WO2024143271A1 - Electrochemical cell - Google Patents

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WO2024143271A1
WO2024143271A1 PCT/JP2023/046416 JP2023046416W WO2024143271A1 WO 2024143271 A1 WO2024143271 A1 WO 2024143271A1 JP 2023046416 W JP2023046416 W JP 2023046416W WO 2024143271 A1 WO2024143271 A1 WO 2024143271A1
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誠 大森
真司 藤崎
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日本碍子株式会社
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This electrochemical cell (100) comprises a cell body (20) and a metal support (10). The cell body (20) has a hydrogen pole layer (1), an electrolyte layer (3), and an oxygen pole layer (5). The metal support (10) has a recess (13) formed on a first main surface (11), and a plurality of feed holes (14) lined up on the bottom surface of the recess (13) and a second main surface (12). At least a part of the hydrogen pole layer (1) is disposed in the recess (13).

Description

電気化学セルElectrochemical Cell
 本発明は、電気化学セルに関する。 The present invention relates to an electrochemical cell.
 従来、金属支持体によってセル本体部が支持された構造を有する電気化学セル(電解セル、燃料電池など)が知られている。例えば、特許文献1に記載された電気化学セルは、第1電極層、電解質層、及び第2電極層がこの順で金属支持体の主面上に積層されたセル本体部を備える。金属支持体は、例えばステンレス鋼などの金属材料によって構成される。  Conventionally, electrochemical cells (electrolysis cells, fuel cells, etc.) are known that have a structure in which a cell body is supported by a metal support. For example, the electrochemical cell described in Patent Document 1 has a cell body in which a first electrode layer, an electrolyte layer, and a second electrode layer are laminated in this order on the main surface of a metal support. The metal support is made of a metal material such as stainless steel.
特開2020-155337号JP 2020-155337 A
 金属支持体の耐熱性が低いため、金属支持体の主面上に第1電極層を高温で成膜することは困難である。従って、第1電極層の多孔質微構造の強度を向上させるにも限界があるため、第1電極層に損傷(クラックや剥離)が生じやすい。 Because the heat resistance of the metal support is low, it is difficult to form the first electrode layer on the main surface of the metal support at high temperatures. Therefore, there is a limit to how much strength the porous microstructure of the first electrode layer can be improved, and the first electrode layer is prone to damage (cracks and peeling).
 本発明の課題は、第1電極層の損傷を抑制可能な電気化学セルを提供することにある。 The objective of the present invention is to provide an electrochemical cell that can suppress damage to the first electrode layer.
 本発明の第1の側面に係る電気化学セルは、セル本体部と、金属支持体とを備える。セル本体部は、第1電極層と、第2電極層と、第1電極層及び第2電極層の間に配置される電解質層とを有する。金属支持体は、第1主面と、第2主面と、第1主面に形成された凹部と、第2主面と凹部の底面に連なる複数の供給孔を有する。第1電極層の少なくとも一部は、凹部内に配置される。 The electrochemical cell according to the first aspect of the present invention comprises a cell body and a metal support. The cell body has a first electrode layer, a second electrode layer, and an electrolyte layer disposed between the first and second electrode layers. The metal support has a first main surface, a second main surface, a recess formed in the first main surface, and a plurality of supply holes communicating with the second main surface and the bottom surface of the recess. At least a portion of the first electrode layer is disposed within the recess.
 本発明の第2の側面に係る電気化学セルは、第1の側面に係り、金属支持体の厚み方向に沿った断面において、凹部の側周面と底面の境界部は、R形状である。 The electrochemical cell according to the second aspect of the present invention is the same as the first aspect, and in a cross section along the thickness direction of the metal support, the boundary between the side peripheral surface and the bottom surface of the recess is rounded.
 本発明の第3の側面に係る電気化学セルは、第1又は第2の側面に係り、セル本体部は、複数の供給孔のうち少なくとも1つの供給孔内に配置され、第1電極層に連なる触媒層を有する。 The electrochemical cell according to the third aspect of the present invention is the electrochemical cell according to the first or second aspect, and the cell body has a catalyst layer disposed in at least one of the multiple supply holes and connected to the first electrode layer.
 本発明によれば、第1電極層の損傷を抑制可能な電気化学セルを提供することができる。 The present invention provides an electrochemical cell that can suppress damage to the first electrode layer.
