素イオン導電の両方を担うので、電子伝導パスが切れにくくなる。したがって、供給される水蒸気の影響が上記金属酸化物の存在によって軽減されるので、当該水蒸気による金属ニッケルの酸化が抑制及び電子伝導パスを確保することができるようになる。この結果、長期に亘って水素極13の触媒機能の劣化を抑制し、長期に亘って高い電解反応効率を維持することが可能な電気化学セル10を提供することができる。
Thus, since the
なお、水素極13を構成する金属ニッケルは、水素極13を形成した当初はセリウムを含む金属酸化物等や水素極13の形成方法の影響により酸化ニッケルの状態で存在する。しかしながら、電気化学セル10をSOECとして使用する際の運転条件、例えば600〜900℃の温度において、必要に応じて水素などの還元性ガスを供給することにより、酸化ニッケルは金属ニッケルに還元されるようになる。
In addition, the metallic nickel which comprises the
また、水素極13における金属ニッケル量は、金属ニッケル及び金属酸化物の全量に対して40質量%より大きく60質量%より小さいことが好ましい。
Moreover, it is preferable that the amount of metallic nickel in the
一般に、SOECとして実用する電気化学セルにおいては、当該セルを1000時間運転した後のセル電圧、すなわち供給される水蒸気から水素及び酸素を生成するために必要な、電気化学セル10に対する印加電圧の変化率が1%以下であることが求められている。しかしながら、水素極13における金属ニッケル量が60質量%以上であると、上述したセル電圧の1000時間後の変化率が1%を超えてしまい、実用に適さない場合がある。これは、水素極13における金属ニッケル量が60質量%以上である場合、上述したセリウム含有金属酸化物におけるセリウムの触媒としての機能が、金属ニッケルの触媒としての機能を十分に補うことができず、金属ニッケルの酸化の影響が比較的顕著に出現してしまうためと考えられる。
In general, in an electrochemical cell that is practically used as an SOEC, a cell voltage after the cell has been operated for 1000 hours, that is, a change in applied voltage to the
水素極13における金属ニッケルの量が40質量%以下の場合は、金属ニッケルの本来的な量が少なく、セル電圧の1000時間後の変化率が1%以内であっても、上記セル電圧が増大してしまう。すなわち、水蒸気の電解電圧が上昇してしまうので、水蒸気の電解に多大のエネルギーを使用することになり、好ましくない。
When the amount of metallic nickel at the
なお、上記セリウム含有金属酸化物には、イットリウム、ランタン、サマリウム、及びガドリニウムからなる群より選ばれる少なくとも一つの金属が固溶していることが好ましい。このような固溶体は電子−イオン導電性を呈し、上述したセリウムの触媒としての機能を損なわず、また、電気化学セル10を運転温度である600〜900℃程度の温度においても、構造的に安定であって十分な強度を有する。したがって、水素極13、すなわち電気化学セル10の長期信頼性を高めることができる。
Note that the cerium-containing metal oxides, yttrium, lanthanum, samarium, and that at least one metal selected from the group consisting of Gadori two um is dissolved preferable. Such a solid solution exhibits electron-ion conductivity, does not impair the above-described function of cerium as a catalyst, and is structurally stable even when the
また、水素極13において、金属ニッケル及び前記金属酸化物は、製造時の原料粉末(還元処理前において)において、前記ニッケル及び前記セリウムの複合金属酸化物粒子として存在することが好ましい。この複合金属酸化物粒子は、セリウム金属酸化物粒子中にニッケル金属酸化物粒子が分散したような形態や、ニッケル金属酸化物粒子中にセリウム金属酸化物粒子が分散したような形態や、ニッケルがセリウム金属酸化物粒子中に分散したような形態や、ニッケル及びセリウムが金属酸化物中に分散したような粒子等の形態を意味する。すなわち、セリウム金属酸化物の表面に金属ニッケルが付着したような開放系の状態ではなく、ニッケル及びセリウムの少なくとも一方が、金属酸化物中に拘束されたような形態を意味する。
In the
酸化ニッケル粒子及びセリウム金属酸化物粒子を混合して用いた水素極13を含む電気化学セル10を、SOECとして長時間使用したような場合においては、水素極13を構成する金属ニッケル同士が結合して粒成長してしまい、金属ニッケルの表面積減少に伴って触媒活性が劣化してしまう場合がある。
When the
しかしながら、上述のように、ニッケルがセリウム金属酸化物粒子中に分散したような形態等の場合は、製造時において焼成を実施した場合に、金属ニッケルの粒成長がセリウム金属酸化物によって抑制されるので、上述のような不都合を生じることがない。したがって、金属ニッケルの触媒活性を劣化させることがない。 However, as described above, when nickel is dispersed in the cerium metal oxide particles, the grain growth of the metal nickel is suppressed by the cerium metal oxide when firing is performed at the time of manufacture. Therefore, the inconvenience as described above does not occur. Therefore, the catalytic activity of metallic nickel is not deteriorated.
