JP6747778B2 - Cell for steam electrolysis - Google Patents

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Description

本発明は、電流効率が高く、水蒸気から水素ガスを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 steam electrolysis cell which has 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, 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 such as sunlight, solar heat, hydraulic power, wind power, geothermal heat, and biomass that are constantly or repeatedly supplemented from nature, 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, steam electrolysis has been widely studied as a promising technology for producing hydrogen. Steam electrolysis uses gaseous steam instead of liquid water when electrolyzing H 2 O to obtain hydrogen and oxygen. Since it can be operated at high temperatures, 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, oxygen ion conductive electrolytes have been used exclusively. 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。 However, 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.

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。
Anode: 2O 2- → O 2 + 4e -
Cathode: 2H 2 O + 4e → 2H 2 + 2O 2 −
As shown in the above formula, in this case, there is a problem that hydrogen is generated on the cathode side and a separate step for separating 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。 As a technique capable of solving such a problem, for example, as disclosed in Patent Document 2, a technique of performing steam electrolysis using a proton conductive electrolyte has been developed. The electrode reactions occurring at the anode and cathode in the art are as follows.

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供給されるため、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。
Anode: 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e
Cathode: 4H + + 4e - → 2H 2
According to 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 steam is supplied to the anode side, it is not necessary to separate hydrogen from steam. There is an advantage that.

特許文献2に記載の水蒸気電解用セルでは、アノード材料としてBサイトに遷移金属を含むペロブスカイト型酸化物が用いられており、当該遷移金属としてCoが挙げられている。また、特許文献3には、酸化極材料としてBaとCoを含むペロブスカイト型酸化物が開示されている。 In the steam electrolysis cell described in Patent Document 2, a perovskite type oxide containing a transition metal at the B site is used as an anode material, and Co is mentioned as the transition metal. Further, Patent Document 3 discloses a perovskite type oxide containing Ba and Co as an oxidizing electrode material.

特開2005−150122号公報JP, 2005-150122, A 特開2009−209441号公報JP, 2009-209441, A 特開2001−250563号公報JP 2001-250563 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 steam electrolysis cell containing a proton conductive solid electrolyte. However, the cell for steam electrolysis described in Patent Document 2 has a problem that although the cell terminal voltage is low, the current efficiency and the H 2 generation rate are also low.

また、特許文献3にはBaとCoを含むペロブスカイト型酸化物を固体電解質や酸化極として利用することが記載されている。しかし、かかる固体電解質や酸化極は燃料電池やガスセンサーに適用されるものであり、特許文献3には水蒸気電解用セルへ適用する旨の記載はない。 Further, Patent Document 3 describes that a perovskite type oxide containing Ba and Co is used as a solid electrolyte or an oxidation electrode. However, such a solid electrolyte or an oxidizing electrode is applied to a fuel cell or a gas sensor, and Patent Document 3 does not describe that it is applied to a steam electrolysis cell.

そこで本発明は、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
電解用セルを提供することを目的とする。
Therefore, an object of the present invention is to provide a cell for steam electrolysis that can obtain high current efficiency and efficiently produce H 2 .

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の構成成分としてBaとCoを含むペロブスカイト型酸化物を用いれば、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ことを見出して、本発明を完成した。 The present inventors have conducted extensive studies to solve the above problems. As a result, it was found that high current efficiency can be obtained and H 2 can be efficiently produced by using a perovskite type oxide containing Ba and Co as a constituent component of the anode layer of the cell for steam electrolysis. Completed the invention.

以下、本発明を示す。 The present invention will be described below.

[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、
当該アノード層が、BaとCoを含むペロブスカイト型酸化物を含有することを特徴とする水蒸気電解用セル。
[1] An anode layer and a cathode layer are provided, and a proton conductive solid electrolyte layer is provided between the anode layer and the cathode layer,
A cell for steam electrolysis, wherein the anode layer contains a perovskite type oxide containing Ba and Co.