図1は、実施形態に係る電解セルの平面図である。FIG. 1 is a plan view of an electrolysis cell according to an embodiment. 図2は、図1のA-A断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 図3は、変形例1に係る電解セルの断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of an electrolysis cell according to the first modification. 図4は、変形例2に係る電解セルの断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of an electrolysis cell according to the second modification.
 (電解セル100)
 図1は、実施形態に係る電解セル100の平面図である。図2は、図1のA-A断面図である。電解セル100は、いわゆるメタルサポート型の電解セルである。電解セル100は、本発明に係る「電気化学セル」の一例である。
(Electrolytic cell 100)
Fig. 1 is a plan view of an electrolytic cell 100 according to an embodiment. Fig. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in Fig. 1. The electrolytic cell 100 is a so-called metal-supported electrolytic cell. The electrolytic cell 100 is an example of the "electrochemical cell" according to the present invention.
 電解セル100は、X軸方向及びY軸方向に広がる板状に形成される。本実施形態において、電解セル100は、平面視においてY軸方向に延びる長方形に形成されているが、電解セル100の平面形状は特に限られず、長方形以外の多角形、楕円形、円形などであってもよい。 The electrolytic cell 100 is formed in a plate shape extending in the X-axis and Y-axis directions. In this embodiment, the electrolytic cell 100 is formed in a rectangular shape extending in the Y-axis direction in a plan view, but the planar shape of the electrolytic cell 100 is not particularly limited, and may be a polygon other than a rectangle, an ellipse, a circle, etc.
 図2に示すように、電解セル100は、金属支持体10、セル本体部20、及び流路部材30を備える。 As shown in FIG. 2, the electrolysis cell 100 includes a metal support 10, a cell body 20, and a flow path member 30.
 (金属支持体10)
 金属支持体10は、セル本体部20を支持する。金属支持体10は、板状に形成される。金属支持体10は、平板状であってもよいし、曲板状であってもよい。金属支持体10は電解セル100の強度を保つことができればよく、その厚みは特に制限されないが、例えば0.1mm以上2.0mm以下とすることができる。
(Metal Support 10)
The metal support 10 supports the cell main body 20. The metal support 10 is formed in a plate shape. The metal support 10 may be in a flat plate shape or a curved plate shape. The metal support 10 may have any thickness as long as it can maintain the strength of the electrolysis cell 100, and the thickness is not particularly limited, but may be, for example, 0.1 mm or more and 2.0 mm or less.
 図2に示すように、金属支持体10は、第1主面11、第2主面12、凹部13、及び複数の供給孔14を有する。 As shown in FIG. 2, the metal support 10 has a first main surface 11, a second main surface 12, a recess 13, and a plurality of supply holes 14.
 第1主面11は、セル本体部20側の主面である。第1主面11は、平面状に形成される。第1主面11には、セル本体部20が接合される。第1主面11には、凹部13が形成されている。そのため、第1主面11は、平面視において環状に形成されている。 The first main surface 11 is the main surface on the cell main body 20 side. The first main surface 11 is formed in a planar shape. The cell main body 20 is joined to the first main surface 11. A recess 13 is formed in the first main surface 11. Therefore, the first main surface 11 is formed in a ring shape when viewed in a plane.
 第2主面12は、セル本体部20と反対側の主面であり、第1主面11の反対側に設けられている。第2主面12は、平面状に形成される。第2主面12には、流路部材30が接合される。 The second main surface 12 is the main surface opposite the cell body 20, and is provided on the opposite side of the first main surface 11. The second main surface 12 is formed in a planar shape. A flow path member 30 is joined to the second main surface 12.
 凹部13は、第1主面11に形成される。凹部13は、第1主面11に開口する。凹部13は、いわゆる有底凹部である。凹部13内には、後述する水素極層1が配置される。凹部13は、底面S1及び側周面S2を有する。 The recess 13 is formed in the first main surface 11. The recess 13 opens to the first main surface 11. The recess 13 is a so-called bottomed recess. The hydrogen electrode layer 1, which will be described later, is disposed within the recess 13. The recess 13 has a bottom surface S1 and a peripheral side surface S2.
