JP7324168B2 - electrode - Google Patents
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Description
本発明は、電極に関し、さらに詳しくは、固体酸化物形電解セル(SOEC)の水素極又は固体酸化物形燃料電池(SOFC)の燃料極として使用することができ、かつ、耐酸化性に優れた電極に関する。 The present invention relates to an electrode, more specifically, it can be used as a hydrogen electrode of a solid oxide electrolysis cell (SOEC) or a fuel electrode of a solid oxide fuel cell (SOFC), and has excellent oxidation resistance. related to electrodes.
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(燃料極)に、H2、CO、CH4などの燃料ガスを供給し、カソード(酸素極)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 (fuel electrode) of the SOFC, and O 2 is supplied to the cathode (oxygen electrode), 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アノード(酸素極)が接合され、他方の面にカソード(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 anode (oxygen electrode) bonded to one side of an electrolyte and a cathode (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、水素製造の原料となる水蒸気が高温下(700℃以上)で供給される。そのため、水素極に含まれる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、電解反応が進行しなくなる。その結果、電解特性が低下する。
この点は、SOFCも同様である。すなわち、SOFCのアノード(燃料極)においては、電極反応により水が生成する。そのため、特に、高負荷運転条件下において、生成した水蒸気により燃料極中のNiが酸化され、発電特性が低下する場合がある。
A Ni/YSZ cermet is generally used for the SOEC hydrogen electrode. However, the hydrogen electrode is supplied with steam, which is a raw material for hydrogen production, at a high temperature (700° C. or higher). Therefore, Ni contained in the hydrogen 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 electrolytic reaction does not progress. As a result, the electrolytic properties are degraded.
This point is the same for the SOFC. That is, at the SOFC anode (fuel electrode), water is produced by an electrode reaction. Therefore, in particular, under high-load operating conditions, the generated steam may oxidize Ni in the fuel electrode, degrading power generation characteristics.
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SOFC用又はSOEC用の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 SOFC or SOEC that exhibits little reduction in electronic conductivity 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電極は、以下の構成を備えている。
(1)前記電極は、
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)前記活性層は、
Ni含有粒子(B)と、
ScドープCeO2-ZrO2固溶体からなるScCZ粒子と、
前記ScドープCeO2-ZrO2固溶体以外の固体酸化物からなる電解質粒子(B)と
を含むサーメット(B)からなる。
In order to solve the above problems, an electrode according to the present invention has the following configuration.
(1) the electrode,
a diffusion layer;
and an active layer formed on the electrolyte layer side surface of the diffusion layer.
(2) the active layer,
Ni-containing particles (B);
ScCZ particles composed of an Sc-doped CeO 2 —ZrO 2 solid solution;
A cermet (B) containing electrolyte particles (B) composed of a solid oxide other than the Sc-doped CeO 2 --ZrO 2 solid solution.
Ni含有粒子(B)を含む電極にScCZを添加すると、Ni含有粒子(B)に含まれるNiの酸化が格段に抑制される。これは、
(A)Ni含有粒子(B)の表面に形成されたNiを含む金属酸化膜(例えば、NiOなど)からスピルオーバーした酸素イオンがScCZに固定されるため、
(B)ScCZの水分解機能により水蒸気が酸素と水素に分解され、ScCZの周囲が還元雰囲気に曝されるため、及び/又は、
(C)Ni含有粒子(B)とScCZとが共存することによって、Ni含有粒子(B)に含まれるNiの電子状態が変化するため
と考えられる。
When ScCZ is added to an electrode containing Ni-containing particles (B), oxidation of Ni contained in the Ni-containing particles (B) is remarkably suppressed. this is,
(A) Oxygen ions spilled over from the Ni-containing metal oxide film (for example, NiO) formed on the surface of the Ni-containing particles (B) are fixed to ScCZ,
(B) the water splitting function of ScCZ decomposes water vapor into oxygen and hydrogen, exposing the surroundings of ScCZ to a reducing atmosphere; and/or
(C) The coexistence of the Ni-containing particles (B) and ScCZ is considered to change the electronic state of Ni contained in the Ni-containing particles (B).
以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 電極]
本発明に係る電極は、
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. electrode]
The 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含有粒子(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、電極反応は、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-containing 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, electrode reactions occur 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(電解又は発電の原料)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し、又は、酸化反応で生じた電子を活性層から集電体まで輸送する機能、及び、
(d)電極反応により活性層で生成した水素又は水蒸気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 the fuel (raw material for electrolysis or power generation) to the active layer;
(c) a function of transporting electrons necessary for a reduction reaction from the current collector to the active layer, or transporting electrons generated in the oxidation reaction from the active layer to the current collector;
(d) It must have a function of discharging hydrogen or water vapor generated in the active layer by the electrode 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含有粒子(A)]
「Ni含有粒子(A)」とは、粒子に含まれる金属元素の総質量に対するNiの質量の割合が10mass%以上である金属粒子をいう。Ni含有粒子(A)に含まれるNiの質量割合は、好ましくは、50mass%以上、さらに好ましくは、90mass%以上である。
Ni含有粒子(A)は、拡散層中において、電子伝導体としての機能を有する。Ni含有粒子(A)の組成は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。Ni含有粒子(A)としては、例えば、Ni、Ni-Fe合金、Ni-Co合金などがある。
Ni含有粒子(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含有粒子(A)の含有量は、活性層に含まれるNi含有粒子(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含有粒子(A)の含有量は、通常、30~70mass%である。
[1.1.1. Ni-containing particles (A)]
“Ni-containing particles (A)” refer to metal particles in which the mass ratio of Ni to the total mass of metal elements contained in the particles is 10% by mass or more. The mass ratio of Ni contained in the Ni-containing particles (A) is preferably 50 mass% or more, more preferably 90 mass% or more.
