JP6367636B2 - Steam electrolysis cell - Google Patents

Steam electrolysis cell Download PDF

Info

Publication number
JP6367636B2
JP6367636B2 JP2014153130A JP2014153130A JP6367636B2 JP 6367636 B2 JP6367636 B2 JP 6367636B2 JP 2014153130 A JP2014153130 A JP 2014153130A JP 2014153130 A JP2014153130 A JP 2014153130A JP 6367636 B2 JP6367636 B2 JP 6367636B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
anode layer
cell
perovskite
cathode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2014153130A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2016030844A (en
Inventor
邦典 宮碕
邦典 宮碕
昌稔 池田
昌稔 池田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Shokubai Co Ltd
Original Assignee
Nippon Shokubai Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Shokubai Co Ltd filed Critical Nippon Shokubai Co Ltd
Priority to JP2014153130A priority Critical patent/JP6367636B2/en
Priority to US15/326,741 priority patent/US10480083B2/en
Priority to PCT/JP2015/064538 priority patent/WO2016017251A1/en
Priority to EP15827561.0A priority patent/EP3176287B1/en
Publication of JP2016030844A publication Critical patent/JP2016030844A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6367636B2 publication Critical patent/JP6367636B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Description

本発明は、H2生成速度と電流効率が高く、水素ガスを水蒸気から効率的に製造することができる水蒸気電解用セルに関するものである。 The present invention relates to a cell for steam electrolysis that has a high H 2 production rate and high current efficiency and can efficiently produce hydrogen gas from steam.

近年、資源枯渇や地球温暖化を防止する技術が求められている。特に電力分野においては、温暖化ガスの一つである二酸化炭素の排出を抑制し、化石資源に頼らない再生可能エネルギーの開発が進んでいる。再生可能エネルギーは、太陽光、太陽熱、水力、風力、地熱、バイオマスなど、自然から定常的または反復的に補充される再生可能エネルギー源から得られるエネルギーであり、例えば、バイオマスから水素を製造し、燃料電池を使って水素と空気から発電することにより得られる電力が挙げられる。   In recent years, technology for preventing resource depletion and global warming has been demanded. In particular, in the electric power field, the development of renewable energy that suppresses the emission of carbon dioxide, one of the greenhouse gases, and does not rely on fossil resources is progressing. Renewable energy is energy obtained from renewable energy sources that are regularly or repeatedly supplemented from nature, such as solar, solar, hydro, wind, geothermal, biomass, for example, producing hydrogen from biomass, Electric power obtained by generating electricity from hydrogen and air using a fuel cell can be mentioned.

最近、水素を製造するための有力な技術として、水蒸気電解の研究が広く進められている。水蒸気電解は、H2Oを電気分解して水素と酸素を得る際に、液体である水ではなく気体の水蒸気を用いるものであり、高温で作動させることができるため電解に必要な電圧が小さく、エネルギー効率が高いという特徴を有する。 Recently, research on steam electrolysis has been widely promoted as a promising technique for producing hydrogen. Steam electrolysis uses gaseous water vapor instead of liquid water when electrolyzing H 2 O to obtain hydrogen and oxygen, and can be operated at a high temperature, so the voltage required for electrolysis is small. , It is characterized by high energy efficiency.

従来、水蒸気電解では、電解質として酸素イオン伝導性のものが専ら用いられていた。例えば特許文献1には、固体電解質として、酸素イオン伝導性であるイットリア安定化ジルコニアを用いた水蒸気電解技術が開示されている。   Conventionally, in steam electrolysis, an electrolyte having oxygen ion conductivity has been exclusively used. For example, Patent Document 1 discloses a steam electrolysis technique using yttria-stabilized zirconia having oxygen ion conductivity as a solid electrolyte.

しかし、酸素イオン伝導性固体電解質を用いて水蒸気電解を行う場合、アノードおよびカソードで起こる電極反応はそれぞれ以下のとおりである。
アノード: 2O2- → O2 + 4e-
カソード: 2H2O + 4e- → 2H2 + 2O2-
上記式のとおり、この場合には、水素はカソード側で発生し、共存する水蒸気と分離する工程が別途必要になるという問題がある。
However, when water vapor electrolysis is performed using an oxygen ion conductive solid electrolyte, the electrode reactions occurring at the anode and the cathode are as follows.
Anode: 2O 2− → O 2 + 4e
Cathode: 2H 2 O + 4e → 2H 2 + 2O 2−
As shown in the above formula, in this case, hydrogen is generated on the cathode side, and there is a problem that a separate step for separating from coexisting water vapor is required.

かかる問題を解決できる技術としては、例えば特許文献2のように、プロトン伝導性の電解質を用いて水蒸気電解する技術が開発されている。当該技術においてアノードおよびカソードで起こる電極反応はそれぞれ以下のとおりである。
アノード: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e-
カソード: 4H+ + 4e- → 2H2
上記式のとおり、この場合には、酸素イオン伝導性電解質を用いた場合と同様に水素はカソード側で発生するものの、水蒸気はアノード側に導入されるため、水素を水蒸気から分離する必要がないという利点がある。
As a technique that can solve such a problem, for example, as in Patent Document 2, a technique of water vapor electrolysis using a proton conductive electrolyte has been developed. The electrode reactions that take place at the anode and cathode in the art are as follows.
Anode: 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e
Cathode: 4H + + 4e → 2H 2
As shown in the above formula, in this case, hydrogen is generated on the cathode side as in the case of using the oxygen ion conductive electrolyte, but since water vapor is introduced on the anode side, it is not necessary to separate hydrogen from water vapor. There is an advantage.

特開2005−150122号公報JP 2005-150122 A 特開2009−209441号公報JP 2009-209441 A

上述したように、特許文献2にはプロトン伝導性の固体電解質を含む水蒸気電解用セルが開示されている。しかし、特許文献2に記載の水蒸気電解用セルは、セル端子電圧は低いものの電流効率とH2生成速度も低いという問題があった。 As described above, Patent Document 2 discloses a water vapor electrolysis cell including a proton-conductive solid electrolyte. However, although the cell for steam electrolysis described in Patent Document 2 has a low cell terminal voltage, it has a problem of low current efficiency and H 2 generation rate.

そこで本発明は、高いH2生成速度と電流効率が得られ、H2を効率的に製造することができる水蒸気電解用セルを提供することを目的とする。 The present invention provides high H 2 production rate and current efficiency, and to provide a steam electrolysis cell which can be manufactured of H 2 efficiently.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、水蒸気電解用セルのアノード層を構成する主要な原料粉末として、当該アノード層を焼成により形成するための焼成条件と同じ条件で焼成した場合のBET比表面積が所定値以上であるペロブスカイト型酸化物粉末を用いることにより、従来の水蒸気電解用セルに比べ、高いH2生成速度と電流効率でH2を効率的に製造可能な水蒸気電解用セルが得られることを見出して、本発明を完成した。 The inventors of the present invention have made extensive studies to solve the above problems. As a result, as a main raw material powder constituting the anode layer of the steam electrolysis cell, a perovskite type having a BET specific surface area of not less than a predetermined value when fired under the same firing conditions for forming the anode layer by firing by using the oxide powder, compared with a conventional steam electrolysis cell, and found that of H 2 is efficiently producible steam electrolysis cell obtained in high H 2 production rate and current efficiency, the present invention completed.

以下、本発明を示す。   Hereinafter, the present invention will be described.

