JP7114555B2 - Electrodes for water vapor electrolysis - Google Patents

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Description

本発明は、水蒸気電解用電極に関し、さらに詳しくは、固体酸化物型電解セル(SOEC)の水素極として好適な水蒸気電解用電極に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a steam electrolysis electrode, and more particularly to a steam electrolysis electrode suitable as a hydrogen electrode for a solid oxide electrolysis cell (SOEC).

固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、電解質として酸化物イオン伝導体を用いた燃料電池である。SOFCのアノードに、H2、CO、CH4などの燃料ガスを供給し、カソードにO2を供給すると、電極反応が進行し、電力を取り出すことができる。電極反応により生成したCO2やH2Oは、SOFC外に排出される。
一方、固体酸化物形電解セル(SOEC)は、SOFCと構造は同じであるが、SOFCとは逆の反応を起こさせるものである。すなわち、SOECのカソード(水素極)にCO2やH2Oを供給し、電極間に電流を流すと、COやH2を生成させることができる。
A solid oxide fuel cell (SOFC) is a fuel cell that uses an oxide ion conductor as the electrolyte. When a fuel gas such as H 2 , CO, or CH 4 is supplied to the anode of the SOFC, and O 2 is supplied to the cathode, an electrode reaction proceeds and electric power can be extracted. CO 2 and H 2 O generated by the electrode reaction are discharged outside the SOFC.
On the other hand, a solid oxide electrolysis cell (SOEC) has the same structure as the SOFC, but causes the opposite reaction to the SOFC. That is, when CO 2 or H 2 O is supplied to the cathode (hydrogen electrode) of the SOEC and current is passed between the electrodes, CO and H 2 can be generated.

SOECは、電解質の一方の面に酸素極が接合され、他方の面に水素極が接合された単セルを備えている。このようなSOECを構成する部材の材料として、一般的には、以下のような材料が用いられている(非特許文献1~6参照)。
(a)電解質: イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、スカンジア安定化ジルコニア(SSZ)、サマリアドープトセリア(SDC)、ランタンストロンチウムガリウムマグネシウム酸化物(LSGM)など。
(b)酸素極: ランタンストロンチウムマンガナイト(LSM)、ランタンストロンチウムコバルトフェライト(LSCF)、ランタンストロンチウムコバルタイト(LSC)など。
(c)水素極: Ni/YSZ、NI/SDC、Ni-Fe/SDCなど。
A SOEC has a single cell with an oxygen electrode bonded to one side of the electrolyte and a hydrogen electrode bonded to the other side. The following materials are generally used as materials for members constituting such SOECs (see Non-Patent Documents 1 to 6).
(a) Electrolyte: yttria-stabilized zirconia (YSZ), scandia-stabilized zirconia (SSZ), samaria-doped ceria (SDC), lanthanum strontium gallium magnesium oxide (LSGM), and the like.
(b) Oxygen electrode: lanthanum strontium manganite (LSM), lanthanum strontium cobalt ferrite (LSCF), lanthanum strontium cobaltite (LSC) and the like.
(c) Hydrogen electrode: Ni/YSZ, NI/SDC, Ni—Fe/SDC and the like.

SOECの水素極には、一般に、Ni/YSZサーメットが用いられる。しかし、水素極には、燃料となる水蒸気が高温下(700℃以上)で供給される。そのため、電極に含まれるNiが容易に酸化され、NiOが形成される。NiOは絶縁体であるため、電極中にNiOが形成されると、その部分では電子パスが途絶え、電極反応が進行しなくなる。その結果、電解特性が低下する。 A Ni/YSZ cermet is generally used for the SOEC hydrogen electrode. However, steam as a fuel is supplied to the hydrogen electrode at a high temperature (700° C. or higher). Therefore, Ni contained in the electrode is easily oxidized to form NiO. Since NiO is an insulator, when NiO is formed in the electrode, the electron path is interrupted at that portion, and the electrode reaction does not proceed. As a result, the electrolytic properties are degraded.

Ebbesen, S. D.; Hansen, J. B.; Morgensen, M. B. ECS Trans. 2013, 57, 3217.Ebbesen, S. D.; Hansen, J. B.; Morgensen, M. B. ECS Trans. 2013, 57, 3217. Jensen, S. H.; Larsen, P. H.; Mogensen, M. Int. J. Hydrogen Energy 2007, 32, 3253.Jensen, S. H.; Larsen, P. H.; Mogensen, M. Int. J. Hydrogen Energy 2007, 32, 3253. Katahira, K.; Kohchi, Y.; Shimura, T.; Iwahara, H. Solid State Ionics 2000, 138, 91.Katahira, K.; Kohchi, Y.; Shimura, T.; Iwahara, H. Solid State Ionics 2000, 138, 91. Languna-Bercero, M. A.; Skinner, S. J.; Kilner, J. A. J. Power Sources 2009, 192, 126.Languna-Bercero, M.A.; Skinner, S.J.; Kilner, J.A.J. Power Sources 2009, 192, 126. O'Brien, J. E.; Stoots, C. M.; Herring, J. S.; Lessing, P. A.; Hartvigsen, J. J.; Elangovan, S. J. Fuel Cell Sci. Technol. 2005, 2, 156.O'Brien, J. E.; Stoots, C. M.; Herring, J. S.; Lessing, P. A.; Hartvigsen, J. J.; Sune Dalgaard Ebbesen, Soren Hojgaard Jensen, Anne Hauch, and Morgens Bjerg Morgensen, Chem. Rev. 2014, 114, 1069Sune Dalgaard Ebbesen, Soren Hojgaard Jensen, Anne Hauch, and Morgens Bjerg Morgensen, Chem. Rev. 2014, 114, 1069

本発明が解決しようとする課題は、高温の水蒸気に曝されても電子伝導性の低下が少ない水蒸気電解用電極を提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is to provide an electrode for steam electrolysis in which the decrease in electronic conductivity is small even when exposed to high-temperature steam.

上記課題を解決するために本発明に係る水蒸気電解用電極は、以下の構成を備えている。
(1)前記水蒸気電界用電極は、
拡散層と、
前記拡散層の電解質層側表面に形成された活性層と
を備えている。
(2)前記拡散層は、
Ni粒子(A)と、
固体酸化物からなる電解質粒子(A)と
を含むサーメット(A)からなる。
(3)前記活性層は、
Ni粒子(B)と、
イットリア安定化ジルコニアからなるYSZ粒子と、
LaドープCeO2-ZrO2固溶体からなるLCZ粒子と
を含むサーメット(B)からなる。
In order to solve the above problems, the steam electrolysis electrode according to the present invention has the following configuration.
(1) The water vapor electric field electrode is
a diffusion layer;
and an active layer formed on the electrolyte layer side surface of the diffusion layer.
(2) the diffusion layer,
Ni particles (A);
A cermet (A) containing electrolyte particles (A) made of a solid oxide.
(3) the active layer,
Ni particles (B);
YSZ particles made of yttria-stabilized zirconia;
cermet (B) containing LCZ particles made of La-doped CeO 2 --ZrO 2 solid solution.

