JP6625855B2 - Cell for steam electrolysis and method for producing the same - Google Patents

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Description

本発明は、消費電力が低く且つ電流効率が高く、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及びそれの製造方法に関するものである。   The present invention relates to a cell for steam electrolysis that has low power consumption and high current efficiency and can efficiently produce hydrogen gas from steam, and a method for producing the same.

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, a technology for preventing resource depletion and global warming has been demanded. Particularly in the electric power field, the development of renewable energy that suppresses the emission of carbon dioxide, which is 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 constantly or replenished from nature, such as sunlight, solar heat, hydropower, wind power, geothermal, biomass, etc., for example, producing hydrogen from biomass, Electric power obtained by generating electricity from hydrogen and air using a fuel cell is exemplified.

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 technology for producing hydrogen. Steam electrolysis uses gaseous water vapor instead of liquid water when electrolyzing H 2 O to obtain hydrogen and oxygen. Since it can be operated at a high temperature, 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。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通りである。
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。
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. When steam 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 of 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及びカソードで起こる電極反応はそれぞれ以下の通りである。
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 capable of solving such a problem, for example, a technique of performing steam electrolysis using a proton-conductive electrolyte has been developed as in Patent Document 2. The electrode reactions that occur at the anode and cathode in the art are respectively 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 the steam is introduced to the anode side, there is no need to separate hydrogen from the steam. There is an advantage.

プロトン伝導性固体電解質について、特許文献3〜4ではバリウムとセリウムとの複合酸化物BaCe1-xGdx3-αや、BadZr1-x-yCex3 y3-t(M3は3価の希土類元素)は、プロトンと酸化物イオンの両方が伝導する混合イオン伝導体で、高い導電率が得られることが開示されている。 The proton conductive solid electrolyte, a composite and oxides BaCe 1-x Gd x O 3 -α in the Patent Document 3-4 in barium cerium, Ba d Zr 1-xy Ce x M 3 y O 3-t (M (3 is a trivalent rare earth element) is disclosed as a mixed ionic conductor that conducts both protons and oxide ions, and that high conductivity can be obtained.

特開2005−150122号公報JP 2005-150122 A 特開2009−209441号公報JP 2009-209441 A 特開平5−28820号公報JP-A-5-28820 特開2007−197315号公報JP 2007-197315 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が低いという問題があった。また、特許文献3に記載の水蒸気電解用セルは、電流効率は高いもののセル端子電圧も高いという問題があった。更に特許文献3〜4に記載のプロトン伝導性固体電解質では、緻密体を得るのに1600〜1650℃といった非常に高い焼成温度を必要とするためエネルギーロスや組成によっては焼成時に治具と反応や焼結してしまうという問題があった。   As described above, Patent Document 2 discloses a steam electrolysis cell including a proton-conductive solid electrolyte. However, the cell for steam electrolysis described in Patent Document 2 has a problem that the cell terminal voltage is low but the current efficiency is low. Further, the cell for steam electrolysis described in Patent Document 3 has a problem that although the current efficiency is high, the cell terminal voltage is also high. Furthermore, in the proton conductive solid electrolytes described in Patent Documents 3 and 4, a very high firing temperature such as 1600 to 1650 ° C. is required to obtain a dense body. There was a problem of sintering.

このような状況下、本発明は、低いセル端子電圧で高い電流効率が得られ、H2を効率的に製造することができる水蒸気電解用セルおよびその製造方法を提供することを課題として掲げた。 Under such circumstances, an object of the present invention is to provide a steam electrolysis cell which can obtain high current efficiency at a low cell terminal voltage and can efficiently produce H 2 and a method for producing the same. .

本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、プロトン伝導性固体電解質層に、式(1):Ba(1-a)SraZrbCecdxで表されるペロブスカイト型のプロトン伝導性金属酸化物を用いることにより、従来の水蒸気電解用セルに比べ、消費電力が低く、高い電流効率が得られ、効率的に水素を製造できることを見出し、本発明を完成した。 The present inventors have made intensive studies in order to solve the above problems, the proton-conducting solid electrolyte layer, wherein (1): Ba (1- a) with Sr a Zr b Ce c M d O x The present inventors have found that by using the perovskite-type proton-conductive metal oxide represented, power consumption is low, high current efficiency can be obtained, and hydrogen can be efficiently produced, as compared with conventional steam electrolysis cells. Was completed.