なお、上述した複合金属酸化物粒子は、例えば固相反応法、共沈法、メカノケミカル法、噴霧熱分解法などの方法によって形成することができる。 The composite metal oxide particles described above can be formed by a method such as a solid phase reaction method, a coprecipitation method, a mechanochemical method, or a spray pyrolysis method.
水素極13は、電気化学セル10をSOECとして使用する場合は、供給する水蒸気を効率よく金属ニッケル等と接触させるべく、一般には多孔質体として形成する。水素極13の厚さは、目的に応じて任意に設定することができるが、例えば5μm〜100μmとすることができる。
When the
以上説明したように、本実施形態によれば、電解反応に起因した水素極の触媒機能の劣化を抑制し、長期に亘って高い電解反応効率を維持することができる。 As described above, according to the present embodiment, deterioration of the catalytic function of the hydrogen electrode due to the electrolytic reaction can be suppressed, and high electrolytic reaction efficiency can be maintained over a long period of time.
(第2の実施形態)
図2は、本実施形態における電気化学セルの概略構成を示す断面図である。なお、図1に示す電気化学セル10と類似あるいは同一の構成要素については同一の符号を用いている。
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the electrochemical cell in the present embodiment. In addition, the same code | symbol is used about the same or same component as the
本実施形態の電気化学セル20においては、水素極13上に支持材21を配設している点で、図1に示す第1の実施形態の電気化学セル10と相違し、その他の点においては同様の構成を採っている。
The
支持体21は多孔質であって、水素極13に供給した水蒸気が水素極13を構成する金属ニッケル及びセリウム含有金属酸化物に到達するように構成されている。なお、酸素イオンは、第1の実施形態で説明したように、酸素極12における電気化学反応を通じて酸素に変換される。
The support 21 is porous and is configured such that the water vapor supplied to the
また、支持体21を配設することにより、電解質膜11の厚さを低減することができる。電解質膜11の厚さが大きいと、電解質膜11中を酸素イオンが伝導するのに長時間を要するためイオン導電抵抗が増大するが、電解質膜11の厚さが小さいと、上記イオン導電抵抗を小さくすることができる。
Moreover, the thickness of the
支持体21は、酸素極12及び水素極13間に所定の電圧を負荷できるように、少なくとも電子伝導性を有する材料から構成することが必要であり、例えば金属焼結体、金属発泡体、金属繊維体、導電性を有するセラミック焼結体から構成することができ、その多孔率は、例えば成形体を形成する際の成形圧力、及び焼結時の焼結温度、気孔形成材の種類等に起因する。特に、電子−イオン混合導電性のセラミック材料から構成することにより、水素極13側の三相界面の量が増大することとなる。したがって、水素極13における電気化学反応が促進され、電気化学セル20の出力特性を向上させることができる。具体的には、Sm2O3ドープCeO2,Gd2O3ドープCeO2,及びY2O3ドープCeO2からなる群より選ばれる少なくとも一種から構成することができる。また、上述した多孔質の支持体21に対してめっき等を施すことにより、導電性を付与することもできる。
The support 21 needs to be made of a material having at least electronic conductivity so that a predetermined voltage can be applied between the oxygen electrode 12 and the
支持体21の厚さは、例えば100μm以上1000μm以下とすることができる。支持体21の厚さが100μmよりも小さいと、支持体21の強度が十分でなく、電気化学セル10の強度が劣化する。一方、支持体21の厚さが1000μmよりも大きくなると、イオン導電抵抗が増大してしまう。
The thickness of the support 21 can be, for example, 100 μm or more and 1000 μm or less. If the thickness of the support 21 is smaller than 100 μm, the strength of the support 21 is not sufficient, and the strength of the
また、支持体21の気孔率は30%より大きく、50%より小さいことが好ましい。この場合、1000時間運転した後のセル電圧、すなわち供給される水蒸気から水素及び酸素を生成するために必要な、電気化学セル20に対する印加電圧の変化率を1%以下の実用的な範囲に収めることができる。これは、支持体21の気孔率が30%以下であると、水素極13に供給される水蒸気の量が少なく、水素極13を構成する金属ニッケル等が水蒸気以外の他の要因で酸化されてしまい、その触媒機能を奏することができなくなってしまい、支持体21の気孔率が50%以上であると、水素極13に供給される水蒸気の量が多くなりすぎ、金属ニッケルの触媒機能の低下をセリウムによって補うことができなくなるためと考えられる。