 底面S1は、水素極層1と接触する。底面S1は、水素極層1の金属支持体10側を覆う。底面S1は、Z軸方向において、第1主面11と第2主面12の間に配置される。Z軸方向は、X軸方向及びY軸方向それぞれに垂直な方向であり、本発明に係る「厚み方向」の一例である。本実施形態において、底面S1は、平面状に形成されている。 The bottom surface S1 is in contact with the hydrogen electrode layer 1. The bottom surface S1 covers the metal support 10 side of the hydrogen electrode layer 1. The bottom surface S1 is disposed between the first main surface 11 and the second main surface 12 in the Z-axis direction. The Z-axis direction is a direction perpendicular to each of the X-axis direction and the Y-axis direction, and is an example of the "thickness direction" according to the present invention. In this embodiment, the bottom surface S1 is formed in a flat shape.
 側周面S2は、底面S1の外縁と第1主面11の内縁とに連なる。側周面S2は、環状に形成される。側周面S2は、水素極層1と接触する。側周面S2は、水素極層1の側周を覆う。 The side peripheral surface S2 is connected to the outer edge of the bottom surface S1 and the inner edge of the first main surface 11. The side peripheral surface S2 is formed in an annular shape. The side peripheral surface S2 contacts the hydrogen electrode layer 1. The side peripheral surface S2 covers the side circumference of the hydrogen electrode layer 1.
 図2に示すように、金属支持体10の厚み方向に沿った断面において、底面S1と側周面S2の境界部13aは、R形状である。従って、側周面S2は、底面S1と滑らかに連なっている。底面S1と側周面S2の間には、変曲点が存在しない。そのため、底面S1と側周面S2の境界は明確ではないが、第1主面11と平行な領域を底面S1と見なし、底面S1以外の領域を側周面S2と見なしてよい。 As shown in FIG. 2, in a cross section along the thickness direction of the metal support 10, the boundary 13a between the bottom surface S1 and the side peripheral surface S2 is R-shaped. Therefore, the side peripheral surface S2 is smoothly connected to the bottom surface S1. There is no inflection point between the bottom surface S1 and the side peripheral surface S2. Therefore, although the boundary between the bottom surface S1 and the side peripheral surface S2 is not clear, the area parallel to the first main surface 11 may be regarded as the bottom surface S1, and the area other than the bottom surface S1 may be regarded as the side peripheral surface S2.
 また、図2に示すように、側周面S2は、面方向外側に湾曲している。具体的には、側周面S2の輪郭は、面方向外側に向かって突状に形成されている。面方向とは、Z軸方向(厚み方向)に垂直な方向である。面方向外側とは、面方向において、金属支持体10の中央から離れる向きを意味する。 Also, as shown in FIG. 2, the side peripheral surface S2 is curved outward in the surface direction. Specifically, the contour of the side peripheral surface S2 is formed to protrude outward in the surface direction. The surface direction is the direction perpendicular to the Z-axis direction (thickness direction). The outward in the surface direction means the direction away from the center of the metal support 10 in the surface direction.
 Z軸方向における凹部13の深さは特に制限されないが、Z軸方向における金属支持体10の厚みの1%以上50%以下とすることができる。 The depth of the recess 13 in the Z-axis direction is not particularly limited, but can be 1% or more and 50% or less of the thickness of the metal support 10 in the Z-axis direction.
 複数の供給孔14は、第2主面12と凹部13の底面S1に連なる。各供給孔14は、第2主面12から底面S1まで金属支持体10を貫通する。各供給孔14は、第2主面12及び底面S1それぞれに開口する。底面S1側の供給孔14の開口は、水素極層1によって覆われている。すなわち、各供給孔14は、底面S1のうち水素極層1が接合される領域に形成されている。底面S1と反対側の供給孔14の開口は、金属支持体10と流路部材30の間に形成された流路30aに繋がる。各供給孔14には、後述する触媒層2が配置されている。 The multiple supply holes 14 are connected to the second main surface 12 and the bottom surface S1 of the recess 13. Each supply hole 14 penetrates the metal support 10 from the second main surface 12 to the bottom surface S1. Each supply hole 14 opens to the second main surface 12 and the bottom surface S1. The opening of the supply hole 14 on the bottom surface S1 side is covered by the hydrogen electrode layer 1. That is, each supply hole 14 is formed in the area of the bottom surface S1 where the hydrogen electrode layer 1 is joined. The opening of the supply hole 14 on the side opposite the bottom surface S1 connects to a flow path 30a formed between the metal support 10 and the flow path member 30. A catalyst layer 2, which will be described later, is disposed in each supply hole 14.