すなわち、本発明に係る水蒸気電解用セルは以下の点に要旨を有する。
[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、前記プロトン伝導性固体電解質層が、下記式(1):
Ba(1-a)SraZrbCecdx (1)
(ここで、Baはバリウム、Srはストロンチウム、Zrはジルコニウム、Ceはセリウム、Mはネオジム、ガドリニウム、イッテルビウム及びイットリウムから選ばれる少なくとも1種の元素、Oは酸素であり、
a、b、c、dおよびxはそれぞれ、Sr、Zr、Ce、MおよびOの原子比を表し、0.1≦a≦0.2、0.4≦b≦0.7、0.1≦c≦0.4、0.1≦d≦0.2であり、xは各々の元素の酸化状態によって定まる数値である)
で表されるペロブスカイト型のプロトン伝導性金属酸化物を含み、
当該プロトン伝導性金属酸化物中のセリウムに対するジルコニウムのモル比(Zr/Ce比)が、1≦(b/c)≦7であることを特徴とする水蒸気電解用セル。
[2]上記カソード層が、Ni、Co、Feおよびこれらの酸化物から選択される1以上の金属元素とAサイトにストロンチウムを含み、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を含有する[1]に記載の水蒸気電解用セル。
[3][1]または[2]に記載の水蒸気電解セルを製造する方法であって、ペロブスカイト型金属酸化物を含むスラリーをシート化して、空気雰囲気下、1000℃以上、1500℃以下で焼成することによりプロトン伝導性固体電解質層を形成する工程を含む水蒸気電解セルの製造方法。
That is, the cell for steam electrolysis according to the present invention has the following points.
[1] It has an anode layer and a cathode layer, has a proton conductive solid electrolyte layer between the anode layer and the cathode layer, and the proton conductive solid electrolyte layer has the following formula (1):
Ba (1-a) Sr a Zr b Ce c M d O x (1)
(Where Ba is barium, Sr is strontium, Zr is zirconium, Ce is cerium, M is at least one element selected from neodymium, gadolinium, ytterbium and yttrium, O is oxygen,
a, b, c, d and x represent the atomic ratio of Sr, Zr, Ce, M and O, respectively, and 0.1 ≦ a ≦ 0.2, 0.4 ≦ b ≦ 0.7, 0.1 ≦ c ≦ 0.4, 0.1 ≦ d ≦ 0.2, and x is a numerical value determined by the oxidation state of each element.
Including a perovskite-type proton conductive metal oxide represented by
A cell for steam electrolysis, wherein the molar ratio of zirconium to cerium (Zr / Ce ratio) in the proton conductive metal oxide is 1 ≦ (b / c) ≦ 7.
[2] The cathode layer contains one or more metal elements selected from Ni, Co, Fe and oxides thereof and strontium at A site, and belongs to Group 4 to Group 14 of the periodic table at B site. The cell for steam electrolysis according to [1], comprising a perovskite-type metal oxide containing a trivalent or tetravalent element belonging to the cell.
[3] The method for producing a steam electrolysis cell according to [1] or [2], wherein a slurry containing a perovskite-type metal oxide is formed into a sheet and fired at 1,000 ° C or more and 1500 ° C or less in an air atmosphere. A method for producing a steam electrolysis cell, comprising a step of forming a proton-conductive solid electrolyte layer by performing the method.

本発明に係る水蒸気電解用セルは、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、なおかつ消費電力も低いため、H2を効率的に製造できるセルとして産業上非常に有用である。 The cell for steam electrolysis according to the present invention has a higher H 2 generation rate per electrode area than the conventional cell for steam electrolysis and has a lower power consumption, so that it is industrially extremely useful as a cell capable of efficiently producing H 2. Useful for

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-Conducting Solid Electrolyte Layer The steam electrolysis cells mainly include an electrolyte-supported cell and an electrode-supported cell. In the case of an electrolyte-supported cell, since the baking temperature of the electrolyte layer is generally the highest among the electrolyte layer, the anode layer, and the cathode layer, the electrolyte layer is first prepared. In the case of an electrode support type cell, an electrolyte layer is formed on an electrode layer serving as a 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用いることができ、本明細書の開示においては、下記式(1):
Ba(1-a)SraZrbCecdx (1)
の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ことができる。ここで、Baはバリウム、Srはストロンチウム、Zrはジルコニウム、Ceはセリウム、Mはネオジム、ガドリニウム、イッテルビウム及びイットリウムから選ばれる少なくとも1種の元素、Oは酸素である。Mは特にイットリウムが好ましい。
As a material of the proton conductive solid electrolyte that can be used in the present invention, a metal oxide having proton conductivity can be used. In the disclosure of the present specification, the following formula (1):
Ba (1-a) Sr a Zr b Ce c M d O x (1)
The perovskite type metal oxide having the ABO 3 type structure can be used. Here, Ba is barium, Sr is strontium, Zr is zirconium, Ce is cerium, M is at least one element selected from neodymium, gadolinium, ytterbium and yttrium, and O is oxygen. M is particularly preferably yttrium.

式(1)において、a、b、c、dおよびxはそれぞれ、Sr、Zr、Ce、MおよびOの原子比を表し、0.1≦a≦0.2、0.4≦b≦0.7、0.1≦c≦0.4、0.1≦d≦0.2であり、xは各々の元素の酸化状態によって定まる数値である。
aは、好ましくは0.18以下、より好ましくは0.15以下、更に好ましくは0.12以下、より更に好ましくは0.1であるが、0.11以上であってもよい。
bは、好ましくは0.45以上、より好ましくは0.50以上、好ましくは0.65以下、より好ましくは0.60以下である。
cは、好ましくは0.15以上、より好ましくは0.20以上、好ましくは0.35以下、より好ましくは0.30以下である。
dは、好ましくは0.12以上、より好ましくは0.15以上、更に好ましくは0.18以上であり、より更に好ましくは0.2であるが、0.19以下であってもよい。
In the formula (1), a, b, c, d and x represent an atomic ratio of Sr, Zr, Ce, M and O, respectively, and 0.1 ≦ a ≦ 0.2, 0.4 ≦ b ≦ 0 0.7, 0.1 ≦ c ≦ 0.4, 0.1 ≦ d ≦ 0.2, and x is a numerical value determined by the oxidation state of each element.
a is preferably 0.18 or less, more preferably 0.15 or less, still more preferably 0.12 or less, and even more preferably 0.1, but may be 0.11 or more.
b is preferably 0.45 or more, more preferably 0.50 or more, preferably 0.65 or less, and more preferably 0.60 or less.
c is preferably 0.15 or more, more preferably 0.20 or more, preferably 0.35 or less, and more preferably 0.30 or less.
d is preferably 0.12 or more, more preferably 0.15 or more, further preferably 0.18 or more, and further more preferably 0.2, but may be 0.19 or less.