CeO2-ZrO2固溶体(CZ)は、酸化物イオン伝導体としての機能に加えて、酸素吸蔵・放出能を持つ。そのため、Ni/YSZサーメットからなる電極にCZを添加すると、Niの酸化をある程度抑制することができる。
しかしながら、Ni、YSZ、及びCZの混合物を焼成して電極を作製する場合、CZが高温に曝されるために、CZの一部が分解し、別の相が生成する場合がある。CZの分解が進行すると、酸素吸蔵・放出能力が低下し、Niの酸化を抑制する効果が低下する。
A CeO 2 —ZrO 2 solid solution (CZ) has an oxygen storage/release capability in addition to its function as an oxide ion conductor. Therefore, when CZ is added to an electrode made of Ni/YSZ cermet, oxidation of Ni can be suppressed to some extent.
However, when sintering a mixture of Ni, YSZ, and CZ to produce an electrode, the CZ is exposed to high temperatures, and some of the CZ may decompose to form another phase. As the decomposition of CZ progresses, the oxygen storage/release capacity decreases, and the effect of suppressing the oxidation of Ni decreases.

これに対し、LaドープCeO2-ZrO2固溶体(LCZ)は、CZに比べて結晶構造の熱的安定性が高い。そのため、Ni、YSZ、及びLCZの混合物を高温で焼成した場合であっても、LCZの分解が抑制される。LCZの分解が抑制された電極は、高い酸素吸蔵・放出能力が維持される。そのため、これを用いて水蒸気電解を行うと、Niの酸化が抑制され、水蒸気電解性能が向上する。 In contrast, La-doped CeO 2 --ZrO 2 solid solution (LCZ) has a higher thermal stability of the crystal structure than CZ. Therefore, decomposition of LCZ is suppressed even when a mixture of Ni, YSZ, and LCZ is fired at a high temperature. An electrode in which decomposition of LCZ is suppressed maintains a high oxygen storage/release capacity. Therefore, when steam electrolysis is performed using this, the oxidation of Ni is suppressed and the steam electrolysis performance is improved.

CZの酸素吸蔵・放出過程の模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram of the process of oxygen absorption and desorption of CZ. Ni/(YSZ+LCZ)を活性層に用いた固体酸化物形電解セルの模式図である。1 is a schematic diagram of a solid oxide electrolytic cell using Ni/(YSZ+LCZ) for an active layer. FIG. Ni/YSZを活性層に用いた従来の固体酸化物形電解セルの模式図である。1 is a schematic diagram of a conventional solid oxide electrolytic cell using Ni/YSZ for an active layer; FIG. LCZによるNi酸化抑制メカニズムの模式図である。It is a schematic diagram of the Ni oxidation suppression mechanism by LCZ. 実施例1及び比較例1で得られたSOECのIV特性である。4 shows IV characteristics of SOECs obtained in Example 1 and Comparative Example 1. FIG. 実施例1及び比較例1で得られたSOECの電解効率の比較である。1 is a comparison of the electrolysis efficiency of SOECs obtained in Example 1 and Comparative Example 1. FIG.

図7(A)は、LaxCe2-xZr27(x=0.125)の熱処理前のX線回折パターンである。図7(B)は、LaxCe2-xZr27(x=0.125)の1450℃での熱処理後のX線回折パターンである。FIG. 7A is an X-ray diffraction pattern of La x Ce 2-x Zr 2 O 7 (x=0.125) before heat treatment. FIG. 7(B) is an X-ray diffraction pattern after heat treatment at 1450° C. of La x Ce 2-x Zr 2 O 7 (x=0.125). 図8(A)は、LaxCe2-xZr27(x=0.25)の熱処理前のX線回折パターンである。図8(B)は、LaxCe2-xZr27(x=0.25)の1450℃での熱処理後のX線回折パターンである。FIG. 8A is an X-ray diffraction pattern of La x Ce 2-x Zr 2 O 7 (x=0.25) before heat treatment. FIG. 8(B) is an X-ray diffraction pattern after heat treatment at 1450° C. of La x Ce 2-x Zr 2 O 7 (x=0.25).

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 水蒸気電解用電極]
本発明に係る水蒸気電界用電極は、
拡散層と、
前記拡散層の電解質層側表面に形成された活性層と
を備えている。
An embodiment of the present invention will be described in detail below.
[1. Electrodes for water vapor electrolysis]
The water vapor electric field electrode according to the present invention is
a diffusion layer;
and an active layer formed on the electrolyte layer side surface of the diffusion layer.

[1.1. 拡散層]
本発明において、拡散層は、Ni粒子(A)と、固体酸化物からなる電解質粒子(A)とを含むサーメット(A)からなる。拡散層は、活性層を支持するためのものである。拡散層と活性層との積層体からなる電極において、還元反応は、主として活性層内で生じる。そのため、拡散層は、必ずしも高いイオン伝導度を有している必要はない。
[1.1. diffusion layer]
In the present invention, the diffusion layer is made of a cermet (A) containing Ni particles (A) and electrolyte particles (A) made of a solid oxide. The diffusion layer is for supporting the active layer. In an electrode composed of a laminate of a diffusion layer and an active layer, the reduction reaction occurs mainly within the active layer. Therefore, the diffusion layer does not necessarily have to have high ionic conductivity.

すなわち、拡散層は、少なくとも、
(a)その電解質層側表面に形成される活性層を支持するための機能、
(b)燃料(電解原料)を活性層まで拡散させる機能、
(c)還元反応に必要な電子を集電体から活性層まで輸送する機能、及び、
(d)還元反応により活性層で生成した水素を電極外に排出する機能
を備えている必要がある。
拡散層の組成は、このような機能を奏する限りにおいて、特に限定されない。
That is, the diffusion layer has at least
(a) a function for supporting the active layer formed on the surface on the electrolyte layer side;
(b) the function of diffusing fuel (raw material for electrolysis) to the active layer;
(c) the function of transporting electrons necessary for the reduction reaction from the current collector to the active layer, and
(d) It must have a function of discharging hydrogen generated in the active layer by a reduction reaction to the outside of the electrode.
The composition of the diffusion layer is not particularly limited as long as it exhibits such functions.

[1.1.1. Ni粒子(A)]
Ni粒子(A)の含有量は、拡散層としての機能を奏する限りにおいて、特に限定されない。また、拡散層に含まれるNi粒子(A)の含有量は、活性層に含まれるNi粒子(B)の含有量と同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。Ni粒子(A)の含有量は、通常、30~70wt%である。
[1.1.1. Ni particles (A)]
The content of the Ni particles (A) is not particularly limited as long as it functions as a diffusion layer. Also, the content of the Ni particles (A) contained in the diffusion layer may be the same as or different from the content of the Ni particles (B) contained in the active layer. The content of Ni particles (A) is usually 30 to 70 wt%.