The Ni-containing particles (A) function as electron conductors in the diffusion layer. The composition of the Ni-containing particles (A) is not particularly limited as long as it exhibits such functions. Ni-containing particles (A) include, for example, Ni, Ni--Fe alloys, Ni--Co alloys, and the like.
The content of the Ni-containing particles (A) is not particularly limited as long as it functions as a diffusion layer. Also, the content of the Ni-containing particles (A) contained in the diffusion layer may be the same as or different from the content of the Ni-containing particles (B) contained in the active layer. The content of the Ni-containing particles (A) is usually 30-70 mass%.
[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Y2O3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含有粒子(B)と、
ScドープCeO2-ZrO2固溶体からなるScCZ粒子と、
ScドープCeO2-ZrO2固溶体以外の固体酸化物からなる電解質粒子(B)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
Ni-containing particles (B);
ScCZ particles consisting of an Sc-doped CeO 2 —ZrO 2 solid solution;
A cermet (B) containing electrolyte particles (B) composed of a solid oxide other than the Sc-doped CeO 2 --ZrO 2 solid solution.
[1.2.1. Ni含有粒子(B)]
「Ni含有粒子(B)」とは、粒子に含まれる金属元素の総質量に対するNiの質量の割合が90mass%以上である金属粒子をいう。Ni含有粒子(B)に含まれるNiの質量割合は、好ましくは、95mass%以上である。
Ni含有粒子(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。Ni含有粒子(B)の組成は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。Ni含有粒子(B)としては、例えば、Ni、Ni-Fe合金、Ni-Co合金などがある。高い触媒活性及び高い電子伝導性を得るには、Ni含有粒子(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-containing particles (B)]
“Ni-containing particles (B)” refer to metal particles in which the mass ratio of Ni to the total mass of metal elements contained in the particles is 90% by mass or more. The mass ratio of Ni contained in the Ni-containing particles (B) is preferably 95 mass% or more.
The Ni-containing particles (B) function as an electrode catalyst and an electron conductor in the active layer. The composition of the Ni-containing particles (B) is not particularly limited as long as it exhibits such functions. Ni-containing particles (B) include, for example, Ni, Ni--Fe alloys, Ni--Co alloys, and the like. In order to obtain high catalytic activity and high electronic conductivity, the Ni-containing particles (B) preferably consist essentially of Ni only, with the remainder consisting of unavoidable impurities.
[1.2.2. ScCZ粒子]
[A. 酸素吸蔵・放出能]
ScCZ粒子は、ScがドープされたCeO2-ZrO2固溶体からなり、活性層中において、酸化物イオン伝導体としての機能、及びNi含有粒子(B)に含まれるNi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、Scは、CeO2-ZrO2固溶体(CZ)のCeサイトを置換する。CZに適量のSc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。また、ScCZは、Ni含有粒子(B)に含まれるNiの電子状態を変化させる作用がある。そのため、Ni含有粒子(B)とScCZとを共存させると、Ni含有粒子(B)に含まれるNiの酸化を抑制することができる。また、Ni含有粒子(B)がNi以外の金属元素を含む場合であっても、少なくともNiの酸化を抑制することができれば、電極内に三相界面(TPB)を確保することができる。
[1.2.2. ScCZ particles]
[A. Oxygen storage/release capacity]
The ScCZ particles are composed of a CeO 2 —ZrO 2 solid solution doped with Sc, and function as oxide ion conductors in the active layer and suppress the oxidation of Ni contained in the Ni-containing particles (B). have. CeO 2 has the effect of imparting oxygen storage/release capacity to ZrO 2 . On the other hand, Sc replaces the Ce site of the CeO 2 --ZrO 2 solid solution (CZ). When CZ is doped with an appropriate amount of Sc, decomposition of CZ during firing can be suppressed. ScCZ also has the effect of changing the electronic state of Ni contained in the Ni-containing particles (B). Therefore, when the Ni-containing particles (B) and ScCZ coexist, oxidation of Ni contained in the Ni-containing particles (B) can be suppressed. Even when the Ni-containing particles (B) contain a metal element other than Ni, a three-phase boundary (TPB) can be secured in the electrode if at least the oxidation of Ni 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、ScCZ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 ScCZ.
[B. 組成]
ScCZ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。
ScxCeyZr1-(x+y)O2 …(2)
但し、0.06≦x≦0.19、0.05≦y≦0.15。
[B. composition]
ScCZ particles preferably have a composition represented by the following formula (2).
ScxCeyZr1- (x+y) O2 ( 2 )
However, 0.06≦x≦0.19 and 0.05≦y≦0.15.
式(2)中、xは、ScCZ粒子に含まれるSc、Ce、及びZrの総モル数に対するScのモル数を表す。xが小さくなりすぎると、ScCZ粒子の耐熱性及びNi含有粒子(B)に含まれるNiの酸化抑制機能が低下する。従って、xは、0.06以上が好ましい。xは、好ましくは、0.1以上である。
一方、xが過剰になると、分相が生じ、CZ構造を維持できなくなり、構造安定性が低下する。従って、xは、0.19以下が好ましい。
In formula (2), x represents the number of moles of Sc with respect to the total number of moles of Sc, Ce, and Zr contained in the ScCZ particles. If x is too small, the heat resistance of the ScCZ particles and the function of suppressing the oxidation of Ni contained in the Ni-containing particles (B) are lowered. Therefore, x is preferably 0.06 or more. x is preferably 0.1 or more.
On the other hand, when x is excessive, phase separation occurs, the CZ structure cannot be maintained, and structural stability decreases. Therefore, x is preferably 0.19 or less.