本発明においてセリウムに対するジルコニウムのモル比(Zr/Ce比)は、1≦(b/c)≦7であるが、好ましくは1.5以上、より好ましくは2.0以上、更に好ましくは2.5以上、より更に好ましくは3.0以上、特に好ましくは3.5以上であり、好ましくは6.5以下、より好ましくは6.0以下、更に好ましくは5.5以下である。Zr/Ce比を調整することにより、低い消費電力と高い電流効率の両立が可能となる。   In the present invention, the molar ratio of zirconium to cerium (Zr / Ce ratio) is 1 ≦ (b / c) ≦ 7, but is preferably 1.5 or more, more preferably 2.0 or more, and further preferably 2. It is at least 5, more preferably at least 3.0, particularly preferably at least 3.5, preferably at most 6.5, more preferably at most 6.0, even more preferably at most 5.5. By adjusting the Zr / Ce ratio, it is possible to achieve both low power consumption and high current efficiency.

プロトン伝導性固体電解質の材料としては、上記一般式で表される限り特に限定はなく、比表面積が3g/cm2以上、20g/cm2以下のものが好ましく、より好ましくは4g/cm2以上、18g/cm2以下、更に好ましくは5g/cm2以上、15g/cm2以下、特に粉体形状を使用することが好ましい。 The material of the proton conductive solid electrolyte is not particularly limited as long as it is represented by the above general formula, and preferably has a specific surface area of 3 g / cm 2 or more and 20 g / cm 2 or less, more preferably 4 g / cm 2 or more. , 18 g / cm 2 or less, more preferably 5 g / cm 2 or more, and 15 g / cm 2 or less, particularly preferably a powder form.

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虞がある。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虞がある。   The thickness of the proton conductive solid electrolyte layer is not particularly limited, and may be appropriately set depending on the cell shape and the like. For example, in the case of an electrolyte-supported cell, the thickness 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, if the thickness exceeds 500 μm, the proton conductivity may be affected. In the case of an electrode-supporting cell, the thickness is preferably 1 μm or more and 50 μm or less. If the thickness is less than 1 μm, it may be difficult to form the proton conductive solid electrolyte layer by an industrial process such as screen printing. On the other hand, if the thickness exceeds 50 μm, there is a possibility that the proton conductivity may be affected.

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。ペロブスカイト型金属酸化物に、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シート化する。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. An organic solvent such as ethanol or terpineol, a dispersant, a plasticizer, and a binder such as ethyl cellulose are added to the perovskite-type metal oxide, and the mixture is wet-pulverized and mixed using a ball mill or the like to form a slurry. I do. Then, by firing, a proton conductive solid electrolyte layer can be obtained. In the case of an electrode support type cell, the above-mentioned slurry is applied on an electrode layer to be a support layer and then fired to form a proton conductive solid electrolyte layer on the support electrode layer.

このとき、プロトン伝導性固体電解質層を形成するための好ましい焼成条件としては、例えば、空気雰囲気下、1000℃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、1000℃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℃より高いと焼成治具の成分とセルの成分とが一部反応してしまう虞があり、また、セルの反りや割れなどが発生しやすくなり歩留りが低下するため好ましくない。焼成温度として好ましくは1300℃以上である。   At this time, preferable baking conditions for forming the proton conductive solid electrolyte layer may be, for example, 1000 ° C. to 1500 ° C. in an air atmosphere for 1 hour to 5 hours. If the firing temperature is lower than 1000 ° C., the strength may not be sufficient, and peeling may occur, and the performance may be degraded. On the other hand, if the firing temperature is higher than 1500 ° C., the components of the firing jig and the components of the cells are partially reduced. There is a risk of reaction, and the cell is liable to be warped or cracked, which lowers the yield, which is not preferable. The firing temperature is preferably 1300 ° C. or higher.

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、別々に焼成して形成してもよいが、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-supporting cell, the anode layer paste and the cathode layer 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 then firing them simultaneously, or may be formed by firing them separately. In general, it is not always the same, so it is generally preferable to first form an electrode layer having a higher firing temperature and then form the other electrode layer.

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、更に当該電解質層の上に他方の電極層を形成してもよい。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が高いため、カソード層またはその前駆体を支持層とし、その上に電解質層を形成し、更に当該電解質層の上にアノード層を形成するとよい。   When the steam electrolysis cell of the present invention is an electrode-supporting cell, an electrolyte layer may be formed on an electrode layer serving as a support layer, and the other electrode layer may be 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 a precursor thereof is used as a support layer, an electrolyte layer is formed thereon, and the anode layer is further formed on the electrolyte layer. It is good to form.

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、ペロブスカイト型金属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 have a catalytic action to promote the reaction of 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e and have to have electron conductivity. As such a material, a perovskite-type metal oxide containing a transition metal element which is a catalyst component for promoting the above reaction can be used. In the present invention, it is preferable to use a perovskite-type metal 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、ペロブスカイト型金属酸化物であることが好ましい。本発明において「ペロブスカイト型金属酸化物がアノード層の主成分である」とは、アノード層形成時において、バインダーや溶媒など焼成により消失する成分を除いた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金属酸化物の割合が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金属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 preferably a perovskite-type metal oxide. In the present invention, "the perovskite-type metal oxide is a main component of the anode layer" means that, during the formation of the anode layer, perovskite occupies the raw materials of the components constituting the anode layer excluding components that disappear by firing such as binders and solvents. It means that the ratio of the type metal oxide is 60 v / v% or more. The ratio is preferably at least 65 v / v%, more preferably at least 70 v / v%, even more preferably at least 75 v / v%. On the other hand, the upper limit of the ratio is not particularly limited, and substantially 100 v / v% excluding unavoidable impurities and unavoidable residues may be a perovskite-type metal oxide. Since it may be contained, the ratio is preferably 95 v / v% or less, more preferably 90 v / v% or less, and even more preferably 85 v / v% or less.