[1.1.2. 電解質粒子(A)]
電解質粒子(A)の組成は、拡散層としての機能を奏する限りにおいて、特に限定されない。電解質粒子(A)は、活性層に含まれる電解質と同一の組成を有するものでも良く、あるいは、異なる組成を有するものでも良い。
電解質粒子(A)としては、例えば、
(a)3~15mol%のY23を含むイットリア安定化ジルコニア(YSZ)、
(b)活性層に含まれる電解質と同一又は類似の組成を持つ材料、
などがある。
これらの中でも、電解質粒子(A)は、YSZが好適である。これは、機械的強度が安定しているためである。
[1.1.2. Electrolyte particles (A)]
The composition of the electrolyte particles (A) is not particularly limited as long as it functions as a diffusion layer. The electrolyte particles (A) may have the same composition as the electrolyte contained in the active layer, or may have a different composition.
As the electrolyte particles (A), for example,
(a) yttria - stabilized zirconia (YSZ) containing 3-15 mol% Y2O3;
(b) a material with the same or similar composition as the electrolyte contained in the active layer;
and so on.
Among these, YSZ is suitable for the electrolyte particles (A). This is because the mechanical strength is stable.

[1.1.3. 気孔率]
拡散層の気孔率は、電極のガス拡散性、強度、電子伝導性などに影響を与える。一般に、拡散層の気孔率が小さすぎると、ガス拡散性が低下する。従って、拡散層の気孔率は、40%以上が好ましい。気孔率は、好ましくは、45%以上、さらに好ましくは、50%以上である。
一方、拡散層の気孔率が大きくなりすぎると、強度及び電子伝導性が低下する。従って、拡散層の気孔率は、60%以下が好ましい。気孔率は、好ましくは、58%以下、さらに好ましくは、55%以下である。
[1.1.3. Porosity]
The porosity of the diffusion layer affects the gas diffusivity, strength, electronic conductivity, etc. of the electrode. In general, if the porosity of the diffusion layer is too small, the gas diffusibility will decrease. Therefore, the diffusion layer preferably has a porosity of 40% or more. The porosity is preferably 45% or more, more preferably 50% or more.
On the other hand, if the porosity of the diffusion layer becomes too large, the strength and electron conductivity will decrease. Therefore, the porosity of the diffusion layer is preferably 60% or less. The porosity is preferably 58% or less, more preferably 55% or less.

[1.2. 活性層]
活性層は、電極反応の反応場となる部分である。本発明において、活性層は、Ni粒子(B)と、イットリア安定化ジルコニアからなるYSZ粒子と、LaドープCeO2-ZrO2固溶体からなるLCZ粒子とを含むサーメット(B)からなる。
[1.2. active layer]
The active layer is a portion that becomes a reaction field for electrode reaction. In the present invention, the active layer is made of a cermet (B) containing Ni particles (B), YSZ particles made of yttria-stabilized zirconia, and LCZ particles made of La-doped CeO 2 --ZrO 2 solid solution.

[1.2.1. Ni粒子(B)]
Ni粒子(B)は、活性層中において、電極触媒及び電子伝導体としての機能を有する。高い触媒活性及び高い電子伝導性を得るには、Ni粒子(B)は、実質的にNiのみからなり、残部が不可避的不純物からなるものが好ましい。
[1.2.1. Ni particles (B)]
The Ni particles (B) function as an electrode catalyst and an electron conductor in the active layer. In order to obtain high catalytic activity and high electronic conductivity, it is preferable that the Ni particles (B) consist essentially of Ni only, with the remainder consisting of unavoidable impurities.

[1.2.2. YSZ粒子]
YSZ粒子は、イットリア安定化ジルコニアからなり、活性層中において酸素イオン伝導体としての機能を有する。YSZ粒子に含まれるYの含有量は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な量を選択することができる。
相対的に高いイオン伝導度と、相対的に高い機械的強度を得るためには、YSZ粒子は、3mol%以上15mol%以下のY23を含むものが好ましい。
[1.2.2. YSZ particles]
The YSZ grains consist of yttria-stabilized zirconia and function as oxygen ion conductors in the active layer. The content of Y contained in the YSZ particles is not particularly limited, and an optimum amount can be selected depending on the purpose.
In order to obtain relatively high ionic conductivity and relatively high mechanical strength, the YSZ particles preferably contain 3 mol % or more and 15 mol % or less of Y 2 O 3 .

[1.2.3. LCZ粒子]
[A. 酸素吸蔵・放出能]
LCZ粒子は、LaがドープされたCeO2-ZrO2固溶体からなり、活性層中において、Ni粒子(B)の酸化を抑制する機能を有する。CeO2は、ZrO2に酸素吸蔵・放出能を付与する作用がある。一方、Laは、CeO2-ZrO2固溶体(CZ)のCeサイトを置換し、CZの耐熱性を向上させる作用がある。そのため、CZに適量のLaをドープすると、焼成時におけるCZの分解を抑制することができる。
[1.2.3. LCZ particles]
[A. Oxygen storage/release capacity]
The LCZ particles consist of a La-doped CeO 2 --ZrO 2 solid solution and have the function of suppressing the oxidation of the Ni particles (B) in the active layer. CeO 2 has the effect of imparting oxygen storage/release capacity to ZrO 2 . On the other hand, La has the effect of substituting the Ce site of the CeO 2 —ZrO 2 solid solution (CZ) and improving the heat resistance of CZ. Therefore, when CZ is doped with an appropriate amount of La, decomposition of CZ during firing can be suppressed.

図1に、CZの酸素吸蔵・放出過程の模式図を示す。また、次の式(1)に、CZの酸素吸蔵・放出反応の反応式を示す。式(1)中、右側に進む反応は酸化反応を表し、左側に進む反応は還元反応を表す。
CeO2-x-ZrO2+(x/2)O2 ⇔ CeO2-ZrO2 …(1)
FIG. 1 shows a schematic diagram of the oxygen absorption/desorption process of CZ. The following formula (1) shows the reaction formula of the oxygen absorption/desorption reaction of CZ. In formula (1), the reaction proceeding to the right represents an oxidation reaction, and the reaction proceeding to the left represents a reduction reaction.
CeO 2-x -ZrO 2 +(x/2)O 2 ⇔ CeO 2 -ZrO 2 (1)

ZrO2中に固溶しているCeイオンは、周囲の雰囲気中の酸素分圧に応じて、可逆的に3価の状態(還元状態)と、4価の状態(酸化状態)とを取ることができる。そのため、CZが酸化雰囲気に曝される時には、CZは雰囲気中にある酸素イオンを結晶格子内に取り込む。一方、CZが還元雰囲気に曝される時には、CZは結晶格子内にある酸素イオンを雰囲気中に放出する。この点は、LCZも同様である。 Ce ions dissolved in ZrO 2 reversibly take a trivalent state (reduced state) and a tetravalent state (oxidized state) depending on the oxygen partial pressure in the surrounding atmosphere. can be done. Therefore, when CZ is exposed to an oxidizing atmosphere, CZ incorporates oxygen ions in the atmosphere into the crystal lattice. On the other hand, when CZ is exposed to a reducing atmosphere, CZ releases oxygen ions in the crystal lattice into the atmosphere. This point is the same for LCZ.