式(2)中、yは、ScCZ粒子に含まれるSc、Ce、及びZrの総モル数に対するCeのモル数を表す。yが小さくなりすぎると、酸素吸蔵量が低下し、Ni含有粒子(B)に含まれるNiの酸化抑制機能が低下する場合がある。従って、yは、0.05以上が好ましい。
一方、yが過剰になると、電極中の酸素イオン伝導性が低下するだけでなく、電極の機械的強度も低下する場合がある。従って、yは、0.15以下が好ましい。
In formula (2), y represents the number of moles of Ce with respect to the total number of moles of Sc, Ce, and Zr contained in the ScCZ particles. If y is too small, the oxygen storage capacity may decrease, and the function of suppressing oxidation of Ni contained in the Ni-containing particles (B) may decrease. Therefore, y is preferably 0.05 or more.
On the other hand, if y is excessive, not only the oxygen ion conductivity in the electrode may decrease, but also the mechanical strength of the electrode may decrease. Therefore, y is preferably 0.15 or less.
[1.2.3. 電解質粒子(B)]
電解質粒子(B)は、ScドープCeO2-ZrO2固溶体以外の固体酸化物からなる。本発明において、電解質粒子(B)は、電極のイオン伝導性を向上させ、及び/又は、安定化させるために添加される。ScCZも酸素イオン伝導体として機能するが、その酸素イオン伝導度は相対的に低い。また、ScCZは、酸素分圧によって状態が変化し、それによってイオン伝導度も変化する。一方、電極に電解質粒子(B)がさらに含まれていると、電極全体のイオン伝導度が向上し、及び/又は、ScCZ粒子の状態変化に起因するイオン伝導度の不安定化を緩和することができる。
電解質粒子(B)としては、例えば、
(a)イットリア安定化ジルコニアからなるYSZ粒子、
(b)LaドープCeO2-ZrO2固溶体からなるLaCZ粒子
などがある。活性層には、これらのいずれか1種の電解質粒子(B)が含まれていても良く、あるいは、2種以上が含まれていても良い。
[1.2.3. Electrolyte particles (B)]
The electrolyte particles (B) consist of solid oxides other than the Sc-doped CeO 2 --ZrO 2 solid solution. In the present invention, electrolyte particles (B) are added to improve and/or stabilize the ionic conductivity of the electrode. ScCZ also functions as an oxygen ion conductor, but its oxygen ion conductivity is relatively low. In addition, ScCZ changes its state depending on the oxygen partial pressure, which also changes its ionic conductivity. On the other hand, when the electrode further contains the electrolyte particles (B), the ionic conductivity of the entire electrode is improved, and/or the destabilization of the ionic conductivity due to the state change of the ScCZ particles is alleviated. can be done.
As the electrolyte particles (B), for example,
(a) YSZ particles consisting of yttria-stabilized zirconia;
(b) LaCZ particles made of La-doped CeO 2 --ZrO 2 solid solution; The active layer may contain any one of these electrolyte particles (B), or may contain two or more of them.
[A. 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化物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Y2O3を含むものが好ましい。電極中にYSZ粒子がさらに含まれていると、電極の機械的強度が向上する場合がある。
[A. YSZ particles]
The YSZ particles consist of yttria-stabilized zirconia and function as oxide 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 . Further inclusion of YSZ particles in the electrode may improve the mechanical strength of the electrode.
[B. LaCZ粒子]
LaCZ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、酸化物イオン伝導体としての機能、及び、Ni含有粒子(B)に含まれるNi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。
LaCZ粒子の酸化抑制機能は、ScCZ粒子のそれに比べて劣る。しかしながら、電極中にLaCZ粒子がさらに含まれていると、熱的安定性が向上する場合がある。
[B. LaCZ particles]
The LaCZ particles are composed of a CeO 2 —ZrO 2 solid solution doped with La, and function as oxide ion conductors in the active layer and suppress the oxidation of Ni contained in the Ni-containing particles (B). have 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.
LaCZ particles are inferior to ScCZ particles in terms of their ability to suppress oxidation. However, the additional inclusion of LaCZ particles in the electrode may improve thermal stability.
LaCZ粒子は、特に、次の式(3)で表される組成を有するものが好ましい。
LaxCe2-xZr2O7 …(3)
但し、0<x<0.2。
LaCZ particles are particularly preferably those having a composition represented by the following formula (3).
LaxCe2 -xZr2O7 ( 3 )
However, 0<x<0.2.
式(3)中、xは、LaCZ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、LaCZ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、LaCZ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 (3), x represents the number of moles of La with respect to the total number of moles of La and Ce contained in the LaCZ particles. If x becomes too small, the heat resistance of the LaCZ 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 LaCZ 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]
本発明において、活性層は、所定量のScCZ粒子及び電解質粒子(B)を含み、残部がNi含有粒子(B)及び不可避的不純物からなるものが好ましい。また、活性層は、次の式(4)~式(7)を満たしているのが好ましい。
30mass%≦u≦70mass% …(4)
10mass%≦v≦30mass% …(5)
30mass%≦w≦70mass% …(6)
u+v+w=100mass% …(7)
但し、
uは、前記活性層に含まれる前記ScCZ粒子の質量割合(mass%)。
vは、前記活性層に含まれる前記電解質粒子(B)の質量割合(mass%)、
wは、前記活性層に含まれる前記Ni含有粒子(B)の質量割合(mass%)。
[1.2.4. Composition of active layer]
In the present invention, the active layer preferably contains predetermined amounts of ScCZ particles and electrolyte particles (B), with the remainder consisting of Ni-containing particles (B) and unavoidable impurities. Also, the active layer preferably satisfies the following formulas (4) to (7).