[2] 上記ペロブスカイト型酸化物のAサイトにBaがモル比で30%以上含まれ、且つ、Bサイトに少なくともCoが含まれる上記[1]に記載の水蒸気電解用セル。 [2] The cell for steam electrolysis according to the above [1], wherein the A site of the perovskite-type oxide contains Ba in a molar ratio of 30% or more, and the B site contains at least Co.

[3] 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]または[2]に記載の水蒸気電解用セル。 [3] 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]. Alternatively, the cell for steam electrolysis according to [2].

[4] 上記アノード層が、900℃以下の温度での焼成で形成されたものである上記[1]〜[3]のいずれかに記載の水蒸気電解用セル。 [4] The steam electrolysis cell according to any one of the above [1] to [3], wherein the anode layer is formed by firing at a temperature of 900° C. or lower.

[5] 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]〜[4]のいずれかに記載の水蒸気電解用セル。 [5] A perovskite type in which the proton conductive solid electrolyte layer contains 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 any one of the above [1] to [4], which contains a metal oxide.

[6] 上記カソード層が、ニッケル、コバルト、鉄から選択される1以上の金属元素と、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]〜[5]のいずれかに記載の水蒸気電解用セル。 [6] The cathode layer contains at least one metal element selected from nickel, cobalt, and iron, an alkaline earth metal at the A site, and a B site belonging to Groups 4 to 14 of the periodic table. The steam electrolysis cell according to any one of the above [1] to [5], which contains a perovskite-type metal oxide containing a trivalent or tetravalent transition metal.

本発明に係る水蒸気電解用セルは、所定の電流を得るために必要な電圧が従来の水蒸気電解用セルとほとんど変わらない。それにもかかわらず、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い。よって、本発明に係る水蒸気電解用セルは、より低いエネルギーで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。 In the steam electrolysis cell according to the present invention, the voltage required to obtain a predetermined current is almost the same as that of the conventional steam electrolysis cell. Nevertheless, the H 2 generation rate per electrode area at a current density of more than 0.1 A/cm 2 is higher than that of the conventional steam electrolysis cell. Therefore, the cell for steam electrolysis according to the present invention is industrially very excellent in that H 2 can be efficiently produced with lower energy.

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 manufacturing 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 There are mainly electrolyte-supported cells and electrode-supported cells as cells for steam electrolysis. In the case of the electrolyte-supported cell, the firing temperature of the electrolyte layer is generally the highest among the electrolyte layer, the anode layer, and the cathode layer, so that the electrolyte layer is first prepared. In the case of the electrode-supported cell, the electrolyte layer is formed on the electrode layer which will be 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 a metal oxide exhibiting proton conductivity, and such a proton conductive metal oxide has, for example, an ABO 3 type structure. Perovskite type oxides, pyrochlore type 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 millerite type 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、好ましくは、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を挙げることができ、当該Bサイトに含まれる元素としては、より好ましくはZr、Ce、TiまたはScを挙げることができる。さらには、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好ましく、中でも、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好ましい。具体的には、Sr−Zr−Y系、Sr−Zr−Ce−Y系、Ca−Zr−In系、La−Sc系、Sr−Ce−Yb系、La−Sr−Ti−Nb系のペロブスカイト型金属酸化物などが挙げられる。 As the material of the proton conductive solid electrolyte, a perovskite type metal oxide having an ABO 3 type structure is preferably used since the anode layer contains a perovskite type oxide as a main component. The perovskite-type metal oxide is preferably a perovskite-type metal whose A site contains an alkaline earth metal and whose B site contains a trivalent or tetravalent element belonging to Groups 4 to 14 of the periodic table. An oxide can be mentioned, and the element contained in the B site can more preferably be Zr, Ce, Ti or Sc. Furthermore, at least a part of at least one of A site and B site is La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Eu, Yb, Sc, Y, In, Ga, Fe, Co, Ni, Zn, Ta, Nb. It is preferable to use a perovskite-type metal oxide substituted with one or more elements selected from the above. Among them, at least part of at least one of A site and B site is La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Eu, It is preferable to use a perovskite-type metal oxide substituted with one or more elements selected from Yb, Sc, Y, In, and Ga. Specifically, Sr-Zr-Y system, Sr-Zr-Ce-Y system, Ca-Zr-In system, La-Sc system, Sr-Ce-Yb system, La-Sr-Ti-Nb system perovskite. Type metal oxides and the like.