 各供給孔14は、機械加工(例えば、パンチング加工)、レーザ加工、或いは、化学加工(例えば、エッチング加工)などによって形成することができる。本実施形態において、各供給孔14は、Z軸方向に沿って直線状に形成されているが、Z軸方向に沿っていなくてもよいし、直線状でなくてもよい。例えば、金属支持体10が多孔質金属によって構成される場合、各供給孔14は、多孔質金属に形成された三次元網目状の開気孔であってもよい。 Each supply hole 14 can be formed by mechanical processing (e.g., punching), laser processing, or chemical processing (e.g., etching). In this embodiment, each supply hole 14 is formed linearly along the Z-axis direction, but it does not have to be along the Z-axis direction, and it does not have to be linear. For example, when the metal support 10 is made of porous metal, each supply hole 14 may be a three-dimensional mesh of open holes formed in the porous metal.
 金属支持体10は、金属材料によって構成される。例えば、金属支持体10は、Cr(クロム)を含有する合金材料によって構成される。このような金属材料としては、Fe-Cr系合金鋼(ステンレス鋼など)やNi-Cr系合金鋼などが挙げられる。金属支持体10におけるCrの含有率は特に制限されないが、4質量%以上30質量%以下とすることができる。 The metal support 10 is made of a metal material. For example, the metal support 10 is made of an alloy material containing Cr (chromium). Examples of such metal materials include Fe-Cr alloy steel (stainless steel, etc.) and Ni-Cr alloy steel. There are no particular restrictions on the Cr content in the metal support 10, but it can be 4% by mass or more and 30% by mass or less.
 金属支持体10は、Ti(チタン)やZr(ジルコニウム)を含有していてもよい。金属支持体10におけるTiの含有率は特に制限されないが、0.01mol%以上1.0mol%以下とすることができる。金属支持体10におけるAlの含有率は特に制限されないが、0.01mol%以上0.4mol%以下とすることができる。金属支持体10は、TiをTiO(チタニア)として含有していてもよいし、ZrをZrO(ジルコニア)として含有していてもよい。 The metal support 10 may contain Ti (titanium) and Zr (zirconium). The Ti content in the metal support 10 is not particularly limited, but may be 0.01 mol% or more and 1.0 mol% or less. The Al content in the metal support 10 is not particularly limited, but may be 0.01 mol% or more and 0.4 mol% or less. The metal support 10 may contain Ti as TiO2 (titania) and may contain Zr as ZrO2 (zirconia).
 金属支持体10は、金属支持体10の構成元素が酸化することによって形成される酸化皮膜を表面に有していてよい。酸化皮膜としては、例えば酸化クロム膜が代表的である。酸化クロム膜は、金属支持体10の表面の少なくとも一部を覆う。酸化クロム膜は、各供給孔14の内周面の少なくとも一部を覆っていてもよい。 The metal support 10 may have an oxide film on its surface that is formed by oxidation of the constituent elements of the metal support 10. A typical example of the oxide film is a chromium oxide film. The chromium oxide film covers at least a portion of the surface of the metal support 10. The chromium oxide film may cover at least a portion of the inner circumferential surface of each supply hole 14.
 (セル本体部20)
 セル本体部20は、水素極層1(カソード)、複数の触媒層2、電解質層3、反応防止層4、及び酸素極層5(アノード)を有する。水素極層1、電解質層3、反応防止層4、及び酸素極層5は、X軸方向及びY軸方向に垂直なZ軸方向において、この順で金属支持体10側から積層されている。
(Cell body 20)
The cell main body 20 has a hydrogen electrode layer 1 (cathode), multiple catalyst layers 2, an electrolyte layer 3, a reaction prevention layer 4, and an oxygen electrode layer 5 (anode). The hydrogen electrode layer 1, the electrolyte layer 3, the reaction prevention layer 4, and the oxygen electrode layer 5 are stacked in this order from the metal support 10 side in the Z-axis direction perpendicular to the X-axis direction and the Y-axis direction.
 水素極層1は、本発明に係る「第1電極層」の一例である。酸素極層5は、本発明に係る「第2電極層」の一例である。水素極層1、電解質層3、及び酸素極層5は必須の構成要素であり、触媒層2及び反応防止層4は任意の構成要素である。 The hydrogen electrode layer 1 is an example of a "first electrode layer" according to the present invention. The oxygen electrode layer 5 is an example of a "second electrode layer" according to the present invention. The hydrogen electrode layer 1, electrolyte layer 3, and oxygen electrode layer 5 are essential components, while the catalyst layer 2 and reaction prevention layer 4 are optional components.