30mass%≤u≤70mass% (4)
10mass%≤v≤30mass% (5)
30mass%≤w≤70mass% (6)
u+v+w=100 mass% (7)
however,
u is the mass ratio (mass%) of the ScCZ particles contained in the active layer.
v is the mass ratio (mass%) of the electrolyte particles (B) contained in the active layer;
w is the mass ratio (mass%) of the Ni-containing particles (B) contained in the active layer.
[A. ScCZ粒子の含有量]
ScCZ粒子の含有量が少なくなりすぎると、Ni含有粒子(B)に含まれるNiの酸化を十分に抑制できなくなる。従って、ScCZ粒子の含有量は、30mass%以上が好ましい。
[A. Content of ScCZ particles]
If the content of the ScCZ particles is too low, the oxidation of Ni contained in the Ni-containing particles (B) cannot be sufficiently suppressed. Therefore, the content of ScCZ particles is preferably 30 mass% or more.
一方、ScCZ粒子の含有量が過剰になると、かえってセル全抵抗が高くなり、電極反応の効率も低下する。従って、ScCZ粒子の含有量は、70mass%以下が好ましい。ScCZ粒子の含有量は、好ましくは、60mass%以下である。 On the other hand, if the content of ScCZ particles is excessive, the cell total resistance rather increases and the electrode reaction efficiency decreases. Therefore, the content of ScCZ particles is preferably 70 mass% or less. The content of ScCZ particles is preferably 60 mass % or less.
[B. 電解質粒子(B)の含有量]
電解質粒子(B)の含有量が少なくなりすぎると、イオン伝導度が低下し、反応活性点の減少及びイオン伝導距離が伸びることによるオーミック抵抗の増大を招く。従って、電解質粒子(B)の含有量は、10mass%以上が好ましい。
[B. Content of electrolyte particles (B)]
If the content of the electrolyte particles (B) is too low, the ionic conductivity is lowered, resulting in a decrease in reaction active sites and an increase in ohmic resistance due to an increase in ionic conduction distance. Therefore, the content of the electrolyte particles (B) is preferably 10 mass % or more.
一方、電解質粒子(B)の含有量が過剰になると、活性層中におけるScCZ粒子の割合が少なくなるために、Ni含有粒子(B)に含まれるNiの酸化を十分に抑制できなくなる。従って、電解質粒子(B)の含有量は、30mass%以下が好ましい。 On the other hand, when the content of the electrolyte particles (B) is excessive, the ratio of the ScCZ particles in the active layer is reduced, so that the oxidation of Ni contained in the Ni-containing particles (B) cannot be sufficiently suppressed. Therefore, the content of the electrolyte particles (B) is preferably 30 mass% or less.
[C. Ni含有粒子(B)の含有量]
Ni含有粒子(B)の含有量が少なくなりすぎると、活性層の触媒活性及び電子伝導性が低下する。従って、Ni含有粒子(B)の含有量は、30mass%以上が好ましい。
一方、Ni含有粒子(B)の含有量が過剰になると、活性層中におけるScCZ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、効率も低下する。従って、Ni含有粒子(B)の含有量は、70mass%以下が好ましい。
[C. Content of Ni-containing particles (B)]
If the content of the Ni-containing particles (B) is too low, the catalytic activity and electronic conductivity of the active layer are lowered. Therefore, the content of the Ni-containing particles (B) is preferably 30 mass% or more.
On the other hand, when the content of the Ni-containing particles (B) becomes excessive, the ratio of the ScCZ particles in the active layer decreases, so that the total cell resistance increases and the efficiency decreases. Therefore, the content of the Ni-containing particles (B) is preferably 70 mass% or less.
[1.2.5. 気孔率]
活性層の気孔率は、電解特性又は発電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、電極反応の効率が低下する。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、かえって電極反応の効率が低下する。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 or power generation properties. If the porosity of the active layer is too small, gas diffusibility is lowered and the electrode reaction 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 high, the number of three-phase interfaces will be relatively small, and the electrode reaction efficiency will be lowered. Therefore, the porosity of the active layer is preferably 40% or less. The porosity is preferably 35% or less, more preferably 30% or less.
[1.3. 用途]
本実施の形態に係る電極は、固体酸化物形電解セルの水素極、又は、固体酸化物形燃料電池の燃料極に用いることができる。
[1.3. Application]
The electrode according to this embodiment can be used as the hydrogen electrode of a solid oxide electrolytic cell or the fuel electrode of a solid oxide fuel cell.
[2. 電極の製造方法]
本発明に係る電極は、
(a)Ni含有粒子(A)の原料、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、Ni含有粒子(B)の原料、ScCZ粉末、及び電解質粒子(B)の原料を含む原料混合物(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. Electrode manufacturing method]
The electrode according to the present invention is
(a) preparing a diffusion layer compact using a raw material mixture (A) containing a raw material for the Ni-containing particles (A) and a raw material for the electrolyte particles (A);
(b) forming an active layer compact on the surface of the diffusion layer compact using the raw material mixture (B) containing the raw material for the Ni-containing particles (B), the ScCZ powder, and the raw material for the electrolyte particles (B);
(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、Ni含有粒子(A)の原料、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 a raw material for the Ni-containing particles (A) and a raw material for the electrolyte particles (A) is used to produce a diffusion layer molded body (diffusion layer molded body manufacturing step).
Ni含有粒子(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。Ni含有粒子(A)の原料としては、例えば、NiO粉末、Fe2O3粉末、Fe3O4粉末、金属FeとNiO又は金属Niとの混合物、CoO粉末、Co2O3粉末などがある。
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、Y2O3粉末との混合物
などがある。
The type of raw material for the Ni-containing particles (A) is not particularly limited, and an optimum raw material can be selected according to the purpose. Raw materials for the Ni-containing particles (A) include, for example, NiO powder, Fe 2 O 3 powder, Fe 3 O 4 powder, a mixture of metallic Fe and NiO or metallic Ni, CoO powder, Co 2 O 3 powder, and the like. .