[1] アノード層とカソード層を有し、当該アノード層と当該カソード層との間にプロトン伝導性固体電解質層を有し、
上記アノード層が、ペロブスカイト型酸化物を含有し、且つ、その原料ペロブスカイト型酸化物粉末として、当該アノード層を形成するための焼成条件と同じ条件で焼成した場合のBET比表面積が2.0m2/g以上であるものを用いて形成されたものであることを特徴とする水蒸気電解用セル。
[1] It has an anode layer and a cathode layer, and has a proton conductive solid electrolyte layer between the anode layer and the cathode layer,
The anode layer contains a perovskite oxide, and the BET specific surface area when the raw material perovskite oxide powder is fired under the same firing conditions as the anode layer is 2.0 m 2. A cell for water vapor electrolysis that is formed using a material that is greater than / g.

[2] さらに、上記ペロブスカイト酸化物のAサイトの一部がSr、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、GdおよびYbから選択される1以上の元素に置換されている上記[1]に記載の水蒸気電解用セル。   [2] Further, a part of the A site of the perovskite oxide is substituted with one or more elements selected from Sr, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd and Yb [1] A cell for steam electrolysis as described in 1.

[3] 上記プロトン伝導性固体電解質層が、Aサイトにアルカリ土類金属を含み、Bサイトに周期律表の第4族から第14族に属する3価または4価の遷移金属を含むペロブスカイト型金属酸化物を含有する上記[1]または[2]に記載の水蒸気電解用セル。   [3] The proton conductive solid electrolyte layer includes a perovskite type containing an alkaline earth metal at the A site and a trivalent or tetravalent transition metal belonging to Groups 4 to 14 of the periodic table at the B site. The cell for steam electrolysis according to the above [1] or [2] containing a metal oxide.

本発明に係る水蒸気電解用セルは、0.1A/cm2超の電流密度における電極面積当たりのH2生成速度が従来の水蒸気電解用セルに比べて大きく、電流効率が高い。よって、本発明に係る水蒸気電解用セルは、H2を効率的に製造できるものとして、産業上非常に優れている。 The steam electrolysis cell according to the present invention has a higher H 2 production rate per electrode area at a current density of more than 0.1 A / cm 2 as compared with the conventional steam electrolysis cell and high current efficiency. Therefore, the steam electrolysis cell according to the present invention is very industrially excellent as it can efficiently produce H 2 .

以下、先ず、本発明に係る水蒸気電解用セルの製造方法につき説明する。   Hereinafter, first, a method for producing a cell for steam electrolysis according to the present invention will be described.

1. プロトン伝導性固体電解質層
水蒸気電解用セルには、主に電解質支持型セルと電極支持型セルがある。電解質支持型セルの場合、一般的に、電解質層、アノード層、カソード層の中では電解質層の焼成温度が最も高いことから、先ず、電解質層を準備する。電極支持型セルの場合には、支持層となる電極層の上に電解質層を形成する。
1. Proton Conductive Solid Electrolyte Layer Steam electrolysis cells mainly include an electrolyte support cell and an electrode support cell. In the case of an electrolyte-supported cell, since the firing temperature of the electrolyte layer is generally the highest among the electrolyte layer, the anode layer, and the cathode layer, the electrolyte layer is prepared first. In the case of an electrode-supported cell, an electrolyte layer is formed on the electrode layer that becomes the support layer.

本発明で用いることができるプロトン伝導性固体電解質の材料としては、プロトン伝導性を示す金属酸化物を挙げることができ、かかるプロトン伝導性金属酸化物としては、例えば、ABO3型の構造を有するペロブスカイト型酸化物やA227型の構造を有するパイロクロア型酸化物、セリア−希土類酸化物固溶体あるいはセリア−アルカリ土類金属酸化物固溶体、ブラウンミラライト型構造を有する金属酸化物などを挙げることができる。 Examples of the material of the proton conductive solid electrolyte that can be used in the present invention include metal oxides that exhibit proton conductivity. Examples of such proton conductive metal oxides include an ABO 3 type structure. Perovskite oxides, pyrochlore oxides having an A 2 B 2 O 7 type structure, ceria-rare earth oxide solid solutions or ceria-alkaline earth metal oxide solid solutions, metal oxides having a brown mirrorite structure, etc. Can be mentioned.

プロトン伝導性固体電解質の材料としては、アノード層が主成分としてペロブスカイト型酸化物を含有することから、好ましくはABO3型の構造を有するペロブスカイト型金属酸化物を用いる。ペロブスカイト型金属酸化物としては、例えば、そのAサイトがアルカリ土類金属を含み、Bサイトが周期律表の第4族から第14族に属する3価あるいは4価の元素を含むペロブスカイト型金属酸化物、さらには、当該ペロブスカイト酸化物のAサイトまたはBサイトの少なくとも一方の一部をLa、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Eu、Yb、Sc、Y、In、Ga、Fe、Co、Ni、Zn、Ta、Nbから選択される1以上の元素に置換したペロブスカイト型金属酸化物を用いることができる。具体的には、Sr−Zr−Y系、Sr−Zr−Ce−Y系、Ba−Zr−Y系、Ba−Zr−Ce−Y系、Ca−Zr−In系、La−Sc系、Sr−Ce−Yb系、Ba−Ce−Y系のペロブスカイト型金属酸化物などが挙げられる。 As a material for the proton conductive solid electrolyte, a perovskite metal oxide having an ABO 3 type structure is preferably used because the anode layer contains a perovskite oxide as a main component. As the perovskite type metal oxide, for example, a perovskite type metal oxide in which the A site contains an alkaline earth metal and the B site contains a trivalent or tetravalent element belonging to Groups 4 to 14 of the periodic table. A part of at least one of the A site or the B site of the perovskite oxide is La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Eu, Yb, Sc, Y, In, Ga, Fe, Co, A perovskite metal oxide substituted with one or more elements selected from Ni, Zn, Ta, and Nb can be used. Specifically, Sr—Zr—Y, Sr—Zr—Ce—Y, Ba—Zr—Y, Ba—Zr—Ce—Y, Ca—Zr—In, La—Sc, Sr -Ce-Yb-based and Ba-Ce-Y-based perovskite metal oxides.

プロトン伝導性固体電解質層の厚さは特に制限されず、セル形状などに応じて適宜設定すればよい。例えば、電解質支持型セルの場合では50μm以上、500μm以下とすることが好ましい。当該厚さが50μm未満であると、十分な強度が得られない可能性があり得る。一方、当該厚さが500μmを超えると、プロトン伝導性に支障が生じるおそれがあり得る。電極支持型セルの場合では、当該厚さは1μm以上、50μm以下とすることが好ましい。当該厚さが1μm未満であると、スクリーンプリントなどの工業的プロセスでプロトン伝導性固体電解質層を形成することが難しくなり得る。一方、当該厚さが50μmを超えると、プロトン伝導性に支障が生じるおそれがあり得る。   The thickness of the proton conductive solid electrolyte layer is not particularly limited, and may be set as appropriate according to the cell shape and the like. For example, in the case of an electrolyte support type cell, it is preferably 50 μm or more and 500 μm or less. If the thickness is less than 50 μm, sufficient strength may not be obtained. On the other hand, when the thickness exceeds 500 μm, there is a possibility that the proton conductivity may be hindered. In the case of an electrode-supported cell, the thickness is preferably 1 μm or more and 50 μm or less. When the thickness is less than 1 μm, it may be difficult to form a proton conductive solid electrolyte layer by an industrial process such as screen printing. On the other hand, if the thickness exceeds 50 μm, proton conductivity may be hindered.