 [水素極層1]
 水素極層1は、金属支持体10の凹部13内に配置されている。これによって、水素極層1は、金属支持体10の凹部13に保持される。本実施形態において、水素極層1は、凹部13に充填されている。すなわち、水素極層1の全部が凹部13内に配置されている。従って、図2に示すように、水素極層1は、凹部13の輪郭に沿うように形成されている。
[Hydrogen electrode layer 1]
The hydrogen electrode layer 1 is disposed in the recess 13 of the metal support 10. As a result, the hydrogen electrode layer 1 is held in the recess 13 of the metal support 10. In this embodiment, the hydrogen electrode layer 1 fills the recess 13. That is, the entire hydrogen electrode layer 1 is disposed in the recess 13. Therefore, as shown in FIG. 2 , the hydrogen electrode layer 1 is formed to follow the contour of the recess 13.
 水素極層1は、凹部13の底面S1及び側周面S2それぞれと接触する。従って、凹部13の底面S1及び側周面S2それぞれは、水素極層1と金属支持体10の界面である。本実施形態において、水素極層1の表面S3は、平面状に形成されているが、部分的又は全体的に湾曲或いは屈曲していてもよい。 The hydrogen electrode layer 1 contacts the bottom surface S1 and the side surface S2 of the recess 13. Therefore, the bottom surface S1 and the side surface S2 of the recess 13 are the interfaces between the hydrogen electrode layer 1 and the metal support 10. In this embodiment, the surface S3 of the hydrogen electrode layer 1 is formed flat, but may be partially or entirely curved or bent.
 水素極層1は、凹部13の底面S1に形成された各供給孔14を覆う。水素極層1には、各供給孔14を介して、流路30aから原料ガスが供給される。原料ガスは少なくともHOを含む。 The hydrogen electrode layer 1 covers each of the supply holes 14 formed in the bottom surface S1 of the recess 13. A source gas is supplied from the flow passage 30a to the hydrogen electrode layer 1 through each of the supply holes 14. The source gas contains at least H2O .
 原料ガスがHOのみを含む場合、水素極層1は、下記(1)式に示す水電解の電気化学反応に従って、原料ガスからHを生成する。
 ・水素極層1:HO+2e→H+O2-・・・(1)
When the source gas contains only H 2 O, the hydrogen electrode layer 1 produces H 2 from the source gas in accordance with the electrochemical reaction of water electrolysis shown in the following formula (1).
Hydrogen electrode layer 1: H 2 O+2e →H 2 +O 2− (1)
 原料ガスがHOに加えてCOを含む場合、水素極層1は、下記(2)、(3)、(4)式に示す共電解の電気化学反応に従って、原料ガスからH、CO及びO2-を生成する。
 ・水素極層1:CO+HO+4e→CO+H+2O2-・・・(2)
 ・HOの電気化学反応:HO+2e→H+O2-・・・(3)
 ・COの電気化学反応:CO+2e→CO+O2-・・・(4)
When the source gas contains CO 2 in addition to H 2 O, the hydrogen electrode layer 1 produces H 2 , CO, and O 2− from the source gas in accordance with the co-electrochemical reactions shown in the following formulas (2), (3), and (4).
Hydrogen electrode layer 1: CO 2 + H 2 O + 4e → CO + H 2 + 2O 2− (2)
Electrochemical reaction of H 2 O: H 2 O + 2e → H 2 + O 2− (3)
Electrochemical reaction of CO2 : CO2 + 2e- → CO + O2 -... (4)
 水素極層1は、電子伝導性を有する多孔質材料によって構成される。水素極層1は、酸化物イオン伝導性を有していてよい。水素極層1は、例えば、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、カルシア安定化ジルコニア(CSZ)、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)、ガドリニウムドープセリア(GDC)、サマリウムドープセリア(SDC)、(La,Sr)(Cr,Mn)O、(La,Sr)TiO、Sr(Fe,Mo)、(La,Sr)VO、(La,Sr)FeO、及びこれらのうち2つ以上を組み合わせた混合材料、或いは、これらのうち1つ以上とNiOとの複合物によって構成することができる。 The hydrogen electrode layer 1 is made of a porous material having electronic conductivity. The hydrogen electrode layer 1 may have oxide ion conductivity. The hydrogen electrode layer 1 may be made of, for example, yttria-stabilized zirconia (YSZ), calcia-stabilized zirconia (CSZ), scandia-stabilized zirconia (ScSZ), gadolinium-doped ceria (GDC), samarium-doped ceria (SDC), (La,Sr)(Cr,Mn) O3 , (La,Sr) TiO3 , Sr2 (Fe,Mo) 2O6 , ( La,Sr) VO3 , (La,Sr) FeO3 , a mixed material of two or more of these, or a composite of one or more of these and NiO.
