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.

特開2006−283103号JP 2006-283103 A

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の実施形態における電気化学セルの概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the electrochemical cell in 1st Embodiment. 第2の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。It is sectional drawing which shows schematic structure of the electrochemical cell in 2nd Embodiment. 実施例における電気化学セルの運転時間とセル電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the operation time of the electrochemical cell in an Example, and cell voltage. 実施例における電気化学セルの運転時間とセル電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the operation time of the electrochemical cell in an Example, and cell voltage.

(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 electrochemical cell 10 shown in FIG. 1 is electrically insulative and has an electrolyte film 11 exhibiting electronic insulation and oxygen ion conductivity, and oxygen formed on one main surface 11A side of the electrolyte film 11. The electrode 12 includes a hydrogen electrode 13 formed on the other main surface 11B side of the electrolyte membrane 11.

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、Y、Sc、Yb、Gd、Nd、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、CeOにSm、Gd、Y、La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 electrolyte membrane 11 can be composed of, for example, stabilized zirconia. In this case, examples of the stabilizer include Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Nd 2 O 3 , CaO, and MgO. Moreover, it can replace with stabilized zirconia and can also comprise perovskite type oxides, such as LaSrGaMg oxide, LaSrGaMgCo oxide, LaSrGaMgCoFe oxide, LaSrGaMgCoFe oxide. Furthermore, a ceria-based electrolyte solid solution in which Sm 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , La 2 O 3 and the like are dissolved in CeO 2 can also be used. However, the electrolyte membrane 11 is not limited to these materials, and may be composed of other materials.

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 electrolyte membrane 11 can be arbitrarily set according to the objective, it can be set as the range of 0.001 mm-1 mm, for example. Further, the electrolyte membrane 11 generally has a dense structure because it mainly conducts only oxygen ions and does not allow gas to pass therethrough.

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 electrochemical cell 10 is used as a SOEC, the oxygen electrode 12 is generally formed as a porous body in order to take out the generated oxygen efficiently. Although the thickness of the oxygen electrode 12 can be arbitrarily set according to the purpose, it can be in a range of, for example, 0.001 mm to 1 mm.

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 hydrogen electrode 13 is composed of a metal oxide containing metallic nickel and cerium. In this case, metallic nickel has electron conductivity and oxide ion conductivity, and functions as a catalyst for the hydrogen electrode 13, so that the supplied water vapor generates hydrogen and oxygen ions by taking in electrons. . The oxygen ions reach the oxygen electrode 12 after being conducted through the solid electrolyte 11 and become oxygen through an electrochemical reaction in the oxygen electrode 12 as described above.

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 hydrogen electrode 13 also has a metal oxide containing cerium in addition to the metal nickel. The cerium oxide has electron conductivity and oxide ion conductivity so that it functions as a catalyst for the hydrogen electrode 13. Become. Therefore, the supplied water vapor takes in electrons to generate hydrogen and oxygen ions. The generated oxygen ions are converted into oxygen at the oxygen electrode 12 as described above.

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 hydrogen electrode 13 contains the metal oxide of cerium which functions as a catalyst in addition to the metal nickel which originally functions as a catalyst, the function of the metal nickel itself as a catalyst is the above metal oxide. It will be alleviated by the presence of things. Further, by using cerium oxide, this cerium oxide is responsible for both electronic conduction and oxygen ion conduction, so that the electron conduction path is hardly cut off. Therefore, since the influence of the supplied water vapor is reduced by the presence of the metal oxide, the oxidation of the metal nickel by the water vapor can be suppressed and the electron conduction path can be secured. As a result, it is possible to provide the electrochemical cell 10 capable of suppressing deterioration of the catalytic function of the hydrogen electrode 13 over a long period of time and maintaining a high electrolytic reaction efficiency over a long period of time.

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 hydrogen electrode 13 exists in the state of nickel oxide by the influence of the formation method of the metal oxide containing cerium etc. or the hydrogen electrode 13 at the time of forming the hydrogen electrode 13. However, nickel oxide is reduced to metallic nickel by supplying a reducing gas such as hydrogen as necessary under operating conditions when the electrochemical cell 10 is used as an SOEC, for example, at a temperature of 600 to 900 ° C. It becomes like this.

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 hydrogen electrode 13 is larger than 40 mass% and smaller than 60 mass% with respect to the whole quantity of metallic nickel and a metal oxide.

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 electrochemical cell 10 necessary for generating hydrogen and oxygen from supplied water vapor. The rate is required to be 1% or less. However, if the amount of metallic nickel in the hydrogen electrode 13 is 60% by mass or more, the rate of change of the cell voltage after 1000 hours exceeds 1%, which may not be suitable for practical use. This is because, when the amount of metallic nickel in the hydrogen electrode 13 is 60% by mass or more, the function of cerium in the cerium-containing metal oxide described above cannot sufficiently supplement the function of metallic nickel as a catalyst. It is considered that the influence of the oxidation of metallic nickel appears relatively remarkably.