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、プロトン伝導性は確保することはできるが、セル強度が十分に確保できないおそれがあり得る。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。すなわち、当該厚さが50μm以上、500μm以下であれば、セル強度とプロトン伝導性の両方をより確実に確保することが可能になる。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以上であれば、プロトン伝導性固体電解質層をスクリーンプリントなどの工業的プロセスでもより容易に形成することができる。一方、当該厚さが50μm以下であれば、電極支持型セルに比べてプロトン伝導性がより一層確実に確保される。本発明においては、電極支持型セルがより好ましい。 The thickness of the proton conductive solid electrolyte layer is not particularly limited and may be appropriately set according to 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. When the thickness is less than 50 μm, proton conductivity can be ensured, but cell strength may not be sufficiently secured. On the other hand, if the thickness exceeds 500 μm, the proton conductivity may be impaired. That is, when the thickness is 50 μm or more and 500 μm or less, both cell strength and proton conductivity can be more reliably ensured. 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 1 μm or more, the proton conductive solid electrolyte layer can be more easily formed by an industrial process such as screen printing. On the other hand, when the thickness is 50 μm or less, the proton conductivity is more surely secured as compared with the electrode-supported cell. In the present invention, the electrode-supported cell is more preferable.

プロトン伝導性固体電解質層の作製方法は、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. An organic solvent such as ethanol or terpineol, a dispersant, a plasticizer, a binder such as ethyl cellulose, etc. are added to the proton conductive metal oxide, and the mixture is wet pulverized and mixed in a ball mill or the like to form a slurry, which is then green by the doctor blade method or the like. Use as a sheet. Then, by firing, a proton conductive solid electrolyte layer can be obtained. In the case of an electrode-supported cell, the above-mentioned slurry is applied onto the electrode layer serving as a support layer and then baked to form a proton conductive solid electrolyte layer on the support electrode layer.

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様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 cell for steam electrolysis of the present invention is an electrolyte-supported cell, it is baked after applying the anode layer paste and the cathode layer paste to the proton conductive solid electrolyte layer. The anode layer and the cathode layer may be formed by applying each paste to the proton conductive solid electrolyte layer and then firing the paste at the same time. However, since the firing temperatures of the anode layer and the cathode layer are not always the same, it is generally preferable to first form the 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、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前駆体を支持層とし、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 cell for steam electrolysis 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, generally, since the baking temperature of the cathode layer is higher than that of the anode layer, the cathode layer or its precursor is used as a supporting layer, an electrolyte layer is formed thereon, and further, the electrolyte layer is formed on the electrolyte layer. Form the anode layer.

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るが、本発明では、BaとCoを含むペロブスカイト型酸化物を主成分として用いる。かかるアノード層材料としてかかるペロブスカイト型酸化物が用いられた本発明の水蒸気電解用セルによって、高い電流効率が得られ、H2を効率的に製造することが可能になる。 The anode layer of the cell for steam electrolysis according to the present invention is required to exhibit a catalytic action for promoting the reaction of 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e and 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, but in the present invention, a perovskite-type oxide containing Ba and Co is used as a main component. To use. The cell for steam electrolysis of the present invention using such a perovskite type oxide as the material for the anode layer provides high current efficiency and enables efficient production of H 2 .

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、BaとCoを含むペロブスカイト型酸化物である。本発明において「当該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当該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%が上記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 steam electrolysis cell according to the present invention is the perovskite type oxide containing Ba and Co. In the present invention, “the perovskite type oxide is the main component of the anode layer” means that the components of the anode layer are excluded from the raw materials of the components except the components such as binder and solvent that are lost by firing during formation of the anode layer. The ratio of the perovskite oxide is 60 v/v% or more. The ratio is preferably 65 v/v% or more, more preferably 70 v/v% or more, still more 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 the perovskite type oxide, but as described below, other components may be included. Since it may be contained, the ratio is preferably 95 v/v% or less, more preferably 90 v/v% or less, and further preferably 85 v/v% or less.