 水素極層1の気孔率は特に制限されないが、例えば5%以上70%以下とすることができる。水素極層1の厚みは特に制限されないが、例えば1μm以上100μm以下とすることができる。 The porosity of the hydrogen electrode layer 1 is not particularly limited, but can be, for example, 5% to 70%. The thickness of the hydrogen electrode layer 1 is not particularly limited, but can be, for example, 1 μm to 100 μm.
 水素極層1の形成方法は特に制限されず、焼成法、スプレーコーティング法(溶射法、エアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法など)、PVD法(スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など)、CVD法などを用いることができる。 The method for forming the hydrogen electrode layer 1 is not particularly limited, and may be a sintering method, a spray coating method (thermal spraying, aerosol deposition, aerosol gas deposition, powder jet deposition, particle jet deposition, cold spray, etc.), a PVD method (sputtering, pulsed laser deposition, etc.), a CVD method, etc.
 [触媒層2]
 複数の触媒層2それぞれは、各供給孔14内に配置され、水素極層1に連なる。各触媒層2は、面方向において、各供給孔14の底面S1側の開口に係止されている。
[Catalyst layer 2]
Each of the plurality of catalyst layers 2 is disposed in a corresponding supply hole 14 and is continuous with the hydrogen electrode layer 1. Each catalyst layer 2 is engaged with the opening of each supply hole 14 on the bottom surface S1 side in the planar direction.
 各触媒層2は、触媒を含有する多孔体である。触媒としては、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、貴金属などを用いることができる。触媒としてNiを用いる場合、Niは、電子伝導物質として機能するとともに、水素極層1において生成されるHと原料ガスに含まれるCOとの熱的反応を促進して適切なガス組成を維持する熱触媒としても機能するため好ましい。Niは、電解セル100の作動中、基本的には金属Niの状態で存在しているが、一部はNiOの状態で存在していてもよい。 Each catalyst layer 2 is a porous body containing a catalyst. Nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), precious metals, etc. can be used as the catalyst. When Ni is used as the catalyst, Ni is preferable because it functions as an electronic conductor and also functions as a thermal catalyst that promotes a thermal reaction between H 2 generated in the hydrogen electrode layer 1 and CO 2 contained in the raw material gas to maintain an appropriate gas composition. Ni is basically present in the form of metal Ni during operation of the electrolysis cell 100, but may also be partially present in the form of NiO.
 各触媒層2は、酸化物イオン伝導性材料を含有していてもよい。酸化物イオン伝導性材料としては、水素極層1用の酸化物イオン伝導性材料として挙げたものを用いることができる。 Each catalyst layer 2 may contain an oxide ion conductive material. As the oxide ion conductive material, those listed as the oxide ion conductive materials for the hydrogen electrode layer 1 can be used.
 各触媒層2の気孔率は特に制限されないが、例えば5%以上70%以下とすることができる。Z軸方向における各触媒層2の深さは特に制限されないが、Z軸方向における各供給孔14の長さの10%以上100%以下とすることができる。 The porosity of each catalyst layer 2 is not particularly limited, but can be, for example, 5% to 70%. The depth of each catalyst layer 2 in the Z-axis direction is not particularly limited, but can be 10% to 100% of the length of each supply hole 14 in the Z-axis direction.
 各触媒層2の形成方法は特に制限されず、焼成法、スプレーコーティング法、PVD法、CVD法などを用いることができる。 The method for forming each catalyst layer 2 is not particularly limited, and a firing method, a spray coating method, a PVD method, a CVD method, etc. can be used.