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Ni含有粒子(A)の原料に含まれる金属酸化物(例えば、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 metal oxide (for example, NiO powder) contained in the raw material of the Ni-containing particles (A) added to the raw material mixture (A) is reduced 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 together;
(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、Ni含有粒子(B)の原料、ScCZ粉末、及び電解質粒子(B)の原料を含む原料混合物(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, an active layer compact is formed on the surface of the diffusion layer compact using the raw material mixture (B) containing the raw material for the Ni-containing particles (B), the ScCZ powder, and the raw material for the electrolyte particles (B) (active layer compact). step of producing a layer compact).
活性層を形成するための原料としてCZ粉末とSc源との混合物を用いると、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ScがドープされたScCZ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。
なお、Ni含有粒子(B)の原料及び電解質粒子(B)の原料の詳細については、それぞれ、Ni含有粒子(A)の原料及び電解質粒子(A)の原料と同様であるので、説明を省略する。
If a mixture of CZ powder and Sc source is used as a raw material for forming the active layer, CZ may decompose during firing. Therefore, it is preferable to use ScCZ powder doped with a predetermined amount of Sc 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).
The details of the raw material of the Ni-containing particles (B) and the raw material of the electrolyte particles (B) are the same as those of the raw material of the Ni-containing particles (A) and the raw material of the electrolyte particles (A), respectively, so the description is omitted. do.
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、本発明に係る電極が得られる。還元処理は、焼結体中に含まれるNiO等の金属酸化物を還元し、Ni含有粒子(A)及びNi含有粒子(B)を生成させるために行われる。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。この点は、固体酸化物形燃料電池セルも同様である。
[2.4. Reduction process]
Next, the obtained sintered body is subjected to reduction treatment (reduction step). Thereby, an electrode according to the present invention is obtained. The reduction treatment is performed to reduce metal oxides such as NiO contained in the sintered body to produce Ni-containing particles (A) and Ni-containing particles (B). 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. This point also applies to solid oxide fuel cells.
[3. 固体酸化物形電解セル及び固体高分子形燃料電池セル]
図2に、Ni/(ScCZ+YSZ)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 and polymer electrolyte fuel cell]
FIG. 2 shows a schematic diagram of a solid oxide electrolytic cell using Ni/(ScCZ+YSZ) for the active layer. In FIG. 2, a solid oxide electrolysis cell (SOEC) 10 is
an
a
an
It has an
水素極14には、本発明に係る電極が用いられる。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。なお、図2において、活性層14aは、Ni粒子と、ScCZ粒子と、YSZ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。
An electrode according to the present invention is used for the
Materials for the
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
(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
The
なお、上述したように、本発明に係る電極は、固体酸化物形燃料電池セル(SOFC)の燃料極に用いることができる。SOFCは、用途が異なる以外は、SOEC10と同一の構造を備えているので、詳細な説明を省略する。
In addition, as described above, the electrode according to the present invention can be used as the fuel electrode of a solid oxide fuel cell (SOFC). The SOFC has the same structure as the
[3. 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。
[3. 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
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(8)に示す還元反応が進行する。
H2O+2e- → H2+O2- …(8)
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
H2O +2e -- > H2 + O2- (8)
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。
この点は、SOFCも同様である。すなわち、SOFCのアノード(燃料極)においては、電極反応により水が生成する。そのため、特に、高負荷運転条件下において、生成した水により燃料極中のNiが酸化され、発電特性が低下する場合がある。
However, in water electrolysis using the SOEC 10', high-temperature (700° C. or higher) water vapor as a raw material is supplied to the hydrogen electrode 14'. 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 proceed. As a result, the electrolytic properties are degraded.
This point is the same for the SOFC. That is, at the SOFC anode (fuel electrode), water is produced by an electrode reaction. Therefore, especially under high-load operating conditions, the generated water may oxidize Ni in the fuel electrode, degrading power generation characteristics.
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.
一方、LaドープCeO2-ZrO2固溶体(LaCZ)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LaCZの混合物を高温で焼成した場合であっても、LaCZの分解が抑制される。LaCZ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又は発電を行うと、Niの酸化が抑制され、電解性能又は発電性能が向上する。しかしながら、LaCZを含む電極の耐酸化性は、不十分である。 On the other hand, La-doped CeO 2 --ZrO 2 solid solution (LaCZ) has a higher thermal stability of the crystal structure than CZ. Therefore, decomposition of LaCZ is suppressed even when a mixture of Ni, YSZ, and LaCZ is fired at a high temperature. The electrode in which decomposition of LaCZ is suppressed maintains high oxygen storage/release capacity. Therefore, when steam electrolysis or power generation is performed using this, the oxidation of Ni is suppressed, and the electrolysis performance or power generation performance is improved. However, the oxidation resistance of electrodes containing LaCZ is poor.
これに対し、ScドープCeO2-ZrO2固溶体(ScCZ)は、CZに比べて結晶構造の熱的安定性が高い。さらに、ScCZは、LaCZに比べてNiの酸化を抑制する効果が格段に高い。そのため、Ni及びScCZを含む電極を用いて水蒸気電解又は発電を行うと、Niの酸化が格段に抑制される。 On the other hand, the Sc-doped CeO 2 —ZrO 2 solid solution (ScCZ) has a higher thermal stability of the crystal structure than CZ. Furthermore, ScCZ has a much higher effect of suppressing the oxidation of Ni than LaCZ. Therefore, when steam electrolysis or power generation is performed using an electrode containing Ni and ScCZ, oxidation of Ni is remarkably suppressed.