Baはアルカリ土類金属の一種であり、ペロブスカイト型酸化物では、通常、Aサイトに位置し、CoはBサイトに位置する。 Ba is a kind of alkaline earth metal, and in a perovskite type oxide, it is usually located at the A site and Co is located at the B site.

上記ペロブスカイト型酸化物のAサイトに位置する金属元素におけるBaの割合としてはモル比で30%以上が好ましい。当該モル比が30%以上であれば、Coと共にBaの作用効果が十分に発揮され、本発明に係る水蒸気電解用セルにより、高い電流効率が得られ、H2を効率的に製造することがより確実に可能になる。当該モル比としては35%以上がより好ましく、40%以上がさらに好ましく、45%以上が特に好ましい。一方、当該モル比の上限は100%でもよいが、90%以下がより好ましく、80%以下がさらに好ましく、70%以下が特に好ましい。上記ペロブスカイト型酸化物のAサイトの一部に置換させてもよい元素としては、例えば、Sr、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Ybから選択される1以上の元素を挙げることができ、Sr、La、Sm、Gdから選択される1以上の元素がより好ましい。 The proportion of Ba in the metal element located at the A site of the perovskite type oxide is preferably 30% or more in terms of molar ratio. When the molar ratio is 30% or more, the action effect of Ba together with Co is sufficiently exerted, high current efficiency can be obtained, and H 2 can be efficiently produced by the cell for steam electrolysis according to the present invention. It will be possible more reliably. The molar ratio is more preferably 35% or more, further preferably 40% or more, particularly preferably 45% or more. On the other hand, the upper limit of the molar ratio may be 100%, more preferably 90% or less, further preferably 80% or less, particularly preferably 70% or less. Examples of the element that may be substituted for a part of the A site of the perovskite type oxide include one or more elements selected from Sr, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, and Yb. It is possible, and one or more elements selected from Sr, La, Sm, and Gd are more preferable.

上記ペロブスカイト型酸化物のBサイトに位置する金属元素におけるCoの割合は特に制限されず、適宜調整すればよいが、例えば、モル比で50%以上が好ましい。当該モル比が50%以上であれば、Baと共にCoの作用効果が十分に発揮され、本発明に係る水蒸気電解用セルにより、高い電流効率が得られ、H2を効率的に製造することがより確実に可能になる。当該モル比としては60%以上、70%以上または80%以上がより好ましく、90%以上または95%以上が特に好ましい。一方、当該モル比の上限は100%が好ましい。上記ペロブスカイト型酸化物のBサイトの一部に置換させてもよい元素としては、例えば、NiまたはFeの少なくとも一方を挙げることができる。 The proportion of Co in the metal element located at the B site of the perovskite type oxide is not particularly limited and may be appropriately adjusted, but for example, the molar ratio is preferably 50% or more. When the molar ratio is 50% or more, the action effect of Co together with Ba is sufficiently exerted, and the cell for steam electrolysis according to the present invention can obtain high current efficiency and efficiently produce H 2. It will be possible more reliably. The molar ratio is more preferably 60% or more, 70% or more or 80% or more, and particularly preferably 90% or more or 95% or more. On the other hand, the upper limit of the molar ratio is preferably 100%. Examples of the element that may be substituted for a part of the B site of the perovskite type oxide include at least one of Ni and Fe.

上述したアノード層の構成成分以外の成分としては、例えば、プロトン導電性の電解質材料や電子導電性材料の構成成分と同様のものを挙げることができる。 Examples of the components other than the above-mentioned constituents of the anode layer include the same constituents as those of the proton conductive electrolyte material and the electronic conductive material.