アノード層を構成するペロブスカイト型金属酸化物は、例えば、AサイトにBa、Sr、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、GdおよびYbから選択される1以上の元素を含み、BサイトにCo、NiおよびFeから選択される1以上の元素を含むことが好ましく、AサイトにはBa、Sr、La、Pr、Nd、およびSmから選択される1以上の元素が含まれていることがより好ましい。具体的には、Ba−La−Co系、Sm−Sr−Co系、La−Sr−Co系、La−Ba−Co−Fe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。   The perovskite-type metal oxide constituting the anode layer includes, for example, an A site containing one or more elements selected from Ba, Sr, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, and Yb, and a B site It is preferable that one or more elements selected from Co, Ni and Fe are included, and that the A site contains one or more elements selected from Ba, Sr, La, Pr, Nd, and Sm. More preferred. Specifically, Ba-La-Co system, Sm-Sr-Co system, La-Sr-Co system, La-Ba-Co-Fe system, Pr-Sr-Co system, Nd-Sr-Co system, Ba And perovskite-type metal oxides such as -Sr-Co-Fe system. These can be used alone, or an electrode to which the above-mentioned 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金属酸化物に加え、電子伝導性成分が含まれていてもよい。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、酸化鉄等の還元性雰囲気や空気雰囲気下で電子伝導性金属に変化する金属酸化物;或いはこれらの金属酸化物を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等の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。   The anode layer of the cell for steam electrolysis according to the present invention may contain an electron conductive component in addition to the perovskite-type metal oxide. Examples of the electron conductive component include metals such as silver, nickel, cobalt, iron, platinum, palladium, and ruthenium; and silver oxide, nickel oxide, cobalt oxide, iron oxide, etc. in a reducing atmosphere or an air atmosphere. A variable metal oxide; or a composite metal oxide such as nickel ferrite or cobalt ferrite containing two or more of these metal oxides. These can be used alone or, if necessary, in combination of two or more. Among these, silver, metallic nickel, metallic cobalt, metallic iron or their oxides are preferred.

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るので、当該割合としては25質量%以下が好ましい。   The use amount of the electron conductive component is not particularly limited, but is preferably, for example, not less than 2.0% by mass and not more than 25% by mass based on the whole electrode. When the ratio is 2.0% by mass or more, the electron conductivity is more reliably exhibited. On the other hand, if the ratio is too large, the porosity of the electrode may be excessively reduced. Therefore, the ratio is preferably 25% by mass or less.

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。アノード層の厚さは、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好ましくは5μm以上、より好ましくは10μm以上、好ましくは100μm以下、より好ましくは80μm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 depending on the cell shape and the like. The thickness of the anode layer is, for example, preferably 5 μm or more, more preferably 10 μm or more, preferably 100 μm or less, more preferably 80 μm or less in any of the electrolyte-supported cell and the electrode-supported cell. preferable.

アノード層は、常法により形成することができる。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。電極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電極層を形成した後、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他方の電極層を形成すればよい。或いは、当該電極層の下(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。   The anode layer can be formed by an ordinary method. For example, after preparing the paste of the above-described constituent components in the same manner as in the case of the proton conductive solid electrolyte layer, the paste may be applied on the proton conductive solid electrolyte layer so as to obtain a desired film thickness, and then fired. In the case of an electrode-supporting cell having an electrode layer as a support layer, after forming the electrode layer also serving as a support, a proton-conductive solid electrolyte layer is formed thereon, and Then, the other electrode layer may be formed. Alternatively, a porous support layer may be formed below the electrode layer (on the side opposite to the electrolyte layer).

アノード層を形成するための主要な原料として、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ときにBET比表面積が2.0m2/g以上となるペロブスカイト型金属酸化物粉末を用いることが好適である。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虞があるため、当該BET比表面積は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、アノード層の原料粉末である上記ペロブスカイト型金属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金属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で行う。 As a main raw material for forming the anode layer, a perovskite-type metal oxide powder having a BET specific surface area of 2.0 m 2 / g or more when fired under the same firing conditions as for forming the anode layer is used. Is preferred. 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. The larger the BET specific surface area is, the more the production efficiency of H 2 is improved. However, if the BET specific surface area is excessively large, the strength of the anode layer may not be sufficiently secured, so that the BET specific surface area is preferably 15 m 2 / g or less, preferably 10 m 2 / g. 2 / g or less is more preferable, and 8 m < 2 > / g or less is still more preferable. The firing of the perovskite-type metal oxide powder, which is a raw material powder for the anode layer, is performed only to measure the BET specific surface area that is an index of the present invention, and is used to actually form the anode layer. As the raw material perovskite-type metal oxide powder, the powder before the above-mentioned firing is used. That is, the above-mentioned baking and the measurement of the BET specific surface area are 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金属酸化物粉末の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金属酸化物粉末の構成元素、組成比率、粉砕条件、粉砕方法等を調節すればよい。具体的な粉砕方法としては、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。   To adjust the BET specific surface area of the raw material perovskite-type metal oxide powder fired under the same conditions as the firing conditions for forming the anode layer to a predetermined range, for example, the raw material perovskite-type metal oxide powder before firing The constituent elements, the composition ratio, the grinding conditions, the grinding method and the like may be adjusted. As a specific pulverization method, any of dry pulverization, wet pulverization or freeze pulverization may be used, and a ball mill, a bead mill, an attritor, a rod mill, a hammer mill, a freezer mill, a jet mill, or the like can be used. The conditions should be appropriately selected depending on the above-mentioned pulverizing method or the characteristics of the pulverizer, and cannot be specified unconditionally. For example, when a rotary pulverizer such as a ball mill, a bead mill, and an attritor is used, the rotation speed is 10 rpm. As mentioned above, the pulverization may be performed at 150 rpm or less for 1 hour or more and 200 hours or less, and it is preferable to perform 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.