[B. 組成]
LCZ粒子は、特に、次の式(2)で表される組成を有するものが好ましい。
LaxCe2-xZr27 … (2)
但し、0<x<0.2。
[B. composition]
The LCZ particles particularly preferably have a composition represented by the following formula (2).
LaxCe2 - xZr2O7 ( 2 )
However, 0<x<0.2.

式(2)中、xは、LCZ粒子に含まれるLa及びCeの総モル数に対するLaのモル数を表す。xが小さくなりすぎると、LCZ粒子の耐熱性が低下する。従って、xは、0超である必要がある。xは、好ましくは、0.05以上、さらに好ましくは、0.1以上である。
一方、xが過剰になると、LCZ粒子の酸素吸蔵・放出能力が低下する。従って、xは、0.2未満が好ましい。xは、好ましくは、0.15以下である。
In formula (2), x represents the number of moles of La with respect to the total number of moles of La and Ce contained in the LCZ particles. If x becomes too small, the heat resistance of the LCZ particles will decrease. Therefore x must be greater than zero. x is preferably 0.05 or more, more preferably 0.1 or more.
On the other hand, when x is excessive, the oxygen storage/release capacity of the LCZ particles is lowered. Therefore, x is preferably less than 0.2. x is preferably 0.15 or less.

[1.2.4. 活性層の組成]
活性層は、次の式(3)~式(6)を満たしているのが好ましい。
40mass%≦u≦70mass% …(3)
30mass%≦v≦70mass% …(4)
0<w≦20mass% …(5)
u+v+w=100mass% …(6)
但し、
uは、前記水蒸気電解用電極の前記活性層に含まれる前記Ni粒子(B)の質量割合(mass%)、
vは、前記水蒸気電解用電極の前記活性層に含まれる前記YSZ粒子の質量割合(mass%)、
wは、前記水蒸気電解用電極の前記活性層に含まれる前記LCZ粒子の質量割合(mass%)。
[1.2.4. Composition of active layer]
The active layer preferably satisfies the following formulas (3) to (6).
40mass%≤u≤70mass% (3)
30mass%≤v≤70mass% (4)
0<w≤20mass% (5)
u+v+w=100 mass% (6)
however,
u is the mass ratio (mass%) of the Ni particles (B) contained in the active layer of the electrode for steam electrolysis;
v is the mass ratio (mass%) of the YSZ particles contained in the active layer of the electrode for steam electrolysis;
w is the mass ratio (mass%) of the LCZ particles contained in the active layer of the electrode for steam electrolysis.

[A. Ni粒子(B)の含有量]
「u」は、Ni粒子(B)、YSZ粒子、及びLCZ粒子の総質量に対する、Ni粒子(B)の質量の割合を表す。uが小さくなりすぎると、セル全抵抗が高くなり、電解効率も低下する。従って、uは、40mass%以上が好ましい。
[A. Content of Ni particles (B)]
"u" represents the ratio of the mass of Ni particles (B) to the total mass of Ni particles (B), YSZ particles, and LCZ particles. If u becomes too small, the total cell resistance will increase and the electrolysis efficiency will also decrease. Therefore, u is preferably 40 mass% or more.

一方、uが大きくなりすぎると、活性層中におけるYSZ粒子の割合が少なくなるために、かえってセル全抵抗が高くなり、電解効率も低下する。従って、uは、70mass%以下が好ましい。uは、好ましくは、60mass%以下である。 On the other hand, if u is too large, the proportion of YSZ particles in the active layer will decrease, so that the total cell resistance will rather increase and the electrolysis efficiency will decrease. Therefore, u is preferably 70 mass% or less. u is preferably 60 mass% or less.

[B. YSZ粒子の含有量]
「v」は、Ni粒子(B)、YSZ粒子、及びLCZ粒子の総質量に対する、YSZ粒子(B)の質量の割合を表す。vが小さくなりすぎると、セル全抵抗が高くなり、電解効率も低下する。従って、vは、30mass%以上が好ましい。vは、好ましくは、40mass%以上である。
一方、vが大きくなりすぎると、Ni粒子の割合が少なくなるため、電解効率が低下する。従って、vは、70mass%以下が好ましい。vは、好ましくは、60mass%以下である。
[B. Content of YSZ particles]
"v" represents the ratio of the mass of YSZ particles (B) to the total mass of Ni particles (B), YSZ particles, and LCZ particles. If v becomes too small, the total cell resistance will increase and the electrolysis efficiency will also decrease. Therefore, v is preferably 30 mass% or more. v is preferably 40 mass% or more.
On the other hand, if v becomes too large, the ratio of Ni particles decreases, resulting in a decrease in electrolysis efficiency. Therefore, v is preferably 70 mass% or less. v is preferably 60 mass% or less.

[C. LCZ粒子の含有量]
「w」は、Ni粒子(B)、YSZ粒子、及びLCZ粒子の総質量に対する、LCZ粒子(B)の質量の割合を表す。wが小さくなりすぎると、Ni粒子(B)の酸化を十分に抑制できなくなる。従って、wは、0mass%超が好ましい。wは、好ましくは、5mass%以上である。
一方、wが大きくなりすぎると、かえってセル全抵抗が高くなり、電解効率も低下する。従って、wは、20mass%以下が好ましい。
[C. Content of LCZ particles]
"w" represents the ratio of the mass of LCZ particles (B) to the total mass of Ni particles (B), YSZ particles and LCZ particles. If w is too small, the oxidation of the Ni particles (B) cannot be sufficiently suppressed. Therefore, w is preferably more than 0 mass%. w is preferably 5 mass % or more.
On the other hand, if w is too large, the cell total resistance rather increases and the electrolysis efficiency decreases. Therefore, w is preferably 20 mass% or less.

[1.2.5. 気孔率]
活性層の気孔率は、電解特性に影響を与える。活性層の気孔率が小さすぎると、ガスの拡散性が低下し、電解効率が低下する。従って、活性層の気孔率は、15%以上が好ましい。気孔率は、好ましくは、20%以上、さらに好ましくは、25%以上である。
一方、活性層の気孔率が大きくなりすぎると、三相界面が相対的に少なくなり、かえって電解特性が低下する。従って、活性層の気孔率は、40%以下が好ましい。気孔率は、好ましくは、35%以下、さらに好ましくは、30%以下である。
[1.2.5. Porosity]
The porosity of the active layer affects the electrolytic properties. If the porosity of the active layer is too small, gas diffusibility is lowered and the electrolysis efficiency is lowered. Therefore, the porosity of the active layer is preferably 15% or more. The porosity is preferably 20% or more, more preferably 25% or more.
On the other hand, if the porosity of the active layer is too large, the number of three-phase interfaces will be relatively small, resulting in deterioration of the electrolytic properties. Therefore, the porosity of the active layer is preferably 40% or less. The porosity is preferably 35% or less, more preferably 30% or less.