プロトン伝導性固体電解質層の作製方法としては、例えば、以下の方法が挙げられる。プロトン伝導性金属酸化物に、エタノールやテルピネオールなどの有機溶媒、分散剤、可塑剤、およびエチルセルロースなどのバインダーなどを加え、ボールミルなどで湿式粉砕混合し、スラリーとした後、ドクターブレード法などでグリーンシートとする。次いで焼成することにより、プロトン伝導性固体電解質層とすることができる。電極支持型セルの場合には、支持層となる電極層の上に上記スラリーを塗布し、次いで焼成することにより、支持電極層の上にプロトン伝導性固体電解質層を形成する。   Examples of the method for producing the proton conductive solid electrolyte layer include the following methods. Add organic solvent such as ethanol and terpineol, dispersant, plasticizer and binder such as ethyl cellulose to proton conductive metal oxide, wet pulverize and mix with a ball mill etc. to make a slurry, then green by doctor blade method etc. A sheet. Next, by baking, a proton conductive solid electrolyte layer can be obtained. In the case of an electrode-supported cell, the proton-conducting solid electrolyte layer is formed on the support electrode layer by applying the slurry on the electrode layer to be the support layer and then baking the slurry.

2. アノード層の形成
本発明の水蒸気電解用セルが電解質支持型セルである場合には、プロトン伝導性固体電解質層にアノード層ペーストとカソード層ペーストを塗布した後に焼成する。アノード層とカソード層は、各ペーストをプロトン伝導性固体電解質層に塗布した後に同時に焼成して形成してもよい。しかし、アノード層とカソード層の焼成温度が同じであるとは限らないため、一般的には、焼成温度がより高い電極層を先に形成した後に、他方の電極層を形成することが好ましい。
2. Formation of Anode Layer When the steam electrolysis cell of the present invention is an electrolyte-supported cell, the anode conductive paste and the cathode conductive paste are applied to the proton conductive solid electrolyte layer and then fired. The anode layer and the cathode layer may be formed by applying each paste to the proton-conducting solid electrolyte layer and firing it at the same time. However, since the firing temperature of the anode layer and the cathode layer is not always the same, it is generally preferable to form the other electrode layer after first forming the electrode layer having a higher firing temperature.

本発明の水蒸気電解用セルが電極支持型セルである場合には、支持層となる電極層の上に電解質層を形成し、さらに当該電解質層の上に他方の電極層を形成する。この場合、一般的には、アノード層よりもカソード層の焼成温度の方が高いため、カソード層またはそのグリーンシートを支持層とし、その上に電解質層を形成し、さらに当該電解質層の上にアノード層を形成する。   When the steam electrolysis cell of the present invention is an electrode-supported cell, an electrolyte layer is formed on the electrode layer serving as a support layer, and the other electrode layer is further formed on the electrolyte layer. In this case, since the firing temperature of the cathode layer is generally higher than that of the anode layer, the cathode layer or its green sheet is used as a support layer, an electrolyte layer is formed thereon, and further on the electrolyte layer. An anode layer is formed.

本発明に係る水蒸気電解用セルのアノード層は、2H2O → O2 + 4H+ + 4e-の反応を促進する触媒作用を示すと共に、電子伝導性を有する必要がある。このような材料としては、上記反応を促進する触媒成分である遷移金属元素を含むペロブスカイト型金属酸化物を用いることができ、本発明では、ペロブスカイト型酸化物を主成分として用いることが好ましい。 The anode layer of the cell for steam electrolysis according to the present invention needs to exhibit a catalytic action for promoting the reaction of 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e and have electronic conductivity. As such a material, a perovskite type metal oxide containing a transition metal element which is a catalyst component for promoting the reaction can be used. In the present invention, it is preferable to use a perovskite type oxide as a main component.

上記のとおり、本発明に係る水蒸気電解用セルのアノード層の主成分は、ペロブスカイト型酸化物である。本発明において「ペロブスカイト型酸化物がアノード層の主成分である」とは、アノード層の形成時において、バインダーや溶媒など焼成により消失する成分を除き、アノード層を構成する成分の原料に占めるペロブスカイト型酸化物の割合が60v/v%以上であることをいうものとする。当該割合としては65v/v%以上が好ましく、70v/v%以上がより好ましく、75v/v%以上がさらに好ましい。一方、当該割合の上限は特に制限されず、不可避的不純物や不可避的残留物を除いた実質的に100v/v%がペロブスカイト型酸化物であってもよいが、後述するように他成分が含まれていてもよいため、当該割合としては95v/v%以下が好ましく、90v/v%以下がより好ましく、85v/v%以下がさらに好ましい。   As described above, the main component of the anode layer of the cell for steam electrolysis according to the present invention is a perovskite oxide. In the present invention, “perovskite-type oxide is the main component of the anode layer” means that the perovskite occupies the raw materials of the components constituting the anode layer, except for components that disappear upon firing such as a binder and a solvent during the formation of the anode layer. It shall be said that the ratio of the type oxide is 60 v / v% or more. The ratio is preferably 65 v / v% or more, more preferably 70 v / v% or more, and further preferably 75 v / v% or more. On the other hand, the upper limit of the ratio is not particularly limited, and substantially 100 v / v% excluding inevitable impurities and inevitable residues may be perovskite type oxides, but other components are included as described later. Therefore, the ratio is preferably 95 v / v% or less, more preferably 90 v / v% or less, and still more preferably 85 v / v% or less.

アノード層を構成するベロブスカイト型酸化物としては、例えば、AサイトがSr、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、GdおよびYbから選択される1以上の元素で、BサイトがCo、Ni、Feなどで置換されたペロブスカイト型金属酸化物で、具体的には、Sm−Sr−Co系、La−Sr−Co系、La−Ba−Co系、Pr−Sr−Co系、Nd−Sr−Co系、Ba−Sr−Co−Fe系などのペロブスカイト型金属酸化物が挙げられる。これらを単独で用いることもできるし、或いは上記プロトン伝導性酸化物等を加えた電極も用いることができる。   Examples of the velovskite oxide constituting the anode layer include, for example, one or more elements selected from Sr, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, and Yb, and the B site is Co, Perovskite type metal oxides substituted with Ni, Fe, etc., specifically, Sm—Sr—Co, La—Sr—Co, La—Ba—Co, Pr—Sr—Co, Nd— Examples thereof include perovskite metal oxides such as Sr—Co and Ba—Sr—Co—Fe. These can be used alone, or an electrode to which the above proton conductive oxide or the like is added can also be used.

本発明に係る水蒸気電解用セルのアノード層には、上記ペロブスカイト型酸化物に加え、電子伝導性成分を添加してもよい。電子伝導性成分としては、銀、ニッケル、コバルト、鉄、白金、パラジウム、ルテニウム等の金属;酸化銀、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化鉄のように還元性雰囲気や空気雰囲気で電子伝導性金属に変化する金属酸化物;或いはこれらの酸化物を2種以上含有するニッケルフェライトやコバルトフェライトのような複合金属酸化物が挙げられる。これらは単独で使用し得るほか、必要により2種以上を適宜組み合わせて使用できる。これらの中でも、銀、金属ニッケル、金属コバルト、金属鉄またはこれらの酸化物が好ましい。   In addition to the perovskite oxide, an electron conductive component may be added to the anode layer of the steam electrolysis cell according to the present invention. As the electron conductive component, metals such as silver, nickel, cobalt, iron, platinum, palladium, ruthenium, etc .; in a reducing atmosphere or air atmosphere such as silver oxide, nickel oxide, cobalt oxide, iron oxide, etc. Metal oxides that change; or composite metal oxides such as nickel ferrite and cobalt ferrite containing two or more of these oxides. These may be used alone or in combination of two or more as necessary. Among these, silver, metallic nickel, metallic cobalt, metallic iron, or oxides thereof are preferable.