 [電解質層3]
 電解質層3は、水素極層1及び酸素極層5の間に配置される。本実施形態では、電解質層3と酸素極層5の間に反応防止層4が配置されているので、電解質層3は、水素極層1と反応防止層4の間に配置され、水素極層1及び反応防止層4それぞれに接続される。
[Electrolyte layer 3]
The electrolyte layer 3 is disposed between the hydrogen electrode layer 1 and the oxygen electrode layer 5. In this embodiment, the reaction prevention layer 4 is disposed between the electrolyte layer 3 and the oxygen electrode layer 5, and therefore the electrolyte layer 3 is disposed between the hydrogen electrode layer 1 and the reaction prevention layer 4 and is connected to both the hydrogen electrode layer 1 and the reaction prevention layer 4.
 電解質層3は、水素極層1の表面S3を覆っている。本実施形態において、水素極層1は、金属支持体10の凹部13に充填されているため、電解質層3は、凹部13の外に配置される。 The electrolyte layer 3 covers the surface S3 of the hydrogen electrode layer 1. In this embodiment, the hydrogen electrode layer 1 is filled in the recess 13 of the metal support 10, so the electrolyte layer 3 is positioned outside the recess 13.
 電解質層3の外縁は、金属支持体10の第1主面11に接続される。本実施形態において、第1主面11の一部は電解質層3から露出しているが、第1主面11の全部が電解質層3に覆われていてもよい。 The outer edge of the electrolyte layer 3 is connected to the first main surface 11 of the metal support 10. In this embodiment, a portion of the first main surface 11 is exposed from the electrolyte layer 3, but the entire first main surface 11 may be covered by the electrolyte layer 3.
 電解質層3は、水素極層1において生成されたO2-を酸素極層5側に伝達させる。電解質層3は、酸化物イオン伝導性を有する緻密質材料によって構成される。電解質層3は、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア、例えば8YSZ)、GDC(ガドリニウムドープセリア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、SDC(サマリウム固溶セリア)、LSGM(ランタンガレート)などによって構成することができる。 The electrolyte layer 3 transfers O 2- generated in the hydrogen electrode layer 1 to the oxygen electrode layer 5. The electrolyte layer 3 is made of a dense material having oxide ion conductivity. The electrolyte layer 3 can be made of, for example, YSZ (yttria-stabilized zirconia, e.g., 8YSZ), GDC (gadolinium-doped ceria), ScSZ (scandia-stabilized zirconia), SDC (samarium-doped ceria), LSGM (lanthanum gallate), or the like.
 電解質層3の気孔率は特に制限されないが、例えば0.1%以上7%以下とすることができる。電解質層3の厚みは特に制限されないが、例えば1μm以上100μm以下とすることができる。 The porosity of the electrolyte layer 3 is not particularly limited, but can be, for example, 0.1% to 7%. The thickness of the electrolyte layer 3 is not particularly limited, but can be, for example, 1 μm to 100 μm.
 電解質層3の形成方法は特に制限されず、焼成法、スプレーコーティング法、PVD法、CVD法などを用いることができる。 The method for forming the electrolyte layer 3 is not particularly limited, and methods such as baking, spray coating, PVD, and CVD can be used.
 [反応防止層4]
 反応防止層4は、電解質層3と酸素極層5の間に配置される。反応防止層4は、電解質層3を基準として水素極層1の反対側に配置される。反応防止層4は、電解質層3の構成元素が酸素極層5の構成元素と反応して電気抵抗の大きい層が形成されることを抑制する。
[Reaction prevention layer 4]
The reaction prevention layer 4 is disposed between the electrolyte layer 3 and the oxygen electrode layer 5. The reaction prevention layer 4 is disposed on the opposite side of the electrolyte layer 3 from the hydrogen electrode layer 1. The reaction prevention layer 4 prevents the constituent elements of the electrolyte layer 3 from reacting with the constituent elements of the oxygen electrode layer 5 to form a layer with high electrical resistance.
 反応防止層4は、酸化物イオン伝導性材料によって構成される。反応防止層4は、例えば、GDC、SDCなどによって構成することができる。 The reaction prevention layer 4 is made of an oxide ion conductive material. The reaction prevention layer 4 can be made of, for example, GDC, SDC, etc.
 反応防止層4の気孔率は特に制限されないが、例えば0.1%以上50%以下とすることができる。反応防止層4の厚みは特に制限されないが、例えば1μm以上50μm以下とすることができる。 The porosity of the reaction prevention layer 4 is not particularly limited, but can be, for example, 0.1% to 50%. The thickness of the reaction prevention layer 4 is not particularly limited, but can be, for example, 1 μm to 50 μm.