図4に、ScCZによるNi酸化抑制メカニズムの模式図を示す。SOECセルにおいて、水素極へのScCZの添加によりNiの酸化が格段に抑制されるのは、以下の理由によると考えられる。 FIG. 4 shows a schematic diagram of the Ni oxidation suppression mechanism by ScCZ. In the SOEC cell, the addition of ScCZ to the hydrogen electrode significantly suppresses the oxidation of Ni for the following reasons.
[A. ScCZによる酸素イオンの固定]
NiとScCZを含む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ScCZ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、ScCZの酸素吸蔵能力と考えられる。
[A. Fixation of oxygen ions by ScCZ]
When the hydrogen electrode containing Ni and ScCZ 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 ScCZ 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 ScCZ.
[B. ScCZによる還元雰囲気の生成]
NiOからスピルオーバーした酸素は、ScCZ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、ScCZ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。ScCZ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。
[B. Generation of reducing atmosphere by ScCZ]
Oxygen spilled over from NiO is temporarily trapped in ScCZ (step 3). The hydrogen electrode is in a reducing atmosphere due to the generated H 2 , but under the reducing atmosphere, ScCZ easily releases the trapped oxygen atoms or oxygen ions as oxygen molecules. Oxygen molecules released from ScCZ 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.
[C. Niの電子状態の変化]
後述するように、Ni/YSZサーメット中に存在するNiの電子状態は、Niが単独で存在する時の電子状態とほとんど変わらない。一方、Ni/ScCZサーメット中に存在するNiの電子状態は、Niが単独で存在する時の電子状態とは異なっている。Ni/ScCZサーメットがNi/YSZサーメットやNi/LaCZサーメットよりも各段に優れた耐酸化性を示すのは、NiとScCZとが共存することによって、Niの電子状態が変化するためと考えられる。
この点は、電極触媒としてNi以外の元素を含むNi含有粒子(B)を用いた場合も同様であり、Ni含有粒子(B)とScCZとを共存させると、Ni含有粒子(B)に含まれるNiの電子状態が変化し、これによってNi含有粒子(B)に含まれるNiの酸化が抑制されると考えられる。
[C. Change in electronic state of Ni]
As will be described later, the electronic state of Ni present in the Ni/YSZ cermet is almost the same as the electronic state of Ni present alone. On the other hand, the electronic state of Ni present in the Ni/ScCZ cermet is different from the electronic state when Ni exists alone. The reason why the Ni/ScCZ cermet exhibits much higher oxidation resistance than the Ni/YSZ cermet and the Ni/LaCZ cermet is considered to be that the electronic state of Ni changes due to the coexistence of Ni and ScCZ. .
This point is the same when using Ni-containing particles (B) containing an element other than Ni as an electrode catalyst. It is thought that the electronic state of Ni contained in the Ni-containing particles (B) changes, thereby suppressing the oxidation of Ni contained in the Ni-containing particles (B).
(実験No.1~4)
[1. 試料の作製]
[1.1. Ni酸化率、及びXAFS測定用試料の作製]
電解質源には、
(a)Sc0.132Ce0.104Zr0.764O2固溶体からなるScCZ粉末(実験No.1)、
(b)Y0.158Zr0.842O2固溶体からなるYSZ粉末(実験No.2)、
(c)La0.25Ce0.25Zr0.5O2固溶体からなるLaCZ粉末(実験No.3)、又は、
(d)Ce0.118Zr0.882O2固溶体からなるCZ粉末(実験No.4)
を用いた。
また、Ni源には、NiO粉末を用いた。
(Experiment Nos. 1 to 4)
[1. Preparation of sample]
[1.1. Preparation of sample for Ni oxidation rate and XAFS measurement]
Electrolyte sources include:
(a) ScCZ powder consisting of Sc0.132Ce0.104Zr0.764O2 solid solution (Experiment No. 1 ),
(b) YSZ powder consisting of Y0.158Zr0.842O2 solid solution (Experiment No. 2),
( c ) LaCZ powder consisting of La0.25Ce0.25Zr0.5O2 solid solution ( Experiment No. 3), or
( d ) CZ powder composed of Ce0.118Zr0.882O2 solid solution (Experiment No. 4)
was used.
NiO powder was used as the Ni source.
電解質源及びNiO粉末を質量比で1:1となるように配合し、混合粉末(以下、これを「電極材」ともいう)を得た。
0.8mgの電極材と、40mgのθアルミナ粉末とを混合し、加圧してφ10mm、厚さ0.5mmの圧粉成形体を作製した。
An electrolyte source and NiO powder were blended at a mass ratio of 1:1 to obtain a mixed powder (hereinafter also referred to as "electrode material").
0.8 mg of the electrode material and 40 mg of θ-alumina powder were mixed and pressed to prepare a powder compact having a diameter of 10 mm and a thickness of 0.5 mm.
[1.2. 酸素吸蔵量測定用試料の作製]
電解質粉末をそのまま酸素吸蔵量の測定に供した。
[1.2. Preparation of sample for measuring oxygen storage capacity]
The electrolyte powder was directly used for measurement of oxygen storage capacity.
[2. 試験方法]
[2.1. Ni酸化率、及びXAFSスペクトルの測定]
電極材を含む圧粉成形体を石英製のX線吸収微構造(XAFS)測定用セルにセットした。4%H2/Heバランスガス(総量100cc/min)をセル内に導入し、780℃まで温度を上昇させた(60℃/min)。その後、700℃に降温し、1分間、Heガスでパージした。次に、セル内の雰囲気を、2%O2/Heガス(加湿無)、又は、2%O2+3%H2O/Heガス(加湿有)の酸化雰囲気に切り替えた。
[2. Test method]
[2.1. Measurement of Ni oxidation rate and XAFS spectrum]
The powder compact containing the electrode material was set in a quartz cell for X-ray absorption microstructure (XAFS) measurement. A 4% H 2 /He balance gas (100 cc/min total) was introduced into the cell and the temperature was raised to 780° C. (60° C./min). After that, the temperature was lowered to 700° C. and purged with He gas for 1 minute. Next, the atmosphere in the cell was switched to an oxidizing atmosphere of 2% O 2 /He gas (without humidification) or 2% O 2 +3% H 2 O/He gas (with humidification).