電子伝導性成分の使用量は特に制限されるものではないが、例えば、電極全体に対する質量割合で、2.0質量%以上、25質量%以下とすることが好ましい。当該割合が2.0質量%以上であれば、電子伝導性がより確実に発揮される。一方、当該割合が大き過ぎると電極の気孔率が過剰に低下するおそれがあり得るので、当該割合としては25質量%以下が好ましい。   Although the usage-amount of an electron-conductive component is not restrict | limited in particular, For example, it is preferable to set it as 2.0 mass% or more and 25 mass% or less by the mass ratio with respect to the whole electrode. If the said ratio is 2.0 mass% or more, electronic conductivity will be exhibited more reliably. On the other hand, if the ratio is too large, the porosity of the electrode may be excessively decreased. Therefore, the ratio is preferably 25% by mass or less.

本発明では、アノード層を形成するための主要な原料であるペロブスカイト型酸化物粉末として、アノード層を形成するための焼成条件と同じ条件で焼成した場合のBET比表面積が2.0m2/g以上であるものを用いる。当該BET比表面積が2.0m2/g以上であるペロブスカイト型酸化物粉末を主要な原料粉末として用いてアノード層を形成すれば、水蒸気電解用セルのH2生成速度と電流効率が改善され、H2の効率的な製造が可能になる。当該BET比表面積としては2.1m2/g以上が好ましく、2.2m2/g以上がより好ましく、2.4m2/g以上がさらに好ましい。当該BET比表面積が大きいほどH2の製造効率は向上するといえるが、過剰に大きいとアノード層の強度が十分に確保できなくなるおそれがあり得るので、当該BET比表面積としては15m2/g以下が好ましく、10m2/g以下がより好ましく、8m2/g以下がさらに好ましい。なお、アノード層原料粉末である上記ペロブスカイト型酸化物粉末の焼成は、あくまで本発明の指標となるBET比表面積を測定するために行うのであって、実際にアノード層を形成するために用いる原料ペロブスカイト型酸化物粉末としては、上記焼成を行う前のものを用いる。即ち、上記の焼成とBET比表面積の測定は、アノード層の形成とは独立して別途行う。 In the present invention, the perovskite oxide powder, which is a main raw material for forming the anode layer, has a BET specific surface area of 2.0 m 2 / g when fired under the same firing conditions as those for forming the anode layer. Use what is above. If the anode layer is formed using the perovskite type oxide powder having a BET specific surface area of 2.0 m 2 / g or more as a main raw material powder, the H 2 generation rate and current efficiency of the steam electrolysis cell are improved, Efficient production of H 2 becomes possible. Preferably at least 2.1 m 2 / g as the BET specific surface area, more preferably at least 2.2 m 2 / g, more preferably not less than 2.4 m 2 / g. It can be said that the production efficiency of H 2 is improved as the BET specific surface area is large. However, if the BET specific surface area is excessively large, the strength of the anode layer may not be sufficiently secured. Therefore, the BET specific surface area is 15 m 2 / g or less. Preferably, 10 m 2 / g or less is more preferable, and 8 m 2 / g or less is more preferable. The perovskite oxide powder, which is the anode layer raw material powder, is fired only to measure the BET specific surface area, which is an indicator of the present invention. The raw material perovskite used to actually form the anode layer is used. As the type oxide powder, the powder before firing is used. That is, the firing and the measurement of the BET specific surface area are separately performed independently of the formation of the anode layer.

アノード層の形成のための焼成条件と同じ条件で焼成した原料ペロブスカイト型酸化物粉末のBET比表面積を所定範囲に調整するためには、例えば、当該焼成前の原料ペロブスカイト型酸化物粉末の構成元素、組成比率、粉砕条件や粉砕方法を調節すればよい。具体的には、粉砕方法としては、乾式粉砕、湿式粉砕あるいは凍結粉砕のいずれでもよく、ボールミル、ビーズミル、アトライタ、ロッドミル、ハンマーミル、フリーザーミル、ジェットミル等を用いることができる。その条件としては、前記した粉砕方法あるいは粉砕機の特性によって適宜選択されるべきであって一概に特定はできないが、例えば、ボールミル、ビーズミル、アトライタ等の回転式粉砕機を用いる場合、回転数10rpm以上、150rpm以下で1時間以上、200時間以下の範囲で粉砕すればよく、好ましくは、回転数50rpm以上、100rpm以下で1時間以上、100時間以下湿式粉砕することが好ましい。   In order to adjust the BET specific surface area of the raw material perovskite type oxide powder fired under the same conditions as the firing conditions for forming the anode layer, for example, the constituent elements of the raw material perovskite type oxide powder before firing The composition ratio, grinding conditions, and grinding method may be adjusted. Specifically, the pulverization method may be dry pulverization, wet pulverization, or freeze pulverization, and a ball mill, bead mill, attritor, rod mill, hammer mill, freezer mill, jet mill, or the like can be used. The conditions should be appropriately selected depending on the above-described pulverization method or characteristics of the pulverizer, and cannot be generally specified. For example, when using a rotary pulverizer such as a ball mill, a bead mill, an attritor, etc. As mentioned above, it may be pulverized at 150 rpm or less for 1 hour or more and 200 hours or less, preferably wet pulverization at a rotation speed of 50 rpm or more and 100 rpm or less for 1 hour or more and 100 hours or less.

BET比表面積とは、液体窒素温度である−196℃で測定対象物質に窒素分子を吸着させ、その吸着量からBETの式により求められる表面積をいう。   The BET specific surface area refers to a surface area obtained by adsorbing nitrogen molecules to a measurement target substance at a liquid nitrogen temperature of −196 ° C. and obtaining the BET equation from the amount of adsorption.

アノード層の厚さは特に限定されず、セル形状などに応じて適宜決定すればよい。例えば、電解質支持型セルと電極支持型セルのいずれにおいても5μm以上、100μm以下の範囲内とすることが好ましい。   The thickness of the anode layer is not particularly limited, and may be appropriately determined according to the cell shape and the like. For example, it is preferable that both the electrolyte support type cell and the electrode support type cell have a range of 5 μm or more and 100 μm or less.

アノード層を形成する方法としては、例えば、プロトン伝導性固体電解質層の場合と同様に上記構成成分のペーストを調製した後に、上記プロトン伝導性固体電解質層上に所望の膜厚が得られるよう塗布した後、焼成すればよい。アノード層を形成するための好ましい焼成条件は、例えば、700℃以上、900℃以下で、30分間以上、2時間以下とすることができる。焼成温度について、700℃未満では電極の密着性が低くなるため剥離が生じ、性能が低下してしまう可能性があり得、一方、900℃より高いと水素生成速度が低下するおそれがあり得るため好ましくない。焼成温度としては、好ましくは750℃以上、900℃以下であり、さらに好ましくは800℃以上、900℃以下である。   As a method for forming the anode layer, for example, after preparing a paste of the above-described components in the same manner as in the case of the proton conductive solid electrolyte layer, the anode layer is applied so that a desired film thickness is obtained on the proton conductive solid electrolyte layer. And then firing. Preferable firing conditions for forming the anode layer are, for example, 700 ° C. or more and 900 ° C. or less, and 30 minutes or more and 2 hours or less. When the firing temperature is less than 700 ° C., the electrode adhesion becomes low, so that peeling may occur and the performance may be lowered. On the other hand, when the temperature is higher than 900 ° C., the hydrogen generation rate may be lowered. It is not preferable. The firing temperature is preferably 750 ° C. or higher and 900 ° C. or lower, more preferably 800 ° C. or higher and 900 ° C. or lower.