なお本明細書において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。   In this specification, the BET specific surface area refers to a surface area obtained by adsorbing nitrogen molecules to a substance to be measured at a liquid nitrogen temperature of -196 ° C. and obtaining the amount of the adsorbed nitrogen molecules using the BET equation.

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、空気雰囲気下、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、一方、900℃より高いと水素生成速度が低下する虞があ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、より好ましくは800℃以上、900℃以下である。焼成時間としては、好ましくは45分間以上、1時間30分以下である。   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, coating is performed so that a desired film thickness is obtained on the proton-conductive solid electrolyte layer. After that, firing may be performed. Preferred firing conditions for forming the anode layer may be, for example, 700 ° C. or more and 900 ° C. or less in an air atmosphere for 30 minutes or more and 2 hours or less. If the firing temperature is lower than 700 ° C., peeling may occur due to low adhesion of the electrode, and the performance may decrease. On the other hand, if the firing temperature is higher than 900 ° C., the hydrogen generation rate may decrease, which is not preferable. . The firing temperature is preferably from 750 ° C to 900 ° C, more preferably from 800 ° C to 900 ° C. The firing time is preferably 45 minutes or more and 1 hour 30 minutes or less.

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金属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、カソード層は、金属元素とペロブスカイト型金属酸化物との混合物を含有することが好ましい。
3. Formation of Cathode Layer The cathode layer of the cell according to the present invention needs to have a catalytic action to promote the reaction of 4H + + 4e → 2H 2 and have to have electron conductivity. Examples of such a material include metal elements such as Pt, Pd, Ni, Co, Fe, and Ru, and a mixture of the metal element and a perovskite-type metal oxide that is a material of the proton-conductive solid electrolyte layer. The cathode layer preferably contains a mixture of a metal element and a perovskite-type metal oxide from the viewpoint of affinity and adhesion to the proton-conductive solid electrolyte layer.

金属元素としては、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することができ、必要により2種以上を適宜組み合わせて使用してもよい。これらの中でも、好ましくはNi、Co、Fe及びこれらの酸化物から選択される1以上、より好ましくは酸化ニッケルである。   Examples of the metal element include metals such as Pt, Pd, Ni, Co, Fe, and Ru; metal oxides such as nickel oxide, cobalt oxide, and iron oxide that change into electron-conductive metals in a reducing atmosphere; Composite metal oxides such as nickel ferrite and cobalt ferrite containing two or more kinds of substances. These can be used alone, and if necessary, two or more kinds may be used in appropriate combination. Among them, one or more selected from Ni, Co, Fe and oxides thereof, and more preferably nickel oxide are preferable.

ペロブスカイト型金属酸化物は、Aサイトにストロンチウムを含み、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、当該ペロブスカイト型金属酸化物のAサイトおよび/またはBサイトの一部をLa、Pr、Nd、Sm、Gd、Yb、Sc、Y、Ce、In、Ga、Fe、Co、Ni、Zn、Ta及び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。本発明のカソード層には、下記一般式(2):
Sr1Zrb1Cec1d1 (2)
(ここで、b1、c1、d1およびxはそれぞれ、Zr、Ce、YおよびOの原子比を表し、0.4≦b1≦0.7、0.1≦c1≦0.6、0.1≦d1≦0.2であり、xは各々の元素の酸化状態によって定まる数値である。)
で表されるペロブスカイト型金属酸化物が好ましく用いられる。
The perovskite-type metal oxide contains a strontium at the A site and a trivalent or tetravalent element belonging to the 4th to 14th groups of the periodic table at the B site, and the perovskite-type metal oxide. Part of the A site and / or B site of the product is selected from La, Pr, Nd, Sm, Gd, Yb, Sc, Y, Ce, In, Ga, Fe, Co, Ni, Zn, Ta and Nb. A perovskite-type metal oxide substituted with one or more elements can be used. The cathode layer of the present invention has the following general formula (2):
Sr 1 Zr b1 Ce c1 Y d1 O x (2)
(Here, b1, c1, d1 and x represent the atomic ratio of Zr, Ce, Y and O, respectively, and 0.4 ≦ b1 ≦ 0.7, 0.1 ≦ c1 ≦ 0.6, 0.1 ≦ d1 ≦ 0.2, and x is a numerical value determined by the oxidation state of each element.)
A perovskite-type metal oxide represented by the following formula is preferably used.

式(2)において、
b1は、好ましくは0.45以上、より好ましくは0.47以上、好ましくは0.65以下、より好ましくは0.60以下である。
c1は、好ましくは0.15以上、より好ましくは0.20以上、好ましくは0.55以下、より好ましくは0.50以下である。
d1は、好ましくは0.18以下、より好ましくは0.15以下、更に好ましくは0.12以下、より更に好ましくは0.1である。
In equation (2),
b1 is preferably 0.45 or more, more preferably 0.47 or more, preferably 0.65 or less, and more preferably 0.60 or less.
c1 is preferably 0.15 or more, more preferably 0.20 or more, preferably 0.55 or less, and more preferably 0.50 or less.
d1 is preferably 0.18 or less, more preferably 0.15 or less, still more preferably 0.12 or less, and even more preferably 0.1.