The porosity of the support 21 is preferably larger than 30% and smaller than 50%. In this case, the cell voltage after 1000 hours of operation, that is, the rate of change of the applied voltage to the
なお、支持体21の気孔率は、水蒸気の供給抵抗が支持体21で大きくなりすぎ、水素極13に供給されなくなるのを防止すべく、水素極13の気孔率よりも大きくする。
The porosity of the support 21 is made larger than the porosity of the
本実施形態においても、第1の実施形態と同様に、水素極13を金属ニッケル及びセリウムを含む金属酸化物から構成しているので、電解反応に起因した水素極の触媒機能の劣化を抑制し、長期に亘って高い電解反応効率を維持することが可能な電気化学セル20を提供することができる。
Also in this embodiment, as in the first embodiment, since the
なお、その他の構成、特徴及び作用効果については第1の実施形態の電気化学セル10と同様であるので、説明を省略する。
In addition, since it is the same as that of the
(実施例1)
本実施例では、図2に示すような構成の電気化学セル20を作製した。
電解質膜11は、厚さ10μmのスカンジア安定化ジルコニアを用い、酸素極12には、厚さ20μm〜40μmのランタン・ストロンチウム・コバルト・鉄の複合酸化物を用い、水素極13には、厚さ25μm〜35μmのNi−GDC(CeO2とGd2O3の固溶体:金属ニッケル含有率55質量%))を用いた。また、支持体21も、同じく厚さ0.5mm〜1mmのNi−GDCを用いた。
Example 1
In this example, an
The
このようにして得た電極セル20の運転温度を800℃に設定し、水素極13に水蒸気と水素(水蒸気:水素=50:50)の混合気体を供給し、水蒸気の電解運転を行った。結果を図3に示す。
The operation temperature of the
なお、比較のために、水素極13を厚さ25μm〜35μmのNiとイットリア安定化ジルコニアとから構成して得た電気化学セルの水蒸気の電解運転を行った結果を図3に示す。
For comparison, FIG. 3 shows the result of the electrolysis operation of water vapor in an electrochemical cell obtained by forming the
図3から明らかなように、水素極13を厚さ25μm〜35μmのNi−GDCから構成した場合、1500時間経過後においても、セル電圧、すなわち水蒸気の電解電圧の変動は1%未満であり、水素極13の金属ニッケルの酸化がGDCのセリウムによって抑制され、長期に亘って水素極の触媒機能の劣化を抑制し、高い電解反応効率を維持できることが分かる。
As is clear from FIG. 3, when the
一方、水素極13を厚さ25μm〜35μmのNiとイットリア安定化ジルコニアとから構成して得た電気化学セルにおいては、運転開始からセル電圧、すなわち水蒸気の電解電圧が上昇し、300時間経過後において約1.5倍にまで上昇して、その後、運転不可能となった。すなわち、水素極13の金属ニッケルの酸化がほとんど抑制されず、水素極の触媒機能の劣化が直ちに進行して電解反応効率を維持できないことが判明した。
On the other hand, in an electrochemical cell obtained by forming the
(実施例2)
本実施例では、実施例1において、水素極13を構成する金属ニッケルの割合を40質量%、55質量%、60質量%及び65質量%と変化させ、同様の条件で水蒸気の電解運転を行った。結果を図4に示す。
(Example 2)
In this example, the ratio of metallic nickel constituting the
図4から明らかなように、水素極13における金属ニッケルの割合によってセル電圧、すなわち電解電圧が変化するものの、金属ニッケルの割合が40質量%及び55質量%の場合は、1000時間の運転の後もセル電圧、すなわち水蒸気の電解電圧の変動は1%未満である一方、金属ニッケルの割合が60質量%及び65質量%の場合は、電解電圧の変動が10%を超えていることが分かる。
As can be seen from FIG. 4, the cell voltage, that is, the electrolysis voltage changes depending on the proportion of metallic nickel in the
一方、金属ニッケルの割合が40質量%の場合は、電解電圧の変動は小さいが、金属ニッケルの量が少ないためにセル電圧、すなわち電解電圧が増大していることが分かる。 On the other hand, when the ratio of the metallic nickel is 40% by mass, the variation in the electrolysis voltage is small, but the cell voltage, that is, the electrolysis voltage is increased because the amount of metallic nickel is small.