3. カソード層の形成
本発明に係るセルのカソード層は、4H+ + 4e- → 2H2の反応を促進する触媒作用を示すと共に、電子伝導性を有する必要がある。このような材料としては、Pt、Pd、Ni、Co、Fe、Ruなどの金属元素の他、当該金属元素とプロトン伝導性固体電解質層の材料であるペロブスカイト型酸化物との混合物を挙げることができ、プロトン伝導性固体電解質層との親和性や密着性の観点から、金属元素とペロブスカイト型酸化物との混合物が好ましい。
3. Formation of Cathode Layer The cathode layer of the cell according to the present invention needs to exhibit a catalytic action that promotes the reaction of 4H + + 4e → 2H 2 and has electronic conductivity. Examples of such a material include a metal element such as Pt, Pd, Ni, Co, Fe, and Ru, and a mixture of the metal element and a perovskite oxide that is a material of the proton conductive solid electrolyte layer. A mixture of a metal element and a perovskite oxide is preferable from the viewpoint of affinity and adhesion to the proton conductive solid electrolyte layer.

金属元素の材料としては、Pt、Pd、Ni、Co、Fe、Ruなどの金属;酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化鉄のように還元性雰囲気で電子伝導性金属に変化する金属酸化物;或いはこれらの酸化物を2種以上含有するニッケルフェライトやコバルトフェライトのような複合金属酸化物が挙げられる。これらは単独で使用し得るほか、必要により2種以上を適宜組み合わせて使用できる。これらの中でも、金属ニッケル、金属コバルト、金属鉄またはこれらの酸化物が好ましい。   Examples of metal element materials include metals such as Pt, Pd, Ni, Co, Fe, and Ru; metal oxides that change to electron conductive metals in a reducing atmosphere such as nickel oxide, cobalt oxide, and iron oxide; or these And composite metal oxides such as nickel ferrite and cobalt ferrite containing two or more of these oxides. These may be used alone or in combination of two or more as necessary. Among these, metallic nickel, metallic cobalt, metallic iron, or oxides thereof are preferable.

プロトン伝導性金属酸化物としては、A成分がアルカリ土類金属、B成分が周期律表の第4族から第14族に属する3価あるいは4価の元素で構成されたペロブスカイト型金属酸化物、当該ペロブスカイト型金属酸化物のA成分および/またはB成分の一部をLa、Pr、Nd、Sm、Gd、Yb、Sc、Y、Ce、In、Ga、Fe、Co、Ni、Zn、Ta、Nbから選択される1以上の元素に置換したペロブスカイト型金属酸化物を用いることができる。   Examples of proton conductive metal oxides include perovskite-type metal oxides in which the A component is an alkaline earth metal and the B component is composed of a trivalent or tetravalent element belonging to Groups 4 to 14 of the periodic table. A part of the A component and / or B component of the perovskite-type metal oxide may be La, Pr, Nd, Sm, Gd, Yb, Sc, Y, Ce, In, Ga, Fe, Co, Ni, Zn, Ta, A perovskite metal oxide substituted with one or more elements selected from Nb can be used.

カソード材料として金属元素材料とペロブスカイト型酸化物との混合物を用いる場合、これらの割合は特に制限されず、具体的に使用する材料の電子伝導性や触媒能などを考慮して適宜調整すればよいが、例えば、金属元素材料とペロブスカイト型酸化物との合計に対するペロブスカイト型酸化物の割合を20v/v%以上、80v/v%以下とすることができる。当該割合としては、25v/v%以上がより好ましく、また、70v/v%以下がより好ましい。   When a mixture of a metal element material and a perovskite oxide is used as the cathode material, these ratios are not particularly limited, and may be appropriately adjusted in consideration of the electron conductivity, catalytic ability, etc. of the material used specifically. However, for example, the ratio of the perovskite oxide to the total of the metal element material and the perovskite oxide can be 20 v / v% or more and 80 v / v% or less. As the said ratio, 25 v / v% or more is more preferable, and 70 v / v% or less is more preferable.

カソード層の厚さは特に限定されず、セル形状などに応じて適宜決定すればよいが、例えば、電解質支持型セルの場合では5μm以上、100μm以下とすることが好ましい。当該電極層を支持層とする電極支持型セルの場合では、当該厚さは100μm以上、2000μm以下とすることが好ましい。下限と上限の規定理由は、電解質支持型セルの場合と同様である。   The thickness of the cathode layer is not particularly limited and may be appropriately determined according to the cell shape and the like. For example, in the case of an electrolyte-supported cell, it is preferably 5 μm or more and 100 μm or less. In the case of an electrode-supported cell using the electrode layer as a support layer, the thickness is preferably 100 μm or more and 2000 μm or less. The reason for defining the lower limit and the upper limit is the same as in the case of the electrolyte-supported cell.

カソード層を形成する方法として、例えば、プロトン伝導性固体電解質層の場合と同様に上記構成成分のペーストを調製した後に、上記プロトン伝導性固体電解質層上に所望の膜厚が得られるよう塗布した後、焼成すればよい。当該カソード層を支持層とする電極支持型セルの場合には、支持体としての役割も有する当該カソード層を形成した後、その上にプロトン伝導性固体電解質層を形成し、さらに当該電解質層の上にアノード層を形成すればよい。或いは、当該カソード層の下(電解質層の反対側)に多孔質のサポート層を形成してもよい。なお、金属元素材料として金属酸化物を用いた場合には、積極的に還元処理を行うことにより金属酸化物が金属元素に還元され、その分体積が減少してカソード層を多孔質にすることができる。かかる多孔質カソード層を有する水蒸気電解用セルは、H2製造能力がより一層高い。 As a method for forming the cathode layer, for example, a paste of the above components is prepared in the same manner as in the case of the proton conductive solid electrolyte layer, and then applied to obtain a desired film thickness on the proton conductive solid electrolyte layer. Then, it may be fired. In the case of an electrode-supported cell using the cathode layer as a support layer, after forming the cathode layer that also serves as a support, a proton conductive solid electrolyte layer is formed on the cathode layer, and the electrolyte layer An anode layer may be formed thereon. Alternatively, a porous support layer may be formed under the cathode layer (opposite the electrolyte layer). In addition, when a metal oxide is used as the metal element material, the metal oxide is reduced to a metal element by actively performing a reduction treatment, and the volume is reduced by that amount to make the cathode layer porous. Can do. The steam electrolysis cell having such a porous cathode layer has a higher H 2 production capacity.

カソード層を形成するための好ましい焼成条件としては、例えば、900℃以上、1500℃以下で、1時間以上、5時間以下とすることができる。焼成温度について、900℃未満では、強度が十分ではなく剥離が生じ、性能が低下してしまう可能性があり得、一方、1500℃より高いとカソード層が緻密体となり、ガスの拡散が低下するおそれがあり得るため好ましくない。焼成温度として、好ましくは1000℃以上、1500℃以下であり、さらに好ましくは1100℃以上、1500℃以下である。   Preferable firing conditions for forming the cathode layer can be, for example, 900 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower and 1 hour or longer and 5 hours or shorter. When the firing temperature is less than 900 ° C., the strength is not sufficient and peeling may occur, and the performance may be deteriorated. On the other hand, when the temperature is higher than 1500 ° C., the cathode layer becomes a dense body and gas diffusion decreases. Since there is a possibility of fear, it is not preferable. The firing temperature is preferably 1000 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower, and more preferably 1100 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower.

本発明に係る水蒸気電解用セルを使い、電極間に電圧をかけて電流を流しつつアノードに水蒸気を供給することにより、H2を効率的に製造することができる。 Using the steam electrolysis cell according to the present invention, H 2 can be efficiently produced by supplying water vapor to the anode while applying a voltage between the electrodes and flowing current.

なお、本発明に係る水蒸気電解用セルは、通電した電流に対するH2の製造効率である電流効率が従来のセルより高いが、かかる違いは、電流密度が高いほど顕著である。 The steam electrolysis cell according to the present invention has higher current efficiency, which is the production efficiency of H 2 with respect to the energized current, than the conventional cell, but the difference is more remarkable as the current density is higher.