カソード材料として金属元素とペロブスカイト型金属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、金属元素とペロブスカイト型金属酸化物との合計に対するペロブスカイト型金属酸化物の割合を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 and a perovskite-type metal oxide is used as the cathode material, the proportions thereof are not particularly limited, and may be appropriately adjusted in consideration of the electronic conductivity, catalytic ability, and the like of the specifically used material. However, for example, the ratio of the perovskite-type metal oxide to the total of the metal element and the perovskite-type metal oxide can be set to 20 v / v% or more and 80 v / v% or less. The ratio is more preferably 25 v / v% or more, and further preferably 70 v / v% or less.

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く、150μm以上、1000μm以下がより好ましい。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 depending on the cell shape and the like. For example, in the case of an electrolyte-supported cell, the thickness is preferably 5 μm or more and 100 μm or less. In the case of an electrode-supporting cell having the electrode layer as a support layer, the thickness is preferably 100 μm or more and 2000 μm or less, more preferably 150 μm or more and 1000 μm or less. The reasons for defining the lower and upper limits are 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 of forming the cathode 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 paste was applied on the proton conductive solid electrolyte layer so as to obtain a desired film thickness. After that, firing may be performed. In the case of an electrode-supported cell having the cathode layer as a support layer, after forming the cathode layer also serving as a support, a proton-conductive solid electrolyte layer is formed thereon, and further the electrolyte layer is formed. An anode layer may be formed thereover. Alternatively, a porous support layer may be formed below the cathode layer (on the side opposite to the electrolyte layer). When a metal oxide is used as the metal element material, the metal oxide is reduced to the metal element by actively performing the reduction treatment, and the volume is reduced to make the cathode layer porous. Can be. The cell for steam electrolysis 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、1000℃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、1000℃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、一方、1500℃より高いと焼成治具の成分とカソードあるいは電解質の成分とが一部反応してしまう虞があり、また、セルの反りや割れなどが発生しやすくなり歩留りが低下するため好ましくない。焼成温度として、好ましくは1100℃以上であり、さらに好ましくは1300℃以上である。焼成時間として、好ましくは1時間30分間以上、4時間以下である。   Preferred firing conditions for forming the cathode layer may be, for example, 1000 ° C. or more and 1500 ° C. or less, and 1 hour or more and 5 hours or less. If the firing temperature is lower than 1000 ° C., the strength is not sufficient, and peeling may occur, and the performance may be degraded. On the other hand, if the firing temperature is higher than 1500 ° C., the components of the firing jig and the components of the cathode or the electrolyte may be inconsistent. There is a possibility that a partial reaction may occur, and furthermore, the cell may be easily warped or cracked, and the yield is undesirably reduced. The firing temperature is preferably 1100 ° C. or higher, more preferably 1300 ° C. or higher. The firing time is preferably 1 hour 30 minutes or more and 4 hours or less.

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。 By using the cell for steam electrolysis according to the present invention and supplying steam to the anode while applying a voltage between the electrodes and supplying a current, H 2 can be efficiently produced.

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く、消費電力が低い。かかる違いは、電流密度が高いほど顕著である。 The cell for steam electrolysis according to the present invention has higher current efficiency, which is the production efficiency of H 2 with respect to the supplied current, than the conventional cell, and consumes less power. Such a 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。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples. However, the present invention is not limited to the following Examples, and may be appropriately modified within a range that can be adapted to the purpose of the preceding and the following. It is of course possible to carry out them, and all of them are included in the technical scope of the present invention.

実施例1
(1) カソード支持体前駆体の作製
市販の酸化ニッケル粉末(正同化学工業社製,製品名「Green」)と電解質粒子としてSrZr0.5Ce0.40.1x粒子とを、当該酸化ニッケル粉末72vol%、電解質粒子28vol%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、カソード支持体前駆体を作製した。
Example 1
(1) Preparation of cathode support precursor A commercially available nickel oxide powder (manufactured by Seido Chemical Co., Ltd., product name “Green”) and SrZr 0.5 Ce 0.4 Y 0.1 O x particles as electrolyte particles were mixed with the nickel oxide powder 72 vol. %, And 28 vol% of electrolyte particles. A binder and a solvent were added to these particles, and further, a plasticizer, a dispersant, a lubricant and an antifoaming agent were added. The mixture was wet-pulverized and mixed with a ball mill for 30 hours to prepare a slurry. The obtained slurry was formed into a sheet by a tape casting method, and then dried at 80 ° C. for 1 hour to prepare a cathode support precursor.

(2) 電解質粉体の調製
本実施例で使用したプロトン伝導性金属酸化物の合成は、固相法を用いた。市販の純度99.9質量%のBaCO3、SrCO3、ZrO2、CeO2、Y23の粉末をBa0.9Sr0.1Zr0.5Ce0.40.1x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、遊星ボールミルで2時間湿式粉砕した後、120℃で10時間乾燥した。次いで、空気雰囲気下、1200℃で10時間焼成することにより、電解質粉体を得た。さらに得られた電解質粉体にエタノールを加え、遊星ボールミルで3時間湿式粉砕した後、120℃で10時間乾燥することにより、水蒸気電解用電解質層材料として使用できる電解質粉末を得た。得られた電解質粉末の組成は、Ba0.9Sr0.1Zr0.5Ce0.40.1x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。
(2) Preparation of Electrolyte Powder The solid phase method was used to synthesize the proton conductive metal oxide used in this example. A commercially available powder of BaCO 3 , SrCO 3 , ZrO 2 , CeO 2 , and Y 2 O 3 having a purity of 99.9% by mass was mixed so as to have a composition of Ba 0.9 Sr 0.1 Zr 0.5 Ce 0.4 Y 0.1 O x . Ethanol was added to the obtained mixture, and the mixture was wet-pulverized with a planetary ball mill for 2 hours and then dried at 120 ° C. for 10 hours. Next, the powder was fired at 1200 ° C. for 10 hours in an air atmosphere to obtain an electrolyte powder. Further, ethanol was added to the obtained electrolyte powder, wet-pulverized by a planetary ball mill for 3 hours, and dried at 120 ° C. for 10 hours to obtain an electrolyte powder usable as an electrolyte layer material for steam electrolysis. The composition of the resulting electrolyte powder, a Ba 0.9 Sr 0.1 Zr 0.5 Ce 0.4 Y 0.1 O x, the X-ray diffraction, was confirmed to be a single phase containing the perovskite.