[2. 水蒸気電解用電極の製造方法]
本発明に係る水蒸気電解用電極は、
(a)NiO粉末、及び、電解質粒子(A)の原料を含む原料混合物(A)を用いて拡散層成形体を作製し、
(b)拡散層成形体の表面に、NiO粉末、YSZ粉末、及びLCZ粉末を含む原料混合物(B)を用いて活性層成形体を形成し、
(c)得られた積層体を焼結し、
(d)得られた焼結体を還元処理する
ことにより製造することができる。
[2. Method for producing electrode for water vapor electrolysis]
The steam electrolysis electrode according to the present invention is
(a) preparing a diffusion layer compact using a raw material mixture (A) containing NiO powder and raw materials for electrolyte particles (A);
(b) forming an active layer compact on the surface of the diffusion layer compact using a raw material mixture (B) containing NiO powder, YSZ powder, and LCZ powder;
(c) sintering the resulting laminate;
(d) It can be produced by reducing the obtained sintered body.

[2.1. 拡散層成形体作製工程]
まず、NiO粉末、及び、電解質粒子(A)の原料を含む原料混合物(A)を用いて拡散層成形体を作製する(拡散層成形体作製工程)。
[2.1. Diffusion Layer Forming Process]
First, a raw material mixture (A) containing NiO powder and raw materials for electrolyte particles (A) is used to produce a diffusion layer compact (diffusion layer compact producing step).

電解質粒子(A)の原料の種類は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な原料を選択することができる。
例えば、電解質粒子(A)がYSZである場合、その原料としては、
(a)目的とする組成を有するYSZ粉末、
(b)目的とする組成となるように配合されたZrO2粉末と、Y23粉末との混合物
などがある。
The type of raw material for the electrolyte particles (A) is not particularly limited, and an optimum raw material can be selected according to the purpose.
For example, when the electrolyte particles (A) are YSZ, the raw material is
(a) a YSZ powder having a desired composition;
(b) A mixture of ZrO 2 powder and Y 2 O 3 powder blended so as to have the desired composition.

また、原料混合物(A)中には、造孔材(例えば、カーボン粉末)が含まれていても良い。原料混合物(A)中に添加されたNiO粉末は、焼結体作製後に還元処理される。その際、体積収縮が起こり、焼結体内に気孔が導入される。そのため、造孔材は、必ずしも必要ではない。しかし、原料混合物(A)中に造孔材を添加すると、気孔率の制御の自由度が増大する。 In addition, the raw material mixture (A) may contain a pore-forming material (for example, carbon powder). The NiO powder added to the raw material mixture (A) is subjected to a reduction treatment after the sintered body is produced. At that time, volume shrinkage occurs and pores are introduced into the sintered body. Therefore, the pore-forming material is not necessarily required. However, adding a pore-forming material to the raw material mixture (A) increases the degree of freedom in controlling the porosity.

拡散層成形体の作製方法は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な方法を選択することができる。拡散層成形体の作製方法としては、例えば、
(a)原料混合物(A)を含むスラリーをテープ成形し、得られたグリーンシートを複数枚積層し、積層体を静水圧プレスして圧着させる方法、
(b)原料混合物(A)を金型でプレス成形する方法、
などがある。
The method for producing the diffusion layer compact is not particularly limited, and an optimum method can be selected according to the purpose. Examples of methods for producing a diffusion layer compact include:
(a) A method of forming a slurry containing the raw material mixture (A) into a tape, laminating a plurality of the obtained green sheets, and isostatically pressing the laminated body to bond it.
(b) a method of press-molding the raw material mixture (A) with a mold;
and so on.

[2.2. 活性層成形体作製工程]
次に、拡散層成形体の表面に、NiO粉末、YSZ粉末、及びLCZ粉末を含む原料混合物(B)を用いて活性層成形体を形成する(活性層成形体作製工程)。
[2.2. Active Layer Forming Forming Process]
Next, a raw material mixture (B) containing NiO powder, YSZ powder, and LCZ powder is used to form an active layer compact on the surface of the diffusion layer compact (active layer compact manufacturing step).

活性層を形成するための原料としてCZ粉末を用いると、焼成中にCZが分解するおそれがある。従って、活性層を作製するための原料には、所定量のLaがドープされたLCZ粉末を用いるのが好ましい。
さらに、原料混合物(A)と同様の理由から、原料混合物(B)中には、造孔材(例えば、カーボン粉末)が含まれていても良い。
If CZ powder is used as a raw material for forming the active layer, CZ may decompose during firing. Therefore, it is preferable to use LCZ powder doped with a predetermined amount of La as the raw material for forming the active layer.
Furthermore, for the same reason as the raw material mixture (A), the raw material mixture (B) may contain a pore-forming material (for example, carbon powder).

活性層成形体の作製方法は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な方法を選択することができる。活性層成形体の作製方法としては、例えば、
(a)原料混合物(B)を含むスラリーをテープ成形し、得られたグリーンシートを拡散層成形体の上に積層し、積層体を静水圧プレスして圧着させる方法、
(b)原料混合物(B)を含むスラリーを作製し、拡散層成形体の表面にスラリーをスクリーン印刷する方法、
などがある。
The method for producing the active layer compact is not particularly limited, and an optimum method can be selected according to the purpose. Examples of methods for producing the active layer compact include:
(a) A method of tape-molding a slurry containing the raw material mixture (B), laminating the obtained green sheet on the diffusion layer compact, and isostatically pressing the laminate to bond it;
(b) a method of preparing a slurry containing the raw material mixture (B) and screen-printing the slurry onto the surface of the diffusion layer compact;
and so on.

[2.3. 焼結工程]
次に、得られた積層体を焼結させる(焼結工程)。焼結条件は、原料組成に応じて最適な条件を選択するのが好ましい。焼結は、通常、大気雰囲気下において、1000℃~1500℃で1時間~5時間行うのが好ましい。
原料混合物中に2種以上の酸化物が含まれている場合、焼結中に固相反応が進行し、所定の組成を有する固溶体が生成する場合がある。また、原料混合物中に造孔材が含まれている場合、焼結時に造孔材が消失し、焼結体内に気孔が形成される。
[2.3. Sintering process]
Next, the obtained laminate is sintered (sintering step). As for the sintering conditions, it is preferable to select the optimum conditions according to the raw material composition. Sintering is usually preferably carried out at 1000° C. to 1500° C. for 1 hour to 5 hours in an air atmosphere.
When two or more kinds of oxides are contained in the raw material mixture, a solid phase reaction may proceed during sintering to form a solid solution having a predetermined composition. Further, when the raw material mixture contains a pore-forming material, the pore-forming material disappears during sintering, and pores are formed in the sintered body.

[2.4. 還元工程]
次に、得られた焼結体を還元処理する(還元工程)。これにより、本発明に係る水蒸気電解用電極が得られる。還元処理は、焼結体中に含まれるNiO粒子をNi粒子に還元するために行われる。還元条件は、特に限定されるものではなく、電極の組成に応じて最適な条件を選択するのが好ましい。
なお、固体酸化物形電解セルは、後述するように、水素極(カソード)/電解質層/反応防止層/酸素極(アノード)の接合体からなる。水素極の還元は、通常、各層を接合した後に行われる。
[2.4. Reduction process]
Next, the obtained sintered body is subjected to reduction treatment (reduction step). Thereby, the electrode for steam electrolysis according to the present invention is obtained. The reduction treatment is performed to reduce NiO particles contained in the sintered body to Ni particles. Reduction conditions are not particularly limited, and it is preferable to select optimum conditions according to the composition of the electrode.
As will be described later, the solid oxide electrolytic cell is composed of a hydrogen electrode (cathode)/electrolyte layer/reaction prevention layer/oxygen electrode (anode) assembly. Reduction of the hydrogen electrode is usually performed after bonding the layers.