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 hydrogen electrode 13 is 40% by mass or less, the original amount of metallic nickel is small, and the cell voltage increases even when the rate of change of the cell voltage after 1000 hours is within 1%. Resulting in. That is, since the electrolysis voltage of water vapor increases, a large amount of energy is used for electrolysis of water vapor, which is not preferable.

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、及びガドリウムからなる群より選ばれる少なくとも一つの金属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 electrochemical cell 10 is operated at a temperature of about 600 to 900 ° C. And sufficient strength. Therefore, the long-term reliability of the hydrogen electrode 13, that is, the electrochemical cell 10 can be enhanced.

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 hydrogen electrode 13, it is preferable that the metal nickel and the metal oxide exist as composite metal oxide particles of the nickel and the cerium in the raw material powder at the time of manufacture (before the reduction treatment). This composite metal oxide particle has a form in which nickel metal oxide particles are dispersed in cerium metal oxide particles, a form in which cerium metal oxide particles are dispersed in nickel metal oxide particles, or nickel. It means a form in which cerium metal oxide particles are dispersed or a form in which nickel and cerium are dispersed in metal oxides. That is, it is not an open system state in which metallic nickel adheres to the surface of the cerium metal oxide, but means a form in which at least one of nickel and cerium is constrained in the metal oxide.

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 electrochemical cell 10 including the hydrogen electrode 13 using a mixture of nickel oxide particles and cerium metal oxide particles is used as a SOEC for a long time, the metal nickel constituting the hydrogen electrode 13 is bonded to each other. Grain growth may occur, and the catalytic activity may deteriorate as the surface area of the metallic nickel decreases.

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 electrochemical cell 10 is used as an SOEC, the hydrogen electrode 13 is generally formed as a porous body so that the supplied water vapor can be efficiently brought into contact with metallic nickel or the like. Although the thickness of the hydrogen electrode 13 can be arbitrarily set according to the purpose, it can be set to, for example, 5 μm to 100 μm.

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 electrochemical cell 10 shown in FIG.

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 electrochemical cell 20 of the present embodiment is different from the electrochemical cell 10 of the first embodiment shown in FIG. 1 in that the support material 21 is disposed on the hydrogen electrode 13. Adopts the same structure.

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 hydrogen electrode 13 reaches the metal nickel and cerium-containing metal oxide constituting the hydrogen electrode 13. In addition, as described in the first embodiment, oxygen ions are converted into oxygen through an electrochemical reaction in the oxygen electrode 12.

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 electrolyte membrane 11 can be reduced by disposing the support 21. When the thickness of the electrolyte membrane 11 is large, it takes a long time for oxygen ions to conduct through the electrolyte membrane 11, so that the ionic conductivity resistance increases. However, when the thickness of the electrolyte membrane 11 is small, the ionic conductivity resistance is reduced. Can be small.

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、SmドープCeO,GdドープCeO,及びYドープCeO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 hydrogen electrode 13, for example, a metal sintered body, a metal foam, a metal It can be composed of a fibrous body, a ceramic sintered body having conductivity, and its porosity depends on, for example, the molding pressure when forming the molded body, the sintering temperature during sintering, the type of pore forming material, etc. to cause. In particular, the amount of the three-phase interface on the side of the hydrogen electrode 13 is increased by using an electron-ion mixed conductive ceramic material. Therefore, the electrochemical reaction at the hydrogen electrode 13 is promoted, and the output characteristics of the electrochemical cell 20 can be improved. Specifically, it can be composed of at least one selected from the group consisting of Sm 2 O 3 doped CeO 2, Gd 2 O 3 doped CeO 2, and Y 2 O 3 doped CeO 2. Moreover, electroconductivity can also be provided by plating etc. with respect to the porous support body 21 mentioned above.

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 electrochemical cell 10 is deteriorated. On the other hand, when the thickness of the support 21 is larger than 1000 μm, the ionic conduction resistance increases.

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 electrochemical cell 20 required for generating hydrogen and oxygen from the supplied water vapor is kept within a practical range of 1% or less. be able to. This is because when the porosity of the support 21 is 30% or less, the amount of water vapor supplied to the hydrogen electrode 13 is small, and metallic nickel and the like constituting the hydrogen electrode 13 are oxidized by factors other than water vapor. As a result, the catalytic function cannot be achieved, and if the porosity of the support 21 is 50% or more, the amount of water vapor supplied to the hydrogen electrode 13 becomes too large, and the catalytic function of metallic nickel is lowered. This is thought to be because it becomes impossible to compensate for cerium.