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited by the following examples, but may be appropriately modified within a range that can meet the purpose described above and below. Of course, it is possible to implement them, and they are all included in the technical scope of the present invention.

実施例1
(1) カソード支持体グリーンシートの作製
市販の酸化ニッケル粉末(正同化学社製,製品名「Green」)と電解質粒子としてSrZr0.5Ce0.40.13-δ粒子とを、当該酸化ニッケル粉末50vol%、電解質粒子50vol%となるように秤量した。これら粒子へバインダーと溶剤を添加し、さらに可塑剤、分散剤、潤滑剤および消泡剤を添加した。当該混合物をボールミルで30時間湿式粉砕混合することによりスラリーを調製した。得られたスラリーを、テープキャスト法によりシート状に成形した後、80℃で1時間乾燥した。
Example 1
(1) Production of cathode support green sheet Commercially available nickel oxide powder (manufactured by Shodo Chemical Co., Ltd., product name “Green”) and SrZr 0.5 Ce 0.4 Y 0.1 O 3-δ particles as electrolyte particles, the nickel oxide powder It weighed so that it might become 50 vol% and electrolyte particles 50 vol%. A binder and a solvent were added to these particles, and a plasticizer, a dispersant, a lubricant and an antifoaming agent were further added. A slurry was prepared by wet pulverizing and mixing the mixture with a ball mill for 30 hours. The obtained slurry was formed into a sheet by a tape casting method and then dried at 80 ° C. for 1 hour.

(2) ハーフセルの作製
SrZr0.5Ce0.40.13-δ、エチルセルロースおよびα−テルピネオールを乳鉢で混合した。その後、3本ロールミル(EXAKT technologies社製,型式「M−80S」)を用いて混練し、電解質層ペーストを得た。
(2) Production of half cell SrZr 0.5 Ce 0.4 Y 0.1 O 3-δ , ethyl cellulose and α-terpineol were mixed in a mortar. Then, it knead | mixed using the 3 roll mill (EXAKT technologies company make, model "M-80S"), and obtained electrolyte layer paste.

上記(1)で作製したカソード支持体グリーンシート上に、当該ペーストをスクリーン印刷法で塗布し、80℃で30分間乾燥した後、1400℃、空気雰囲気下で2時間焼成することにより、プロトン伝導性電解質層の厚さが20μm、カソード支持体の厚さが250μmのハーフセルを作製した。   The paste is applied by screen printing on the cathode support green sheet prepared in (1) above, dried at 80 ° C. for 30 minutes, and then baked at 1400 ° C. in an air atmosphere for 2 hours to conduct proton conduction. A half cell having a thickness of the conductive electrolyte layer of 20 μm and a thickness of the cathode support of 250 μm was produced.

(3) アノード層の作製
市販の純度99.9質量%のSm23、SrCO3およびCo34の粉末を、Sm0.5Sr0.5CoO3-δの組成となるように混合した。得られた混合物にエタノールを加え、ビーズミルで2時間湿式粉砕した後、120℃で10時間乾燥した。次いで、1000℃で10時間熱処理することにより粉末を得た。さらに、得られた粉末にエタノールを加え、ビーズミルで2時間湿式粉砕した後、120℃で10時間乾燥することにより、水蒸気電解用アノード層材料とすることができる原料粉末とした。得られたアノード層原料粉末の組成はSm0.5Sr0.5CoO3-δであり、X線回折により、ペロブスカイトからなる単一相であることを確認した。
(3) Production of anode layer Commercially available powders of Sm 2 O 3 , SrCO 3 and Co 3 O 4 with a purity of 99.9% by mass were mixed so as to have a composition of Sm 0.5 Sr 0.5 CoO 3 -δ . Ethanol was added to the obtained mixture, and wet pulverization was performed for 2 hours with a bead mill, followed by drying at 120 ° C. for 10 hours. Subsequently, the powder was obtained by heat-processing at 1000 degreeC for 10 hours. Furthermore, ethanol was added to the obtained powder, wet pulverized with a bead mill for 2 hours, and then dried at 120 ° C. for 10 hours to obtain a raw material powder that can be used as an anode layer material for steam electrolysis. The composition of the obtained anode layer raw material powder was Sm 0.5 Sr 0.5 CoO 3 -δ , and it was confirmed by X-ray diffraction that it was a single phase composed of perovskite.

上記アノード層原料粉末に、バインダーとしてエチルセルロース、溶媒としてα−テルピネオールを加え、乳鉢で混合した。次いで、3本ロールミル(EXAKT technologies社製,型式「M−80S」)を用いて混練し、アノード用ペーストを得た。   Ethyl cellulose as a binder and α-terpineol as a solvent were added to the anode layer raw material powder and mixed in a mortar. Subsequently, kneading was performed using a three-roll mill (manufactured by EXAK technologies, model “M-80S”) to obtain an anode paste.

上記(2)で得たハーフセルのプロトン伝導性電解質におけるカソード支持体の反対側に、上記アノード用ペーストをスクリーンプリント法により塗布した後、空気雰囲気下、850℃で1時間焼成することにより、厚さ30μmのアノード層を形成した。   The anode paste was applied to the opposite side of the cathode support in the half-cell proton-conducting electrolyte obtained in (2) above by screen printing, and then fired at 850 ° C. for 1 hour in an air atmosphere. An anode layer having a thickness of 30 μm was formed.

別途、上記湿式粉砕したアノード層原料粉末を、上記アノード層を形成するための焼成条件と同様に、空気雰囲気下、850℃で1時間焼成した後、BET比表面積計(マウンテック社製「マックソーブHM−1210」)を用いてBET比表面積を測定した。具体的には、測定試料をセルに仕込み、セル内に窒素ガス100mL/分を流通しながら、200℃で30分間脱気処理を行った。脱気処理後、セル内に窒素ガス50mL/分を流通しながら、セルを液体窒素に浸漬して測定試料に窒素を吸着させた。次いで、セルを常温下で保ち、脱離する窒素量を測定することでBET比表面積を測定した。測定は一試料につき3回行い、その平均値を求めた。その結果、得られたアノード層原料粉末のBET比表面積は2.5m2/gであった。 Separately, the wet pulverized anode layer raw material powder was calcined at 850 ° C. for 1 hour in an air atmosphere in the same manner as the calcining conditions for forming the anode layer, and then a BET specific surface area meter (“Macsorb HM” manufactured by Mountec Co., Ltd.). -1210 ") to measure the BET specific surface area. Specifically, a measurement sample was charged into a cell, and degassing was performed at 200 ° C. for 30 minutes while flowing 100 mL / min of nitrogen gas through the cell. After the deaeration treatment, while flowing 50 mL / min of nitrogen gas through the cell, the cell was immersed in liquid nitrogen to adsorb nitrogen to the measurement sample. Next, the BET specific surface area was measured by keeping the cell at room temperature and measuring the amount of nitrogen desorbed. The measurement was performed 3 times per sample, and the average value was obtained. As a result, the BET specific surface area of the obtained anode layer raw material powder was 2.5 m 2 / g.

実施例2
上記実施例1において、アノード層の組成をLa0.5Sr0.5CoO3-δとした以外は同様にしてセルを作製した。当該セルのアノード層を形成するためのLa0.5Sr0.5CoO3-δアノード層原料粉末を、アノード層を形成するための焼成条件と同様に、空気雰囲気下、850℃で1時間焼成したところ、そのBET比表面積は2.8m2/gであった。
Example 2
A cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that the composition of the anode layer was La 0.5 Sr 0.5 CoO 3-δ . When La 0.5 Sr 0.5 CoO 3-δ anode layer raw material powder for forming the anode layer of the cell was fired at 850 ° C. for 1 hour in an air atmosphere in the same manner as the firing conditions for forming the anode layer, The BET specific surface area was 2.8 m 2 / g.