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することが好ましい。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 the anode layer of the cell for steam electrolysis according to the present invention, it is preferable to add an electron conductive component in addition to the perovskite type oxide. As the electronically conductive component, a metal such as silver, nickel, cobalt, iron, platinum, palladium, ruthenium or the like; an electronically conductive metal such as silver oxide, nickel oxide, cobalt oxide, iron oxide in a reducing atmosphere or an air atmosphere Metal oxides that change; or complex metal oxides such as nickel ferrite and cobalt ferrite containing two or more of these oxides. These may be used alone, or may be used in combination of two or more kinds as required. 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ず適宜調整すればよいが、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。 The amount of the electron conductive component used is not particularly limited and may be appropriately adjusted. For example, it is preferable that the mass ratio to the entire electrode is 2.0% by mass or more and 25% by mass or less. If the said ratio is 2.0 mass% or more, electronic conductivity will be exhibited more reliably. On the other hand, if the proportion is too large, the porosity of the electrode may be excessively reduced, so that the proportion 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。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 depending on the cell shape and the like. For example, in both the electrolyte-supported cell and the electrode-supported cell, the range is preferably 5 μm or more and 100 μm or less.

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。当該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 a conventional method. For example, as in the case of the proton conductive solid electrolyte layer, a paste of the above-mentioned constituents may be prepared, coated on the proton conductive solid electrolyte layer so as to obtain a desired film thickness, and then baked. In the case of an electrode-supported cell having the 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 further the electrolyte layer The other electrode layer may be formed thereover. Alternatively, a porous support layer may be formed under the electrode layer (on the side opposite to the electrolyte layer).

アノード層を形成するための焼成温度としては、電流効率の観点から900℃以下が好ましく、850℃以下がより好ましい。 The firing temperature for forming the anode layer is preferably 900° C. or lower, more preferably 850° C. or lower, from the viewpoint of current efficiency.

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 is required to have a catalytic action for promoting the reaction of 4H + + 4e → 2H 2 and have electron 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-type oxide that is a material of the proton conductive solid electrolyte layer. A mixture of a metal element and a perovskite type oxide is preferable from the viewpoints 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、金属元素としては、ニッケル、コバルト、鉄が好ましい。 Examples of the material 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; or these. The mixed metal oxides such as nickel ferrite and cobalt ferrite containing two or more kinds of oxides of These may be used alone, or may be used in combination of two or more kinds as required. Among these, nickel, cobalt, and iron are preferable as the metal element.

プロトン伝導性金属酸化物としては、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価の元素で構成されたペロブスカイト型金属酸化物を挙げることができ、当該Bサイトに含まれる元素としては、より好ましくはZr、Ce、TiまたはScを挙げることができる。さらには、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好ましく、中でも、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好ましい。具体的には、Sr−Zr−Y系、Sr−Zr−Ce−Y系、Ca−Zr−In系、La−Sc系、Sr−Ce−Yb系、La−Sr−Ti−Nb系のペロブスカイト型金属酸化物などが挙げられる。 As the proton conductive metal oxide, a perovskite-type metal whose A site contains an alkaline earth metal and whose B site is composed of a trivalent or tetravalent element belonging to Groups 4 to 14 of the periodic table An oxide can be mentioned, and the element contained in the B site can more preferably be Zr, Ce, Ti or Sc. Furthermore, at least part of at least one of the A site and the B site is La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Eu, Yb, Sc, Y, In, Ga, Fe, Co, Ni, Zn, Ta, Nb. It is preferable to use a perovskite-type metal oxide substituted with one or more elements selected from the group consisting of La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Eu, at least a part of at least one of the A site and the B site. It is preferable to use a perovskite-type metal oxide substituted with one or more elements selected from Yb, Sc, Y, In, and Ga. Specifically, Sr-Zr-Y system, Sr-Zr-Ce-Y system, Ca-Zr-In system, La-Sc system, Sr-Ce-Yb system, La-Sr-Ti-Nb system perovskite. Type metal oxides and the like.

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 type oxide is used as the cathode material, the ratio thereof is not particularly limited, and may be appropriately adjusted in consideration of the electron conductivity and the catalytic ability 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. The ratio is more preferably 25 v/v% or more and 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, it is preferably 5 μm or more and 100 μm or less. In the case of an electrode-supported cell having 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。当該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。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。 The cathode layer can be formed by a conventional method. For example, as in the case of the proton conductive solid electrolyte layer, a paste of the above-mentioned constituents may be prepared, coated on the proton conductive solid electrolyte layer so as to obtain a desired film thickness, and then baked. In the case of an electrode-supported cell having the 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 further the electrolyte layer The other electrode layer may be formed thereover. Alternatively, a porous support layer may be formed under the electrode layer (on the side opposite to 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 positively performing the reduction treatment, and the volume is reduced by that amount to make the cathode layer porous. You can A cell for steam electrolysis having such a porous cathode layer has an even higher H 2 production capacity.