(3) ハーフセルの作製
上記(2)で得られたBa0.9Sr0.1Zr0.5Ce0.40.1xと、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。
上記(1)で作製したカソード支持体前駆体上に、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、プロトン伝導性固体電解質層の厚さが15μm、カソード支持体の厚さが250μmのハーフセルを作製した。
(3) Preparation of Half Cell Ba 0.9 Sr 0.1 Zr 0.5 Ce 0.4 Y 0.1 O x obtained in the above (2), ethyl cellulose and α-terpineol were mixed in a mortar. Thereafter, the mixture was kneaded using a three-roll mill (manufactured by EXAKT technologies, model “M-80S”) to obtain an electrolyte layer paste.
The paste is applied on the cathode support precursor prepared in the above (1) by a screen printing method, dried at 80 ° C. for 30 minutes, and then baked at 1400 ° C. in an air atmosphere for 2 hours to obtain proton conduction. A half cell was prepared in which the thickness of the conductive solid electrolyte layer was 15 μm and the thickness of the cathode support was 250 μm.

(4) アノード層の作製
市販の純度99.9質量%のLa23、BaCO3およびCo34の粉末を、La0.5Ba0.5CoOx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La0.5Ba0.5CoOx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。
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。
上記(3)で得たハーフセルのプロトン伝導性金属酸化物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。
(4) Preparation of Anode Layer A commercially available powder of La 2 O 3 , BaCO 3 and Co 3 O 4 having a purity of 99.9% by mass was mixed so as to have a composition of La 0.5 Ba 0.5 CoO x . Ethanol was added to the obtained mixture, and the mixture was wet-pulverized with a ball mill for 60 hours, and then dried at 120 ° C. for 10 hours. Next, a powder was obtained by performing a heat treatment at 1100 ° C. for 10 hours. Further, 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 could 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 x , and it was confirmed by X-ray diffraction that it was a single phase composed of perovskite.
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, the mixture was kneaded using a three-roll mill (manufactured by EXAKT technologies, model “M-80S”) to obtain an anode paste.
The above-mentioned anode paste is applied to the opposite side of the cathode support in the proton-conductive metal oxide of the half cell obtained in the above (3) by a screen printing method, and then baked at 850 ° C. for 1 hour in an air atmosphere. An anode layer having a thickness of 30 μm was formed.

実施例2〜6
(2)におけるプロトン伝導性金属酸化物を表1に示すペロブスカイト型金属酸化物に変更した以外は、実施例1と同様にしてセルを作製した。
Examples 2 to 6
A cell was produced in the same manner as in Example 1, except that the proton-conductive metal oxide in (2) was changed to a perovskite-type metal oxide shown in Table 1.

比較例1
上記実施例1の(1)における電解質粒子をBaZr0.44Ce0.360.2x粒子に、上記(2)におけるプロトン伝導性金属酸化物をBaZr0.44Ce0.360.2xに変更し、焼成温度を1550℃にした以外は同様にしてセルを作製した。
Comparative Example 1
The electrolyte particles in (1) of Example 1 were changed to BaZr 0.44 Ce 0.36 Y 0.2 O x particles, and the proton conductive metal oxide in (2) was changed to BaZr 0.44 Ce 0.36 Y 0.2 O x , and the firing temperature was changed. A cell was fabricated in the same manner except that the temperature was changed to 1550 ° C.

比較例2
上記実施例1の(1)におけるプロトン伝導性金属酸化物をSrZr0.5Ce0.40.1x粒子に、上記(2)におけるプロトン伝導性金属酸化物をBaZr0.44Ce0.360.2xに変更した以外は、実施例1と同様にしてセルを作製した。
Comparative Example 2
The proton conductive metal oxide in (1) of Example 1 was changed to SrZr 0.5 Ce 0.4 Y 0.1 O x particles, and the proton conductive metal oxide in (2) was changed to BaZr 0.44 Ce 0.36 Y 0.2 O x . A cell was fabricated in the same manner as in Example 1 except for the above.

比較例3
上記実施例1の(1)における電解質粒子をSrZr0.5Ce0.40.1x粒子に、上記(2)におけるプロトン伝導性金属酸化物をSrZr0.5Ce0.40.1xに変更した以外は同様にしてセルを作製した。
Comparative Example 3
Example 1 was repeated except that the electrolyte particles in (1) were changed to SrZr 0.5 Ce 0.4 Y 0.1 O x particles and the proton conductive metal oxide in (2) was changed to SrZr 0.5 Ce 0.4 Y 0.1 O x. To produce a cell.