[3. 固体酸化物形電解セル]
図2に、Ni/(YSZ+LCZ)を活性層に用いた固体酸化物形電解セルの模式図を示す。図2において、固体酸化物形電解セル(SOEC)10は、
電解質12と、
電解質12の一方の面に接合された水素極14と、
電解質12の他方の面に接合された酸素極16と、
電解質12と酸素極16との間に挿入された中間層18と
を備えている。
[3. Solid oxide electrolytic cell]
FIG. 2 shows a schematic diagram of a solid oxide electrolytic cell using Ni/(YSZ+LCZ) for the active layer. In FIG. 2, a solid oxide electrolysis cell (SOEC) 10 is
an electrolyte 12;
a hydrogen electrode 14 bonded to one side of the electrolyte 12;
an oxygen electrode 16 joined to the other surface of the electrolyte 12;
It has an intermediate layer 18 interposed between the electrolyte 12 and the oxygen electrode 16 .

水素極14には、本発明に係る水蒸気電解用電極が用いられる。すなわち、水素極14は、活性層14aと、活性層14aを支持する拡散層14bとの積層体からなる。活性層14aは、Ni粒子と、YSZ粒子と、LCZ粒子とを含むサーメット(B)からなる。
電解質12、酸素極16、及び中間層18の材料は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な材料を選択することができる。
The electrode for steam electrolysis according to the present invention is used for the hydrogen electrode 14 . That is, the hydrogen electrode 14 is composed of a laminate of an active layer 14a and a diffusion layer 14b supporting the active layer 14a. The active layer 14a is made of cermet (B) containing Ni particles, YSZ particles and LCZ particles.
Materials for the electrolyte 12, the oxygen electrode 16, and the intermediate layer 18 are not particularly limited, and optimum materials can be selected according to the purpose.

例えば、電解質12には、YSZなどを用いることができる。
酸素極16には、(La,Sr)CoO3(LSC)、(La,Sr)(Co,Fe)O3(LSCF)、(La,Sr)MnO3(LSM)などを用いることができる。
中間層18は、電解質12と酸素極16とが直接、接触することにより生じる反応を防止するための層であり、必要に応じて挿入される。例えば、電解質12がYSZであり、酸素極16がLSCである場合、中間層18には、GdドープCeO2(GDC)を用いるのが好ましい。
For example, YSZ or the like can be used for the electrolyte 12 .
(La,Sr)CoO 3 (LSC), (La,Sr)(Co,Fe)O 3 (LSCF), (La,Sr)MnO 3 (LSM), or the like can be used for the oxygen electrode 16 .
The intermediate layer 18 is a layer for preventing reactions caused by direct contact between the electrolyte 12 and the oxygen electrode 16, and is inserted as necessary. For example, when the electrolyte 12 is YSZ and the oxygen electrode 16 is LSC, it is preferable to use Gd-doped CeO 2 (GDC) for the intermediate layer 18 .

[4. 作用]
図3に、Ni/YSZを活性層に用いた従来の固体酸化物形電解セルの模式図を示す。従来のSOEC10’は、電解質12と、電解質12の一方の面に接合された水素極14’と、電解質12の他方の面に接合された酸素極16と、電解質12と酸素極16との間に挿入された中間層18とを備えている。従来のSOEC10’は、水素極14’として、Ni-YSZサーメットが用いられている。
[4. action]
FIG. 3 shows a schematic diagram of a conventional solid oxide electrolytic cell using Ni/YSZ for the active layer. A conventional SOEC 10' includes an electrolyte 12, a hydrogen electrode 14' bonded to one side of the electrolyte 12, an oxygen electrode 16 bonded to the other side of the electrolyte 12, and a and an intermediate layer 18 inserted into the . The conventional SOEC 10' uses Ni--YSZ cermet as the hydrogen electrode 14'.

水素極14’がNi-YSZサーメットからなるSOEC10’において、水素極14’にH2Oを供給し、水素極14’-酸素極16間に電流を流すと、水素極14’では、次の式(7)に示す還元反応が進行する。
2O+2e- → H2+O2- …(7)
In the SOEC 10' where the hydrogen electrode 14' is made of Ni--YSZ cermet, when H 2 O is supplied to the hydrogen electrode 14' and a current is passed between the hydrogen electrode 14' and the oxygen electrode 16, the following occurs at the hydrogen electrode 14': A reductive reaction represented by the formula (7) proceeds.
H2O +2e -- >H2 + O2- (7)

しかし、SOEC10’を用いた水電解においては、水素極14’に、原料となる高温(700℃以上)の水蒸気が供給される。そのため、水素極14’に含まれるNiが容易に酸化され、NiOが形成される。NiOは絶縁体であるため、NiOが形成されると、その部分では電子パスが途絶え、電極反応が進行しなくなる。その結果、電解特性は低下する。 However, in the water electrolysis using the SOEC 10', the hydrogen electrode 14' is supplied with high-temperature (700°C or higher) water vapor as a raw material. Therefore, Ni contained in the hydrogen electrode 14' is easily oxidized to form NiO. Since NiO is an insulator, when NiO is formed, the electron path is interrupted at that portion, and the electrode reaction does not progress. As a result, the electrolytic properties are degraded.

この問題を解決するために、水素極にCeO2-ZrO2固溶体(CZ)を添加することが有効である。CZは、酸化物イオン伝導体としての機能に加えて、酸素吸蔵・放出能を持つ。そのため、Ni/YSZサーメットからなる電極にCZを添加すると、Niの酸化をある程度抑制することができる。
しかしながら、Ni、YSZ、及びCZの混合物を焼成して電極を作製する場合、CZが高温に曝されるために、CZの一部が分解し、別の相が生成する場合がある。CZの分解が進行すると、酸素吸蔵・放出能力が低下し、Niの酸化を抑制する効果が低下する。
In order to solve this problem, it is effective to add a CeO 2 --ZrO 2 solid solution (CZ) to the hydrogen electrode. CZ has an oxygen storage/release capacity in addition to its function as an oxide ion conductor. Therefore, when CZ is added to an electrode made of Ni/YSZ cermet, oxidation of Ni can be suppressed to some extent.
However, when sintering a mixture of Ni, YSZ, and CZ to produce an electrode, the CZ is exposed to high temperatures, and some of the CZ may decompose to form another phase. As the decomposition of CZ progresses, the oxygen storage/release capacity decreases, and the effect of suppressing the oxidation of Ni decreases.