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。 H 2 can be efficiently produced 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 flowing a 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 a higher current efficiency, which is the production efficiency of H 2 with respect to the applied current, than the conventional cell, but 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 in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples, and appropriate changes may be made within a range that can conform to the gist of the preceding and the following. Of course, it is possible to carry out, 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、有機溶媒中、乳鉢で攪拌混合して混合物を得た。この混合物をプレス機にて一軸成型および等方静水圧プレスし、円板状に成型した。この円板状成形体を1250℃で10時間焼成し、直径25φ、厚み0.5mmの電極支持体を作製した。
Example 1
(1) Preparation of Cathode Support Commercially available nickel oxide powder (manufactured by Shodo Kagaku Co., Ltd., product name “Green”) and SrZr 0.5 Ce 0.4 Y 0.1 O 3 −δ particles as electrolyte particles were added to the nickel oxide powder 50 vol%. Then, the electrolyte particles were weighed so as to be 50 vol %, and stirred and mixed in an organic solvent in a mortar to obtain a mixture. This mixture was uniaxially molded and isotropically hydrostatically pressed by a pressing machine to form a disc. This disk-shaped compact was fired at 1250° C. for 10 hours to prepare an electrode support having a diameter of 25φ and a thickness of 0.5 mm.

(2) プロトン伝導性電解質層の作製
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) Preparation of Proton Conductive Electrolyte Layer SrZr 0.5 Ce 0.4 Y 0.1 O 3-δ , ethyl cellulose and α-terpineol were mixed in a mortar. Then, the mixture was kneaded using a three-roll mill (manufactured by EXAKT Technologies, model “M-80S”) to obtain an electrolyte layer paste.

当該ペーストを上記電極支持体にスクリーン印刷法で塗布し、乾燥後、1400℃、空気雰囲気下で2時間焼成し、厚さ20μmのプロトン伝導性電解質層を形成した。 The paste was applied to the above electrode support by a screen printing method, dried, and then baked at 1400° C. in an air atmosphere for 2 hours to form a proton conductive electrolyte layer having a thickness of 20 μm.

(3) La0.5Ba0.5CoO3-δ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、La0.5Ba0.5CoO3-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時間焼成することにより、焼成粉末を得た。さらに、得られた焼成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電極触媒粉末とした。得られた電極触媒粉末の組成は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。
(3) Preparation of La 0.5 Ba 0.5 CoO 3-δ Anode Layer Commercially available powders of La 2 O 3 , BaCO 3 and Co 3 O 4 having a purity of 99.9% by mass were mixed with La 0.5 Ba 0.5 CoO 3-δ . Mixed so that Ethanol was added to the obtained mixture, the mixture was wet-milled for 60 hours with a ball mill, and then dried at 120° C. for 10 hours. Then, it was fired at 1100° C. for 10 hours to obtain a fired powder. Further, ethanol was added to the obtained calcined powder, the mixture was wet pulverized with a ball mill for 100 hours, and then dried at 120° C. for 10 hours to obtain an electrode catalyst powder which can be used as an anode layer material for steam electrolysis. The composition of the obtained electrode catalyst 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.

上記電極触媒粉末とAgOとの体積比が8:2となるように、上記電極触媒粉末とAgO粉末(和光純薬社製)を混合し、さら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。 The electrode catalyst powder and AgO powder (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were mixed so that the volume ratio of the electrode catalyst powder and AgO was 8:2, and further ethyl cellulose as a binder and α-terpineol as a solvent. In addition, mixed in a mortar. Then, the mixture was kneaded using a three-roll mill (manufactured by EXAKT Technologies, model “M-80S”) to obtain an anode paste.