XAFSスペクトルは、Heパージを開始した時から測定した。また、リファレンススペクトルとして、NiとNiOを使用した。表1に、XAFS測定条件の詳細を示す。
さらに、XAFSスペクトルから、Ni酸化率を算出した。Ni及びNiOのXAFSスペクトルを用いて、線形最小二乗フィッティングによりNiO/Ni比を求め、これをNi酸化率とした。
XAFS spectra were taken from the time the He purge was initiated. Also, Ni and NiO were used as reference spectra. Table 1 shows the details of the XAFS measurement conditions.
Furthermore, the Ni oxidation rate was calculated from the XAFS spectrum. Using the XAFS spectra of Ni and NiO, the NiO/Ni ratio was obtained by linear least-squares fitting, and this was taken as the Ni oxidation rate.
[2.2. 酸素吸蔵量]
熱重量分析計を用いて、ScCZ粉末及びCZ粉末の酸素吸蔵量を測定した。H2(5%)/N2雰囲気とO2(5%)/N2雰囲気を5分毎に3回切り替える変動雰囲気下(すなわち、H2雰囲気で5分間保持→O2雰囲気下で5分保持→H2雰囲気下で5分保持)で試料の重量の増減を測定した。2回目のH2(5%)/N2還元時の重量減少を酸素吸蔵量の代表値とした。試料量は15mg、ガス流量は100mL/min、測定温度は700℃とした。
[2.2. Oxygen storage capacity]
The oxygen storage capacity of the ScCZ powder and the CZ powder was measured using a thermogravimetric analyzer. Under a fluctuating atmosphere in which the H 2 (5%)/N 2 atmosphere and the O 2 (5%)/N 2 atmosphere are switched three times every 5 minutes (that is, hold for 5 minutes in the H 2 atmosphere → 5 minutes in the O 2 atmosphere). Hold→Hold for 5 minutes under H 2 atmosphere) to measure the change in the weight of the sample. The weight loss during the second H 2 (5%)/N 2 reduction was taken as the representative value of the oxygen storage capacity. The sample amount was 15 mg, the gas flow rate was 100 mL/min, and the measurement temperature was 700°C.
[3. 結果]
[3.1. Ni酸化率]
図5に、温度700℃、酸化雰囲気(加湿有又は加湿無)下における各種電極のNi酸化率を示す。図5より、以下のことが分かる。
[3. result]
[3.1. Ni oxidation rate]
FIG. 5 shows the Ni oxidation rate of various electrodes at a temperature of 700° C. under an oxidizing atmosphere (with or without humidification). From FIG. 5, the following can be understood.
(1)加湿無しの場合、Ni/YSZ(実験No.2)は、時間の経過と共に、Ni酸化率が増大した。Ni/LaCZ(実験No.3)は、Ni/YSZに比べてNi酸化が抑制されたが、Niの酸化を完全に抑制することはできなかった。
(2)雰囲気中に水蒸気を添加(3%H2O)した場合、Ni/LaCZは、加湿無に比べてNi酸化がさらに進行した。この点は、図示はしないが、Ni/YSZも同様であった。Ni/YSZ及びNi/LaCZのいずれも、加湿有のNi酸化率は、加湿無のそれに比べて約20%増加した。
(3)Ni/ScCZ(実験No.1)は、Ni/YSZ及びNi/LaCZに比べてNi酸化が著しく抑制された。酸化雰囲気下で50分保持後のNi/ScCZのNi酸化率は、加湿の有無に関わらず、1%未満であった。
(1) Without humidification, Ni/YSZ (Experiment No. 2) increased in Ni oxidation rate over time. Ni/LaCZ (Experiment No. 3) suppressed Ni oxidation as compared to Ni/YSZ, but could not completely suppress Ni oxidation.
(2) When water vapor (3% H 2 O) was added to the atmosphere, Ni oxidation progressed further in Ni/LaCZ compared to no humidification. Although not shown, this point was the same for Ni/YSZ. For both Ni/YSZ and Ni/LaCZ, the Ni oxidation rate with humidification increased by about 20% compared to that without humidification.
(3) Ni/ScCZ (Experiment No. 1) significantly inhibited Ni oxidation compared to Ni/YSZ and Ni/LaCZ. The Ni oxidation rate of Ni/ScCZ after holding for 50 minutes in an oxidizing atmosphere was less than 1% regardless of the presence or absence of humidification.
[3.2. XAFSスペクトル]
図6に、Ni/YSZ(Y0.158Zr0.842O2)のXAFSスペクトルを示す。図7に、Ni/ScCZ(Sc0.132Ce0.104Zr0.764O2)のXAFSスペクトルを示す。図6及び図7より、以下のことが分かる。
(1)Ni/YSZ中のNi(0分)のXAFSスペクトルは、リファレンスのNi金属と同じスペクトルを示した。
(2)Ni/ScCZ中のNi(0分)のXAFSスペクトルは、明らかにNi金属とは異なるスペクトルを示した。ScCZによりNi酸化が抑制されるのは、NiとScCZとを共存させることによりNiの電子状態が変わり、酸化雰囲気でもNiOになりにくくなったため(すなわち、Niの酸化還元電位が変化したため)と考えられる。
[3.2. XAFS spectrum]
FIG. 6 shows the XAFS spectrum of Ni/YSZ (Y 0.158 Zr 0.842 O 2 ). FIG. 7 shows the XAFS spectrum of Ni/ScCZ (Sc 0.132 Ce 0.104 Zr 0.764 O 2 ). 6 and 7 show the following.