これに対し、LaドープCeO2-ZrO2固溶体(LCZ)は、CZに比べて結晶構造の熱的安定性が高い。そのため、Ni、YSZ、及びLCZの混合物を高温で焼成した場合であっても、LCZの分解が抑制される。LCZの分解が抑制された電極は、高い酸素吸蔵・放出能力が維持される。そのため、これを用いて水蒸気電解を行うと、Niの酸化が抑制され、水蒸気電解性能が向上する。 In contrast, La-doped CeO 2 --ZrO 2 solid solution (LCZ) has a higher thermal stability of the crystal structure than CZ. Therefore, decomposition of LCZ is suppressed even when a mixture of Ni, YSZ, and LCZ is fired at a high temperature. An electrode in which decomposition of LCZ is suppressed maintains a high oxygen storage/release capacity. Therefore, when steam electrolysis is performed using this, the oxidation of Ni is suppressed and the steam electrolysis performance is improved.

図4に、LCZによるNi酸化抑制メカニズムの模式図を示す。LCZによるNi酸化の抑制は、以下のようにして進行すると考えられる。
すなわち、Ni/(YSZ+LCZ)からなる水素極が高温の水蒸気に曝されると、Niが酸化され、Ni粒子の表面がNiOで被覆された状態となる(ステップ1)。この時、Ni粒子の近傍にLCZ粒子があると、NiOから酸素原子又は酸素イオンがスピルオーバーする(ステップ2)。そのトリガーとなるのは、LCZの酸素吸蔵能力と考えられる。
FIG. 4 shows a schematic diagram of the Ni oxidation suppression mechanism by LCZ. Suppression of Ni oxidation by LCZ is thought to proceed as follows.
That is, when the hydrogen electrode composed of Ni/(YSZ+LCZ) is exposed to high-temperature steam, Ni is oxidized and the surfaces of Ni particles are coated with NiO (step 1). At this time, if there are LCZ particles in the vicinity of Ni particles, oxygen atoms or oxygen ions spill over from NiO (step 2). The trigger is considered to be the oxygen storage capacity of LCZ.

NiOからスピルオーバーした酸素は、LCZに一時的にトラップされる(ステップ3)。水素極は生成したH2によって還元雰囲気になっているが、還元雰囲気下では、LCZはトラップした酸素原子又は酸素イオンを酸素分子として容易に放出する。LCZから放出された酸素分子は、Niを再酸化させる前に、拡散層を通って系外に排出される(ステップ4)。以下、このようなステップ1~4が繰り返されることにより、Ni酸化が抑制されると考えられる。 Oxygen spilled over from NiO is temporarily trapped in the LCZ (step 3). The hydrogen electrode is in a reducing atmosphere due to the generated H 2 , but under the reducing atmosphere, the LCZ easily releases the trapped oxygen atoms or oxygen ions as oxygen molecules. Oxygen molecules released from the LCZ are discharged out of the system through the diffusion layer before re-oxidizing Ni (step 4). It is considered that Ni oxidation is suppressed by repeating steps 1 to 4 as described above.

(実施例1、比較例1)
[1. SOECの作製]
[1.1. 実施例1]
[1.1.1. 拡散層成形体の作製]
電解質粒子(A)の原料には、8mol%のY23を含むYSZ粉末(以下、「8YSZ粉末」ともいう)を用いた。Ni源には、NiO粉末を用いた。8YSZ:Ni=50:50(重量比)となるように、8YSZ粉末及びNiO粉末を配合し、混合粉末に溶媒及びバインダーを加えてスラリーを作製した。このスラリーを用いてテープ成形を行い、グリーンシート(拡散層成形体)を得た。
(Example 1, Comparative Example 1)
[1. Production of SOEC]
[1.1. Example 1]
[1.1.1. Production of Diffusion Layer Molded Body]
YSZ powder containing 8 mol % Y 2 O 3 (hereinafter also referred to as “8YSZ powder”) was used as the raw material for the electrolyte particles (A). NiO powder was used as the Ni source. 8YSZ powder and NiO powder were blended so that 8YSZ:Ni=50:50 (weight ratio), and a solvent and a binder were added to the mixed powder to prepare a slurry. Tape molding was performed using this slurry to obtain a green sheet (diffusion layer molding).

[1.1.2. 活性層成形体の作製]
YSZ源には、8YSZ粉末を用いた。LCZ源には、Laを含むCeO2-ZrO2固溶体(x=0.125)からなるLCZ粉末を用いた。さらに、Ni源には、NiO粉末を用いた。8YSZ粉末、LCZ粉末、及びNiO粉末を質量比で48:4:48となるように配合し、混合粉末に溶媒及びバインダーを加えてスラリーを得た。このスラリーを用いてテープ成形を行い、グリーンシート(活性層成形体)を得た。
[1.1.2. Preparation of Active Layer Molded Body]
8YSZ powder was used as the YSZ source. An LCZ powder composed of a CeO 2 —ZrO 2 solid solution containing La (x=0.125) was used as the LCZ source. Furthermore, NiO powder was used as the Ni source. 8YSZ powder, LCZ powder, and NiO powder were blended at a mass ratio of 48:4:48, and a solvent and a binder were added to the mixed powder to obtain slurry. Tape molding was performed using this slurry to obtain a green sheet (active layer molding).

[1.1.3. 電解質層成形体の作製]
8YSZ粉末に溶媒及びバインダーを加えてスラリーを得た。このスラリーを用いてテープ成形を行い、グリーンシート(電解質層成形体)を得た。
[1.1.3. Production of Electrolyte Layer Molded Body]
A solvent and a binder were added to the 8YSZ powder to obtain a slurry. Tape molding was performed using this slurry to obtain a green sheet (electrolyte layer molding).

[1.1.4. 中間層成形体の作製]
GDC粉末に溶媒及びバインダーを加えてスラリーを得た。このスラリーを用いてテープ成形を行い、グリーンシート(中間層成形体)を得た。
[1.1.4. Production of Intermediate Layer Molded Body]
A solvent and a binder were added to the GDC powder to obtain a slurry. Tape molding was performed using this slurry to obtain a green sheet (intermediate layer molding).

[1.1.5. 1次焼成]
所定枚数の拡散層成形体を重ね合わせた。次いで、その上に、さらに、活性層成形体、電解質層成形体、及び中間層成形体をこの順で重ね合わせた。得られた積層体を静水圧プレス成形した。さらに、得られた成形体を1400℃で焼成した。
[1.1.5. Primary firing]
A predetermined number of diffusion layer moldings were superimposed. Next, an active layer molded body, an electrolyte layer molded body, and an intermediate layer molded body were further superposed thereon in this order. The resulting laminate was isostatically pressed. Further, the obtained compact was fired at 1400°C.

[1.1.6. 酸素極の作製]
LSC粉末に溶媒及びバインダーを加えてスラリーを得た。このスラリーを中間層の表面に塗布した。さらに、塗膜を1000℃で焼成し、酸素極を形成した。酸素極の面積は、0.5cm2とした。
[1.1.6. Preparation of oxygen electrode]
A solvent and a binder were added to the LSC powder to obtain a slurry. This slurry was applied to the surface of the intermediate layer. Furthermore, the coating film was baked at 1000° C. to form an oxygen electrode. The area of the oxygen electrode was 0.5 cm 2 .