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 hydrogen electrode 13 in order to prevent the supply resistance of water vapor from becoming too large at the support 21 and being supplied to the hydrogen electrode 13.

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 hydrogen electrode 13 is made of a metal oxide containing metallic nickel and cerium, the deterioration of the catalytic function of the hydrogen electrode due to the electrolytic reaction is suppressed. The electrochemical cell 20 capable of maintaining high electrolytic reaction efficiency over a long period of time can be provided.

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 electrochemical cell 10 of 1st Embodiment about another structure, the characteristic, and an effect, description is abbreviate | omitted.

(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(CeOとGd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 electrochemical cell 20 having a configuration as shown in FIG. 2 was produced.
The electrolyte membrane 11 uses scandia-stabilized zirconia with a thickness of 10 μm, the oxygen electrode 12 uses a composite oxide of lanthanum, strontium, cobalt, and iron with a thickness of 20 μm to 40 μm, and the hydrogen electrode 13 has a thickness. Ni-GDC (CeO 2 and Gd 2 O 3 solid solution: metal nickel content 55 mass%) of 25 μm to 35 μm was used. Further, Ni-GDC having a thickness of 0.5 mm to 1 mm was also used for the support 21.

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 electrode cell 20 thus obtained was set to 800 ° C., and a mixed gas of water vapor and hydrogen (water vapor: hydrogen = 50: 50) was supplied to the hydrogen electrode 13 to perform an electrolysis operation of water vapor. The results are shown in FIG.

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 hydrogen electrode 13 from Ni having a thickness of 25 μm to 35 μm and yttria-stabilized zirconia.

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 hydrogen electrode 13 is made of Ni-GDC having a thickness of 25 μm to 35 μm, the cell voltage, that is, the electrolysis voltage of water vapor is less than 1% even after 1500 hours. It can be seen that the oxidation of the metallic nickel of the hydrogen electrode 13 is suppressed by cerium of GDC, the deterioration of the catalytic function of the hydrogen electrode can be suppressed over a long period of time, and high electrolytic reaction efficiency can be maintained.

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 hydrogen electrode 13 from Ni having a thickness of 25 μm to 35 μm and yttria-stabilized zirconia, the cell voltage, that is, the electrolysis voltage of water vapor increases from the start of operation, and after 300 hours have elapsed. It increased to about 1.5 times, and after that, it became impossible to operate. That is, it has been found that the oxidation of the metallic nickel at the hydrogen electrode 13 is hardly suppressed, and the catalytic function of the hydrogen electrode is immediately deteriorated and the electrolytic reaction efficiency cannot be maintained.

(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 hydrogen electrode 13 in Example 1 was changed to 40% by mass, 55% by mass, 60% by mass, and 65% by mass, and water vapor electrolysis was performed under the same conditions. It was. The results are shown in FIG.

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 hydrogen electrode 13, but when the proportion of metallic nickel is 40% by mass and 55% by mass, after 1000 hours of operation. It can also be seen that the cell voltage, that is, the variation of the electrolysis voltage of water vapor is less than 1%, while the variation of the electrolysis voltage exceeds 10% when the proportion of metallic nickel is 60% by mass and 65% by mass.

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 hydrogen electrode 13 is preferably larger than 40 mass% and smaller than 60 mass%.

(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%.

Figure 0006202784
Figure 0006202784

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 Electrochemical cell 11 Electrolyte membrane 12 Oxygen electrode 13 Hydrogen electrode 21 Support

Claims (5)

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、
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 .
前記酸素極及び前記水素極の少なくとも一方を保持するための多孔質支持体を具えることを特徴とする、請求項に記載の水素製造装置The hydrogen production apparatus according to claim 1 , further comprising a porous support for holding at least one of the oxygen electrode and the hydrogen electrode. 前記支持体の気孔率が30%より大きく、50%より小さいことを特徴とする、請求項に記載の水素製造装置The hydrogen production apparatus according to claim 2 , wherein the porosity of the support is larger than 30% and smaller than 50%. 前記電解質膜の厚さが0.001〜1mmであることを特徴とする、請求項1〜のいずれか一に記載の水素製造装置Wherein the thickness of the electrolyte membrane is 0.001~1Mm, hydrogen production apparatus according to any one of claims 1-3. 前記水素極の厚さが5〜100μmであることを特徴とする、請求項1〜のいずれか一に記載の水素製造装置Wherein the thickness of the hydrogen electrode is 5 to 100 [mu] m, hydrogen production apparatus according to any one of claims 1-4.
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