上記プロトン伝導性電解質の支持電極層の反対側に、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 was applied to the opposite side of the supporting electrode layer of the proton conductive electrolyte by a screen printing method, and then baked at 850° C. in an air atmosphere for 1 hour to form an anode layer having a thickness of 30 μm. ..

比較例1
上記実施例1において、市販の純度99.9質量%のSm23、SrCO3およびCo34の粉末を用い、La0.5Ba0.5CoO3-δをSm0.5Sr0.5CoO3-δに代えてアノード層を形成した以外は同様にしてセルを作製した。
Comparative Example 1
In Example 1, using commercially available powders of Sm 2 O 3 , SrCO 3 and Co 3 O 4 having a purity of 99.9% by mass, La 0.5 Ba 0.5 CoO 3-δ was converted into Sm 0.5 Sr 0.5 CoO 3-δ . A cell was prepared in the same manner except that the anode layer was formed instead.

実施例2
上記実施例1において、アノード層の焼成温度を800℃に変更した以外は同様にしてセルを作製した。
Example 2
A cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that the firing temperature of the anode layer was changed to 800°C.

実施例3
上記実施例1において、アノード層の焼成温度を900℃に変更した以外は同様にしてセルを作製した。
Example 3
A cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that the firing temperature of the anode layer was changed to 900°C.

実施例4
上記実施例1において、カソード層におけるペロブスカイト型酸化物の割合を28vol%、酸化ニッケル粉末の割合を72vol%に変更した以外は同様にしてセルを作製した。
Example 4
A cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that the proportion of the perovskite oxide in the cathode layer was changed to 28 vol% and the proportion of the nickel oxide powder was changed to 72 vol %.

実施例5
上記実施例4において、La0.5Ba0.5CoO3-δをLa0.6Ba0.4CoO3-δに代えてアノード層を形成した以外は同様にしてセルを作製した。
Example 5
A cell was prepared in the same manner as in Example 4, except that the anode layer was formed by replacing La 0.5 Ba 0.5 CoO 3-δ with La 0.6 Ba 0.4 CoO 3-δ .

実施例6
上記実施例4において、La0.5Ba0.5CoO3-δをLa0.4Ba0.6CoO3-δに代えてアノード層を形成した以外は同様にしてセルを作製した。
Example 6
A cell was prepared in the same manner as in Example 4 except that the anode layer was formed by replacing La 0.5 Ba 0.5 CoO 3-δ with La 0.4 Ba 0.6 CoO 3-δ .

実施例7
上記実施例4において、La0.5Ba0.5CoO3-δをLa0.5Ba0.5Co0.9Fe0.13-δに代えてアノード層を形成した以外は同様にしてセルを作製した。
Example 7
A cell was prepared in the same manner as in Example 4 except that La 0.5 Ba 0.5 CoO 3 was replaced with La 0.5 Ba 0.5 Co 0.9 Fe 0.1 O 3-δ to form an anode layer.

試験例1
上記実施例1〜7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ガスを導入して電極支持体中のNiOを還元することにより、電極支持体を多孔質Ni−SrZr0.5Ce0.40.13-δカソード層とした。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 produced in Examples 1 to 7 and Comparative Example 1 so as not to come into contact with the anode layer, and the cells were softened at 800° C. to perform gas sealing. Then, after the temperature was lowered to 600 ° C. is a working temperature, by introducing N 2 gas containing 10v / v% H 2 gas to reduce the NiO of the electrode support in a porous Ni-SrZr the electrode support As a 0.5 Ce 0.4 Y 0.1 O 3-δ cathode layer. Argon gas containing 20 v/v% of steam and 1 v/v% of oxygen was introduced into the anode layer side at a flow rate of 100 NmL/min, and argon gas containing 2 v/v% of steam and 1 v/v% hydrogen was introduced into the cathode layer side. It was introduced at a flow rate of 100 NmL/min. The current-voltage curve was obtained by measuring the voltage while changing the current using a potentiogalvanostat.