[1.2. 比較例1]
活性層を作製する際に、LCZ粉末を用いなかった以外は、実施例1と同様にしてSOECを作製した。
[1.2. Comparative Example 1]
An SOEC was fabricated in the same manner as in Example 1, except that no LCZ powder was used in fabricating the active layer.

[2. 試験方法]
得られたSOECを用いて、水蒸気電解を行った。セル温度は、700℃とした。また、電解は、H2O/H2比=1となる条件下で行った。
[2. Test method]
Steam electrolysis was performed using the obtained SOEC. The cell temperature was 700°C. Moreover, the electrolysis was performed under the condition that the ratio of H 2 O/H 2 =1.

[3. 結果]
図5に、実施例1及び比較例1で得られたSOECのIV特性を示す。図5より、実施例1は、比較例1に比べてIV性能が高いことが分かる。これは、活性層にLCZを添加することによって、Niの酸化が抑制されたためと考えられる。
[3. result]
FIG. 5 shows IV characteristics of SOECs obtained in Example 1 and Comparative Example 1. FIG. 5 that Example 1 has higher IV performance than Comparative Example 1. FIG. This is probably because the addition of LCZ to the active layer suppressed the oxidation of Ni.

図6に、実施例1及び比較例1で得られたSOECの電解効率の比較を示す。比較例1の電解効率は、68.7%であった。これに対し、実施例1の電解効率は94.9%であり、比較例1の約1.4倍の値が得られた。 FIG. 6 shows a comparison of the electrolysis efficiencies of the SOECs obtained in Example 1 and Comparative Example 1. In FIG. The electrolysis efficiency of Comparative Example 1 was 68.7%. On the other hand, the electrolysis efficiency of Example 1 was 94.9%, which was about 1.4 times that of Comparative Example 1.

(実施例2)
[1. 試料の作製]
x=0.125、又は、0.25である2種類のLaxCe2-xZr27(LCZ)粉末を試験に供した。
(Example 2)
[1. Preparation of sample]
Two types of La x Ce 2-x Zr 2 O 7 (LCZ) powders with x=0.125 or 0.25 were tested.

[2. 試験方法]
LCZ粉末を大気中、1450℃で1時間熱処理した。熱処理前後において、LCZ粉末のXRDパターンの測定を行い、生成相の同定を行った。
[2. Test method]
The LCZ powder was heat treated at 1450° C. for 1 hour in air. Before and after the heat treatment, the XRD pattern of the LCZ powder was measured to identify the generated phase.

[3. 結果]
図7(A)及び図7(b)に、それぞれ、LaxCe2-xZr27(x=0.125)の熱処理前及び1450での熱処理後のX線回折パターンを示す。図8(A)及び図8(B)に、それぞれ、LaxCe2-xZr27(x=0.25)の熱処理前及び1450℃での熱処理後のX線回折パターンを示す。図7及び図8より、x=0.125の時は熱処理後も単相を維持しているのに対し、x=0.25の時は熱処理後にLCZが2相に分離していることが分かる。これらの結果から、xは0.2未満が好ましいことが分かった。
[3. result]
7(A) and 7(b) show the X-ray diffraction patterns of La x Ce 2-x Zr 2 O 7 (x=0.125) before heat treatment and after heat treatment at 1450, respectively. 8A and 8B show the X-ray diffraction patterns of La x Ce 2-x Zr 2 O 7 (x=0.25) before heat treatment and after heat treatment at 1450° C., respectively. 7 and 8, when x = 0.125, the single phase is maintained even after the heat treatment, whereas when x = 0.25, the LCZ is separated into two phases after the heat treatment. I understand. These results show that x is preferably less than 0.2.

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is by no means limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible without departing from the gist of the present invention.

本発明に係る水蒸気電解用電極は、固体酸化物形電解セルの水素極として使用することができる。 The steam electrolysis electrode according to the present invention can be used as a hydrogen electrode for a solid oxide electrolysis cell.

Claims (4)

以下の構成を備えた水蒸気電解用電極。
(1)前記水蒸気電界用電極は、
拡散層と、
前記拡散層の電解質層側表面に形成された活性層と
を備えている。
(2)前記拡散層は、
Ni粒子(A)と、
固体酸化物からなる電解質粒子(A)と
を含むサーメット(A)からなる。
(3)前記活性層は、
Ni粒子(B)と、
イットリア安定化ジルコニアからなるYSZ粒子と、
LaドープCeO2-ZrO2固溶体からなるLCZ粒子と
を含むサーメット(B)からなる。
An electrode for water vapor electrolysis having the following configuration.
(1) The water vapor electric field electrode is
a diffusion layer;
and an active layer formed on the electrolyte layer side surface of the diffusion layer.
(2) the diffusion layer,
Ni particles (A);
A cermet (A) containing electrolyte particles (A) made of a solid oxide.
(3) the active layer,
Ni particles (B);
YSZ particles made of yttria-stabilized zirconia;
cermet (B) containing LCZ particles made of La-doped CeO 2 --ZrO 2 solid solution.
前記YSZ粒子は、3mol%以上15mol%以下のY23を含む請求項1に記載の水蒸気電解用電極。 The electrode for steam electrolysis according to claim 1 , wherein the YSZ particles contain 3 mol% or more and 15 mol% or less of Y2O3. 前記LCZ粒子は、次の式(2)で表される組成を有する請求項1又は2に記載の水蒸気電解用電極。
LaxCe2-xZr27 … (2)
但し、0<x<0.2。
3. The electrode for steam electrolysis according to claim 1, wherein the LCZ particles have a composition represented by the following formula (2).
LaxCe2 - xZr2O7 ( 2 )
However, 0<x<0.2.
次の式(3)~式(6)を満たす請求項1から3までのいずれか1項に記載の水蒸気電解用電極。
40mass%≦u≦70mass% …(3)
30mass%≦v≦70mass% …(4)
0<w≦20mass% …(5)
u+v+w=100mass% …(6)
但し、
uは、前記水蒸気電解用電極の前記活性層に含まれる前記Ni粒子(B)の質量割合(mass%)、
vは、前記水蒸気電解用電極の前記活性層に含まれる前記YSZ粒子の質量割合(mass%)、
wは、前記水蒸気電解用電極の前記活性層に含まれる前記LCZ粒子の質量割合(mass%)。
The electrode for steam electrolysis according to any one of claims 1 to 3, which satisfies the following formulas (3) to (6).
40mass%≤u≤70mass% (3)
30mass%≤v≤70mass% (4)
0<w≤20mass% (5)
u+v+w=100 mass% (6)
however,
u is the mass ratio (mass%) of the Ni particles (B) contained in the active layer of the electrode for steam electrolysis;
v is the mass ratio (mass%) of the YSZ particles contained in the active layer of the electrode for steam electrolysis;
w is the mass ratio (mass%) of the LCZ particles contained in the active layer of the electrode for steam electrolysis.
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