(1) The XAFS spectrum of Ni (0 min) in Ni/YSZ showed the same spectrum as the reference Ni metal.
(2) XAFS spectrum of Ni (0 min) in Ni/ScCZ showed a spectrum distinct from Ni metal. The reason why the oxidation of Ni is suppressed by ScCZ is thought to be that the coexistence of Ni and ScCZ changes the electronic state of Ni, making it less likely to become NiO even in an oxidizing atmosphere (that is, the oxidation-reduction potential of Ni changes). be done.
[3.3. 酸素吸蔵量]
図8に、ScCZ(Sc0.132Ce0.104Zr0.764O2)及びCZ(Ce0.118Zr0.882O2)の酸素吸蔵量を示す。図8より、以下のことが分かる。
(1)CZ(実験No.4)の700℃における酸素吸蔵量は、0.033mgであった。一方、ScCZの700℃における酸素吸蔵量は、0.047mgであった。各電極材の酸素吸蔵能力の大きさは、Ni酸化の抑制効果の大きさに対応していると考えられる。
(2)図示はしないが、YSZ(YドープZrO2)、ScZ(ScドープZrO2)、及びScC(ScドープCeO2)のいずれも、Ce3+⇔Ce4+による酸素吸蔵効果はなく、酸素吸蔵量はゼロであった。
(3)CZに含まれるCeの一部をScで置換すると、酸素吸蔵量が増加し、さらにNiの電子状態も変化する。その結果として、Niが酸化されにくくなったと推測される。
[3.3. Oxygen storage capacity]
FIG. 8 shows the oxygen storage capacity of ScCZ (Sc 0.132 Ce 0.104 Zr 0.764 O 2 ) and CZ (Ce 0.118 Zr 0.882 O 2 ). From FIG. 8, the following can be understood.
(1) The oxygen storage capacity of CZ (Experiment No. 4) at 700°C was 0.033 mg. On the other hand, the oxygen storage capacity of ScCZ at 700° C. was 0.047 mg. It is considered that the magnitude of the oxygen storage capacity of each electrode material corresponds to the magnitude of the effect of suppressing Ni oxidation.
(2) Although not shown, none of YSZ (Y-doped ZrO 2 ), ScZ (Sc-doped ZrO 2 ), and ScC (Sc-doped CeO 2 ) has an oxygen storage effect due to Ce 3+ ⇔ Ce 4+ , The oxygen storage capacity was zero.
(3) Replacing a part of Ce contained in CZ with Sc increases the oxygen storage capacity and also changes the electronic state of Ni. As a result, it is presumed that Ni became difficult to be oxidized.
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.
本発明に係る電極は、固体酸化物形電解セルの水素極、あるいは、固体酸化物形燃料電池の燃料極として使用することができる。 The electrode according to the present invention can be used as a hydrogen electrode for a solid oxide electrolysis cell or a fuel electrode for a solid oxide fuel cell.
Claims (6)
(1)前記電極は、
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)前記活性層は、
Ni含有粒子(B)と、
ScドープCeO2-ZrO2固溶体からなるScCZ粒子と、
前記ScドープCeO2-ZrO2固溶体以外の固体酸化物からなる電解質粒子(B)と
を含むサーメット(B)からなる。
(3)前記ScCZ粒子は、次の式(2)で表される組成を有する。
Sc x Ce y Zr 1-(x+y) O 2 …(2)
但し、0.06≦x≦0.19、0.05≦y≦0.15。 An electrode with the following configuration.
(1) the electrode,
a diffusion layer;
and an active layer formed on the electrolyte layer side surface of the diffusion layer.
(2) the active layer,
Ni-containing particles (B);
ScCZ particles consisting of an Sc-doped CeO 2 —ZrO 2 solid solution;
A cermet (B) containing electrolyte particles (B) made of a solid oxide other than the Sc-doped CeO 2 --ZrO 2 solid solution.
(3) The ScCZ particles have a composition represented by the following formula (2).
ScxCeyZr1- ( x + y) O2 ( 2 )
However, 0.06≦x≦0.19 and 0.05≦y≦0.15.
イットリア安定化ジルコニアからなるYSZ粒子、及び/又は、
LaドープCeO2-ZrO2固溶体からなるLaCZ粒子
からなる請求項1又は2に記載の電極。 The electrolyte particles (B) are
YSZ particles made of yttria-stabilized zirconia, and/or
3. The electrode according to claim 1, comprising LaCZ particles of La-doped CeO 2 --ZrO 2 solid solution.
30mass%≦u≦60mass% …(4)
10mass%≦v≦30mass% …(5)
30mass%≦w≦60mass% …(6)
u+v+w=100mass% …(7)
但し、
uは、前記活性層に含まれる前記ScCZ粒子の質量割合(mass%)。
vは、前記活性層に含まれる前記電解質粒子(B)の質量割合(mass%)、
wは、前記活性層に含まれる前記Ni含有粒子(B)の質量割合(mass%)。 5. The electrode according to any one of claims 1 to 4, wherein the active layer satisfies the following formulas (4) to (7).
30mass% ≤u≤60mass% (4)
10mass%≤v≤30mass% (5)
30mass% ≤w≤60mass% (6)
u+v+w=100 mass% (7)
however,
u is the mass ratio (mass%) of the ScCZ particles contained in the active layer.
v is the mass ratio (mass%) of the electrolyte particles (B) contained in the active layer;
w is the mass ratio (mass%) of the Ni-containing particles (B) contained in the active layer.
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