したがって、本実施例より、水素極13中に占める金属ニッケルの割合は、40質量%よりも大きく、60質量%より小さいことが好ましいことが分かる。
Therefore, it can be seen from this example that the proportion of metallic nickel in the
(実施例3)
本実施例では、実施例1において、支持体21の気孔率を30%、35%、40%、45%及び50%と変化させ、同様の条件で水蒸気の電解運転を行った。結果を表1に示す。
(Example 3)
In this example, in Example 1, the porosity of the support 21 was changed to 30%, 35%, 40%, 45%, and 50%, and water vapor electrolysis was performed under the same conditions. The results are shown in Table 1.
表1から明らかなように、支持体21の気孔率が35%、40%及び45%の場合は、1000時間の運転の後もセル電圧、すなわち水蒸気の電解電圧の変動は1%未満である一方、支持体21の気孔率が30%及び50%の場合は、電解電圧の変動が1%を超えていることが分かる。したがって、支持体21の気孔率が30%より大きく、50%より小さいことが好ましい。 As is apparent from Table 1, when the porosity of the support 21 is 35%, 40% and 45%, the cell voltage, that is, the fluctuation of the electrolysis voltage of water vapor is less than 1% even after 1000 hours of operation. On the other hand, when the porosity of the support 21 is 30% and 50%, it can be seen that the fluctuation of the electrolysis voltage exceeds 1%. Therefore, the porosity of the support 21 is preferably larger than 30% and smaller than 50%.
以上、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掲示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更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ともに、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。 As mentioned above, although several embodiment of this invention was described, these embodiment was posted as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
10,20 電気化学セル
11 電解質膜
12 酸素極
13 水素極
21 支持体
10, 20
Claims (5)
前記電解質膜の一方の主面側に形成された酸素極と、
前記電解質膜の他方の主面側に形成され、金属ニッケル及びセリウムを含む金属酸化物からなる水素極と、
を具える電気化学セルを用い、水蒸気の電解反応により水素を製造する水素製造装置であって、
前記金属ニッケルは、前記セリウムを含む金属酸化物からなる粒子中に分散され、
前記金属酸化物は、イットリウム、ランタン、サマリウム、及びガドリニウムからなる群より選ばれる少なくとも一種を固溶しており、
前記金属ニッケルの量が、前記金属ニッケル及び前記金属酸化物の全量に対して40質量%よりも大きく60質量%よりも小さいことを特徴とする水素製造装置。 An electrolyte membrane that is electrically insulating and exhibits oxygen ion conductivity;
An oxygen electrode formed on one main surface side of the electrolyte membrane;
A hydrogen electrode formed on the other main surface side of the electrolyte membrane and made of a metal oxide containing metallic nickel and cerium;
Using an electrochemical cell Ru comprising a a hydrogen production apparatus for producing hydrogen by electrolysis reaction of water vapor,
The metallic nickel is dispersed in particles made of the metal oxide containing cerium,
The metal oxide is a solid solution of at least one selected from the group consisting of yttrium, lanthanum, samarium, and gadolinium ,
The amount of the said metallic nickel is larger than 40 mass% with respect to the whole quantity of the said metallic nickel and the said metal oxide, and smaller than 60 mass%, The hydrogen production apparatus characterized by the above-mentioned .
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