実施例3
市販の純度99.9質量%のLa23、BaCO3およびCo34の粉末を、La0.5Ba0.5CoO3-δの組成となるように混合した。得られた混合物にエタノールを加え、ボールミルで60時間湿式粉砕した後、120℃で10時間乾燥した。次いで、1100℃で10時間熱処理することにより粉末を得た。さらに、得られた粉末にエタノールを加え、ボールミルで100時間湿式粉砕した後、120℃で10時間乾燥することにより、水蒸気電解用アノード層材料とすることができる原料粉末とした。得られたアノード層原料粉末の組成はLa0.5Ba0.5CoO3-δであり、X線回折により、ペロブスカイトからなる単一相であることを確認した。
Example 3
Commercially available powders of La 2 O 3 , BaCO 3 and Co 3 O 4 with a purity of 99.9% by mass were mixed so as to have a composition of La 0.5 Ba 0.5 CoO 3 -δ . Ethanol was added to the obtained mixture, wet pulverized with a ball mill for 60 hours, and then dried at 120 ° C. for 10 hours. Subsequently, the powder was obtained by heat-processing at 1100 degreeC for 10 hours. Furthermore, ethanol was added to the obtained powder, wet pulverized with a ball mill for 100 hours, and then dried at 120 ° C. for 10 hours to obtain a raw material powder that can be used as an anode layer material for steam electrolysis. The composition of the obtained anode layer raw material powder was La 0.5 Ba 0.5 CoO 3 -δ , and it was confirmed by X-ray diffraction that it was a single phase composed of perovskite.

上記アノード層原料粉末に、バインダーとしてエチルセルロール、溶媒としてα−テルピネオールを加え、乳鉢で混合した。その後、3本ロールミル(EXAKT technologies社製,型式「M−80S」)を用いて混練し、アノード用ペーストを得た。   Ethyl cellulose as a binder and α-terpineol as a solvent were added to the anode layer raw material powder, and mixed in a mortar. Then, it knead | mixed using the 3 roll mill (The product made by EXAK technologies, model "M-80S"), and obtained the paste for anodes.

上記実施例1(2)で得たハーフセルのプロトン伝導性電解質におけるカソード支持体の反対側に、上記アノード用ペーストをスクリーンプリント法により塗布した後、850℃、空気雰囲気下で1時間焼成することにより、厚さ30μmのアノード層を形成した。   The anode paste is applied to the opposite side of the cathode support in the half-cell proton-conducting electrolyte obtained in Example 1 (2) by screen printing, and then fired at 850 ° C. in an air atmosphere for 1 hour. Thus, an anode layer having a thickness of 30 μm was formed.

上記実施例1(3)と同様にして、別途、La0.5Ba0.5CoO3-δアノード層原料粉末を、上記アノード層を形成するための焼成条件と同様に、空気雰囲気下、850℃で1時間焼成した後にBET比表面積を測定したところ、4.7m2/gであった。 In the same manner as in Example 1 (3), La 0.5 Ba 0.5 CoO 3-δ anode layer raw material powder was separately added at 850 ° C. in an air atmosphere in the same manner as the firing conditions for forming the anode layer. When the BET specific surface area was measured after baking for a time, it was 4.7 m 2 / g.

比較例1
上記実施例1において、アノード層を形成するための焼成温度を950℃に変更した以外は同様にしてセルを作製した。別途、使用したSm0.5Sr0.5CoO3-δアノード層原料粉末を、アノード層を形成するための焼成条件と同様に、空気雰囲気下、950℃で1時間焼成した後、BET比表面積を測定したところ、1.5m2/gであった。
Comparative Example 1
A cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the firing temperature for forming the anode layer was changed to 950 ° C. Separately, the used Sm 0.5 Sr 0.5 CoO 3-δ anode layer raw material powder was fired at 950 ° C. for 1 hour in the air atmosphere in the same manner as the firing conditions for forming the anode layer, and then the BET specific surface area was measured. However, it was 1.5 m 2 / g.

試験例1
上記実施例1〜3および比較例1で作製したセルに、そのアノード層に接触しないようガラスリングを挟みつけ、800℃で軟化させることによりガスシールした。次いで、作動温度である600℃まで降温した後、10v/v%H2ガスを含むN2ガスを導入してカソード支持体中のNiOを還元した。アノード層側に、水蒸気20v/v%と酸素1v/v%を含むアルゴンガスを流量100NmL/分で導入し、カソード層側に、水蒸気2v/v%と水素1v/v%を含むアルゴンガスを流量100NmL/分で導入した。ポテンショガルバノスタットを用い、電流を変化させつつ電圧を測定することにより電流−電圧曲線を得た。
Test example 1
A glass ring was sandwiched between the cells prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 so as not to contact the anode layer, and gas sealing was performed by softening at 800 ° C. Then, after the temperature was lowered to 600 ° C. it is operating temperature, and reduced the NiO in the cathode support by introducing N 2 gas containing 10v / v% H 2 gas. Argon gas containing 20 v / v% water vapor and 1 v / v% oxygen is introduced into the anode layer at a flow rate of 100 NmL / min, and argon gas containing 2 v / v water vapor and 1 v / v% hydrogen is introduced into the cathode layer side. It was introduced at a flow rate of 100 NmL / min. Using a potentiogalvanostat, a current-voltage curve was obtained by measuring the voltage while changing the current.

また、カソード層において発生した水素の濃度をガスクロマトグラフィで定量し、さらに、カソード出口ガスの流量を高精度精密膜流量計(堀場エステック社製)で測定した。得られた測定値から、下記式によりH2生成速度を算出した。
2生成速度(μmol/h・cm2)=[{(Qv0×Hc0/100)−(Qv1×Hc1/100)}]×60×106]/(22400×S)
Qv0: 非通電時のカソード出口ガス流量(NmL/分)
Hc0: 非通電時のカソード出口ガス中のH2濃度(v/v%)
Qv1: 通電時のカソード出口ガス流量(NmL/分)
Hc1: 通電時のカソード出口ガス中のH2濃度(v/v%)
S: アノードの電極面積(cm2
Further, the concentration of hydrogen generated in the cathode layer was quantified by gas chromatography, and the flow rate of the cathode outlet gas was measured with a high-precision precision membrane flow meter (Horiba Estec). From the obtained measured value, the H 2 production rate was calculated by the following formula.
H 2 production rate (μmol / h · cm 2 ) = [{(Qv0 × Hc0 / 100) − (Qv1 × Hc1 / 100)}] × 60 × 10 6 ] / (22400 × S)
Qv0: Cathode outlet gas flow rate when not energized (NmL / min)
Hc0: H 2 concentration (v / v%) in cathode outlet gas when not energized
Qv1: Cathode outlet gas flow rate during energization (NmL / min)
Hc1: H 2 concentration (v / v%) in the cathode outlet gas during energization
S: Anode electrode area (cm 2 )

また、下記式により理論H2生成速度を算出した。
理論H2生成速度(μmol/h・cm2)={通電した電流(A)×3600(s)×106}/{2×F×電流面積(cm2)}
F: ファラデー定数
The theoretical H 2 production rate was calculated from the following formula.
Theoretical H 2 production rate (μmol / h · cm 2 ) = {current applied (A) × 3600 (s) × 10 6 } / {2 × F × current area (cm 2 )}
F: Faraday constant

さらに、測定値に基づくH2生成速度と理論H2生成速度から、下記式により電流効率を算出した。
電流効率(%)=(H2生成速度/理論H2生成速度)×100
Furthermore, the current efficiency was calculated from the following formula from the H 2 production rate and the theoretical H 2 production rate based on the measured values.
Current efficiency (%) = (H 2 production rate / theoretical H 2 production rate) × 100

各セルのアノード層の組成とBET比表面積、電流密度0.5A/cm2での水素生成速度、および電流効率を表1に示す。 Table 1 shows the composition of the anode layer of each cell, the BET specific surface area, the hydrogen production rate at a current density of 0.5 A / cm 2 , and the current efficiency.