試験例1
実施例1〜6及び比較例1〜3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、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。
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
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
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
各セルのアノード層、カソード層および電解質層の組成と電流密度0.5A/cm2でのセル端子電圧、電流効率を表1に示す。
Test example 1
The cells prepared in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 were gas-sealed by sandwiching a glass ring so as not to contact the anode layer and softening at 800 ° C. Then, after the temperature was lowered to 600 ° C. is operating temperature, and reduced the NiO in the cathode support by introducing N 2 gas containing 10v / v% H 2 gas. An argon gas containing 20 v / v% of steam and 1 v / v% of oxygen is introduced at a flow rate of 100 NmL / min to the anode layer side, and an argon gas containing 2 v / v% of steam and 1 v / v% of hydrogen is introduced to the cathode layer side. The flow was introduced at a flow rate of 100 NmL / min. A current-voltage curve was obtained by measuring the voltage while changing the current using a potentiogalvanostat.
In addition, the concentration of hydrogen generated in the cathode layer was determined by gas chromatography, and the flow rate of the cathode outlet gas was measured by a high-precision precision membrane flow meter (manufactured by HORIBA STEC). From the obtained measurement values, the H 2 generation rate was calculated by the following equation.
H 2 production rate (μmol / h · cm 2) = [{(Qv 0 × Hc 0/100) - (Qv 1 × Hc 1/100)} × 60 × 10 6] / (22400 × S)
Qv 0 : Cathode outlet gas flow rate when no current is applied (NmL / min)
Hc 0 : H 2 concentration (v / v%) in the cathode outlet gas when no current is applied
Qv 1 : Cathode outlet gas flow rate during energization (NmL / min)
Hc 1 : H 2 concentration (v / v%) in the cathode outlet gas during energization
S: Anode electrode area (cm 2 )
The theoretical H 2 generation rate was calculated by the following equation.
Theoretical H 2 generation rate (μmol / h · cm 2 ) = {current passed (A) × 3600 (s) × 10 6 } / {2 × F × current area (cm 2 )}
F: Faraday constant addition, H 2 from the production rate and the theoretical H 2 production rate based on the measured values was calculated current efficiency by the following equation.
Current efficiency (%) = (H 2 generation rate / theoretical H 2 generation rate) × 100
Table 1 shows the composition of the anode layer, cathode layer and electrolyte layer, cell terminal voltage and current efficiency at a current density of 0.5 A / cm 2 in each cell.

Figure 0006625855
Figure 0006625855

表1に示す結果のとおり、本発明のプロトン伝導性固体電解質およびその製造方法により、低い消費電力と高い電流効率が可能となり、従来のプロトン伝導性固体電解質より低い温度で焼結させることができる。   As shown in Table 1, the proton conductive solid electrolyte of the present invention and the method for producing the same enable low power consumption and high current efficiency, and can be sintered at a lower temperature than conventional proton conductive solid electrolytes. .

Claims (3)

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、前記プロトン伝導性固体電解質層が、下記式(1):
Ba(1-a)SraZrbCecdx (1)
(ここで、Baはバリウム、Srはストロンチウム、Zrはジルコニウム、Ceはセリウム、Mはネオジム、ガドリニウム、イッテルビウム及びイットリウムから選ばれる少なくとも1種の元素、Oは酸素であり、
a、b、c、dおよびxはそれぞれ、Sr、Zr、Ce、MおよびOの原子比を表し、0.1≦a≦0.2、0.4≦b≦0.7、0.1≦c≦0.4、0.1≦d≦0.2であり、xは各々の元素の酸化状態によって定まる数値である)
で表されるペロブスカイト型のプロトン伝導性金属酸化物を含み、
当該プロトン伝導性金属酸化物中のセリウムに対するジルコニウムのモル比(Zr/Ce比)が、1≦(b/c)≦7であることを特徴とする水蒸気電解用セル。
It has an anode layer and a cathode layer, has a proton conductive solid electrolyte layer between the anode layer and the cathode layer, and the proton conductive solid electrolyte layer has the following formula (1):
Ba (1-a) Sr a Zr b Ce c M d O x (1)
(Where Ba is barium, Sr is strontium, Zr is zirconium, Ce is cerium, M is at least one element selected from neodymium, gadolinium, ytterbium and yttrium, O is oxygen,
a, b, c, d and x represent the atomic ratio of Sr, Zr, Ce, M and O, respectively, and 0.1 ≦ a ≦ 0.2, 0.4 ≦ b ≦ 0.7, 0.1 ≦ c ≦ 0.4, 0.1 ≦ d ≦ 0.2, and x is a numerical value determined by the oxidation state of each element.)
Including a perovskite-type proton conductive metal oxide represented by
A cell for steam electrolysis, wherein a molar ratio of zirconium to cerium (Zr / Ce ratio) in the proton conductive metal oxide is 1 ≦ (b / c) ≦ 7.
上記カソード層が、Ni、Co、Feおよびこれらの酸化物から選択される1以上の金属元素とAサイトにストロンチウムを含み、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を含有する請求項1に記載の水蒸気電解用セル。   The cathode layer contains one or more metal elements selected from Ni, Co, Fe and oxides thereof, strontium at A site, and trivalent material belonging to Group 4 to Group 14 of the periodic table at B site. Alternatively, the cell for steam electrolysis according to claim 1, which contains a perovskite-type metal oxide containing a tetravalent element. 請求項1または2に記載の水蒸気電解セルを製造する方法であって、ペロブスカイト型金属酸化物を含むスラリーをシート化して、空気雰囲気下、1000℃以上、1500℃以下で焼成することによりプロトン伝導性固体電解質層を形成する工程を含む水蒸気電解用セルの製造方法。   The method for producing a steam electrolysis cell according to claim 1, wherein the slurry containing the perovskite-type metal oxide is formed into a sheet and fired at 1,000 ° C. or more and 1500 ° C. or less in an air atmosphere. A method for producing a cell for steam electrolysis, comprising a step of forming a conductive solid electrolyte layer.
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