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。 In addition, 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 (manufactured by Horiba STEC Co., Ltd.). The H 2 generation rate was calculated from the obtained measured value by the following formula.

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
H 2 generation rate (μmol/h·cm 2 )=[{(Qv0×Hc0/100)−(Qv1×Hc1/100)}]×60×10 6 ]/(22400×S)
Qv0: Gas flow rate at cathode outlet when not energized (NmL/min)
Hc0: H 2 concentration (v/v%) in the cathode outlet gas when not energized
Qv1: Cathode outlet gas flow rate when energized (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
Further, the theoretical H 2 generation rate was calculated by the following formula.
Theoretical H 2 generation rate (μmol/h·cm 2 )={Electrified current (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。結果を表1に示す。
電流効率(%)=(H2生成速度/理論H2生成速度)×100
Furthermore, the H 2 production rate based on the measured value and the theoretical H 2 production rate was calculated current efficiency by the following equation. The results are shown in Table 1.
Current efficiency (%)=(H 2 generation rate/theoretical H 2 generation rate)×100

表1に示す結果のとおり、アノード層がBaとCoを含むペロブスカイト型酸化物を含有する本発明セル(実施例1〜7)と従来セル(比較例1)とを比較すると、本発明セルの電流密度に対するH2生成速度が従来セルに比べて明らかに大きくなっており、電流効率は向上している。かかる実験結果より、アノード材料としてBaとCoを含むペロブスカイト型酸化物を用いることにより、従来セルより高い電流効率が得られ、H2を効率的に製造できることが示された。 As shown in the results shown in Table 1, comparing the cells of the present invention (Examples 1 to 7) in which the anode layer contains the perovskite type oxide containing Ba and Co with the conventional cell (Comparative Example 1), the cells of the present invention were compared. The H 2 generation rate with respect to the current density is clearly higher than that of the conventional cell, and the current efficiency is improved. From these experimental results, it was shown that by using the perovskite type oxide containing Ba and Co as the anode material, higher current efficiency than that of the conventional cell was obtained and H 2 could be efficiently produced.

Claims (4)

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、
当該アノード層が、BaとCoを含むペロブスカイト型酸化物を含有し、
当該ペロブスカイト型酸化物のAサイトにおけるBaのモル比が30%以上であり、
当該ペロブスカイト型酸化物のAサイトの一部が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おり、
当該ペロブスカイト型酸化物のAサイトにおけるLa、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、GdおよびYbから選択される1以上の元素のモル比が40%以上、60%以下であり、
当該ペロブスカイト型酸化物のBサイトにCoが含まれ、当該BサイトにおけるCoのモル比が90%以上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, and has a proton conductive solid electrolyte layer between the anode layer and the cathode layer,
The anode layer contains a perovskite type oxide containing Ba and Co,
The molar ratio of Ba at the A site of the perovskite type oxide is 30% or more,
A part of the A site of the perovskite type oxide is substituted with one or more elements selected from La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd and Yb,
The molar ratio of one or more elements selected from La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd and Yb at the A site of the perovskite type oxide is 40% or more and 60% or less,
A cell for steam electrolysis, wherein Co is contained in the B site of the perovskite type oxide, and the molar ratio of Co in the B site is 90% or more.
上記アノード層が、900℃以下の温度での焼成で形成されたものである請求項1に記載の水蒸気電解用セル。 The cell for steam electrolysis according to claim 1, wherein the anode layer is formed by firing at a temperature of 900°C or lower. 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請求項1または2に記載の水蒸気電解用セル。 A perovskite-type metal oxide in which the proton conductive solid electrolyte layer contains 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. A cell for steam electrolysis according to claim 1 or 2, which comprises: 上記カソード層が、ニッケル、コバルト、鉄から選択される1以上の金属元素と、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請求項1〜のいずれかに記載の水蒸気電解用セル。 The cathode layer contains at least one metal element selected from nickel, cobalt and iron, an alkaline earth metal at the A site, and a trivalent group belonging to Groups 4 to 14 of the periodic table at the B site. steam electrolysis cell according to any one of claims 1 to 3 containing perovskite-type metal oxide containing tetravalent transition metal.
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