Figure 0006367636
Figure 0006367636

表1に示す結果のとおり、アノード層作製時と同じ条件で焼成した場合のBET比表面積が2.0m2/g以上の原料粉末を用いてアノード層を形成すれば、H2生成速度が大きく、電流効率が顕著に良好な水蒸気電解用セルが得られることが実証された。 As shown in Table 1, if the anode layer is formed using a raw material powder having a BET specific surface area of 2.0 m 2 / g or more when fired under the same conditions as the anode layer preparation, the H 2 production rate is increased. It was proved that a cell for steam electrolysis with significantly good current efficiency can be obtained.

Claims (2)

アノード層とカソード層を有し、当該アノード層と当該カソード層との間にプロトン伝導性固体電解質層を有し、
上記アノード層が、ペロブスカイト型酸化物を含有し、且つ、その原料ペロブスカイト型酸化物粉末として、当該アノード層を形成するための焼成条件と同じ条件で焼成した場合のBET比表面積が2.0m2/g以上であるものを用いて形成されたものであり、
上記プロトン伝導性固体電解質層が、Aサイトにアルカリ土類金属を含み、Bサイトに周期律表の第4族から第14族に属する3価または4価の遷移金属を含むペロブスカイト型金属酸化物を含有することを特徴とする水蒸気電解用セル。
An anode layer and a cathode layer, and a proton conductive solid electrolyte layer between the anode layer and the cathode layer;
The anode layer contains a perovskite oxide, and the BET specific surface area when the raw material perovskite oxide powder is fired under the same firing conditions as the anode layer is 2.0 m 2. / g all SANYO formed in it using what above,
The proton conductive solid electrolyte layer includes a perovskite-type metal oxide containing an alkaline earth metal at the A site and a trivalent or tetravalent transition metal belonging to Groups 4 to 14 of the periodic table at the B site. steam electrolysis cell characterized that you contain.
さらに、上記ペロブスカイト酸化物のAサイトの一部がSr、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、GdおよびYbから選択される1以上の元素に置換されている請求項1に記載の水蒸気電解用セル。   The water vapor according to claim 1, wherein a part of the A site of the perovskite oxide is substituted with one or more elements selected from Sr, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd and Yb. Electrolysis cell.
JP2014153130A 2014-07-28 2014-07-28 Steam electrolysis cell Active JP6367636B2 (en)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014153130A JP6367636B2 (en) 2014-07-28 2014-07-28 Steam electrolysis cell
US15/326,741 US10480083B2 (en) 2014-07-28 2015-05-20 Steam electrolysis cell
PCT/JP2015/064538 WO2016017251A1 (en) 2014-07-28 2015-05-20 Steam electrolysis cell
EP15827561.0A EP3176287B1 (en) 2014-07-28 2015-05-20 Steam electrolysis cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014153130A JP6367636B2 (en) 2014-07-28 2014-07-28 Steam electrolysis cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2016030844A JP2016030844A (en) 2016-03-07
JP6367636B2 true JP6367636B2 (en) 2018-08-01

Family

ID=55441414

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014153130A Active JP6367636B2 (en) 2014-07-28 2014-07-28 Steam electrolysis cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6367636B2 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6805054B2 (en) * 2017-03-31 2020-12-23 株式会社日本触媒 Steam electrolysis cell
JP2020002397A (en) * 2018-06-26 2020-01-09 株式会社グラヴィトン Electrolysis apparatus and electrode manufacturing method

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3403055B2 (en) * 1998-03-11 2003-05-06 三菱重工業株式会社 Oxygen side electrode
JP2010287520A (en) * 2009-06-15 2010-12-24 Ngk Insulators Ltd Electrochemical cell
JP5454782B2 (en) * 2010-01-22 2014-03-26 哲也 宇田 Electrode formed on the surface of solid electrolyte, and fuel cell, hydrogen generator, and hydrogen selective permeation device including the same

Also Published As

Publication number Publication date
JP2016030844A (en) 2016-03-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Song et al. High‐temperature CO2 electrolysis in solid oxide electrolysis cells: developments, challenges, and prospects
Shang et al. A promising cathode for intermediate temperature protonic ceramic fuel cells: BaCo 0.4 Fe 0.4 Zr 0.2 O 3− δ
Li et al. Sr2Fe2− xMoxO6− δ perovskite as an anode in a solid oxide fuel cell: Effect of the substitution ratio
Meng et al. Praseodymium-deficiency Pr0. 94BaCo2O6-δ double perovskite: a promising high performance cathode material for intermediate-temperature solid oxide fuel cells
Huang et al. Investigation of La2NiO4+ δ-based cathodes for SDC–carbonate composite electrolyte intermediate temperature fuel cells
Pang et al. A comparative study of electrochemical performance of La0. 5Ba0. 5CoO3− δ and La0. 5Ba0. 5CoO3− δ–Gd0. 1Ce0. 9O1. 95 cathodes
Yang et al. A highly active and durable electrode with in situ exsolved Co nanoparticles for solid oxide electrolysis cells
Pang et al. Highly enhanced electrochemical performance of PrBa0. 92Co2O5+ δ cathode by introducing Ba cationic-deficiency
Zhou et al. Synthesis and characterization of BaBi0. 05Co0. 8Nb0. 15O3− δ as a potential IT-SOFCs cathode material
Yatoo et al. La2Pr2Ni3O10±δ Ruddlesden-Popper phase as potential intermediate temperature-solid oxide fuel cell cathodes
Sun et al. The effect of calcination temperature on the electrochemical properties of La0. 3Sr0. 7Fe0. 7Cr0. 3O3− x (LSFC) perovskite oxide anode of solid oxide fuel cells (SOFCs)
Park et al. Effect of anode firing on the performance of lanthanum and nickel co-doped SrTiO3 (La0. 2Sr0. 8Ti0. 9Ni0. 1O3− δ) anode of solid oxide fuel cell
Sun et al. Study of oxygen reduction mechanism on Ag modified Sm1. 8Ce0. 2CuO4 cathode for solid oxide fuel cell
JP6362007B2 (en) Electrochemical cell and method for producing the same
Zhang et al. A novel composite cathode for intermediate temperature solid oxide fuel cell
Zhou et al. Preparation and electrochemical properties of an La-doped Pr2Ni0. 85Cu0. 1Al0. 05O4+ δ cathode material for an IT-SOFC
Yoo et al. A Facile Combustion Synthesis Route for Performance Enhancement of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3-δ (LSCF6428) as a Robust Cathode Material for IT-SOFC
Fu et al. Characterization of nanosized Ce0. 8Sm0. 2O1. 9-infiltrated Sm0. 5Sr0. 5Co0. 8Cu0. 2O3− δ cathodes for solid oxide fuel cells
JP6625855B2 (en) Cell for steam electrolysis and method for producing the same
JP6805054B2 (en) Steam electrolysis cell
Zeng et al. Enhancing the oxygen reduction reaction activity and durability of a solid oxide fuel cell cathode by surface modification of a hybrid coating
JP6367636B2 (en) Steam electrolysis cell
JP7231431B2 (en) electrochemical cell
JP6625856B2 (en) Steam electrolysis cell
JP5700358B2 (en) Air electrode material and solid oxide fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20170406

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20180515

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180608

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20180626

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20180705

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6367636

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150