 反応防止層4の形成方法は特に制限されず、焼成法、スプレーコーティング法、PVD法、CVD法などを用いることができる。 The method for forming the reaction prevention layer 4 is not particularly limited, and a baking method, a spray coating method, a PVD method, a CVD method, etc. can be used.
 [酸素極層5]
 酸素極層5は、電解質層3を基準として水素極層1の反対側に配置される。本実施形態では、電解質層3と酸素極層5の間に反応防止層4が配置されているので、酸素極層5は反応防止層4に接続される。電解質層3と酸素極層5の間に反応防止層4が配置されない場合、酸素極層5は電解質層3に接続される。
[Oxygen electrode layer 5]
The oxygen electrode layer 5 is disposed on the opposite side of the hydrogen electrode layer 1 with respect to the electrolyte layer 3. In this embodiment, since the reaction prevention layer 4 is disposed between the electrolyte layer 3 and the oxygen electrode layer 5, the oxygen electrode layer 5 is connected to the reaction prevention layer 4. If the reaction prevention layer 4 is not disposed between the electrolyte layer 3 and the oxygen electrode layer 5, the oxygen electrode layer 5 is connected to the electrolyte layer 3.
 酸素極層5は、下記(5)式の化学反応に従って、水素極層1から電解質層3を介して伝達されるO2-からOを生成する。
 ・酸素極層5:2O2-→O+4e・・・(5)
The oxygen electrode layer 5 produces O 2 from O 2− transferred from the hydrogen electrode layer 1 via the electrolyte layer 3 in accordance with the chemical reaction of the following formula (5).
Oxygen electrode layer 5: 2O 2− →O 2 +4e (5)
 酸素極層5は、酸化物イオン伝導性及び電子伝導性を有する多孔質材料によって構成される。酸素極層5は、例えば(La,Sr)(Co,Fe)O、(La,Sr)FeO、La(Ni,Fe)O、(La,Sr)CoO、及び(Sm,Sr)CoOのうち1つ以上と酸化物イオン伝導材料(GDCなど)との複合材料によって構成することができる。 The oxygen electrode layer 5 is made of a porous material having oxide ion conductivity and electron conductivity, and may be made of a composite material of one or more of (La,Sr)(Co,Fe) O3 , (La,Sr) FeO3 , La(Ni,Fe) O3 , (La,Sr) CoO3 , and (Sm,Sr) CoO3 and an oxide ion conductive material (such as GDC).
 酸素極層5の気孔率は特に制限されないが、例えば20%以上60%以下とすることができる。酸素極層5の厚みは特に制限されないが、例えば1μm以上100μm以下とすることができる。 The porosity of the oxygen electrode layer 5 is not particularly limited, but can be, for example, 20% or more and 60% or less. The thickness of the oxygen electrode layer 5 is not particularly limited, but can be, for example, 1 μm or more and 100 μm or less.
 酸素極層5の形成方法は特に制限されず、焼成法、スプレーコーティング法、PVD法、CVD法などを用いることができる。 The method for forming the oxygen electrode layer 5 is not particularly limited, and a firing method, a spray coating method, a PVD method, a CVD method, etc. can be used.
 [流路部材30]
 流路部材30は、金属支持体10の第2主面12に接合される。流路部材30は、金属支持体10との間に流路30aを形成する。流路30aには、原料ガスが供給される。流路30aに供給された原料ガスは、金属支持体10の各供給孔14を介して、セル本体部20の触媒層2及び水素極層1に順次供給される。
[Flow path member 30]
The flow path member 30 is joined to the second main surface 12 of the metal support 10. The flow path member 30 forms a flow path 30a between itself and the metal support 10. A source gas is supplied to the flow path 30a. The source gas supplied to the flow path 30a is sequentially supplied to the catalyst layer 2 and the hydrogen electrode layer 1 of the cell main body 20 via each supply hole 14 of the metal support 10.
 流路部材30は、例えば、合金材料によって構成することができる。流路部材30は、金属支持体10と同様の材料によって形成されていてもよい。この場合、流路部材30は、金属支持体10と実質的に一体であってよい。 The flow path member 30 can be made of, for example, an alloy material. The flow path member 30 may be made of the same material as the metal support 10. In this case, the flow path member 30 may be substantially integral with the metal support 10.
 流路部材30は、枠体31及びインターコネクタ32を有する。枠体31は、流路30aの側周を取り囲む環状の板部材である。枠体31は、金属支持体10の第2主面12に接合される。インターコネクタ32は、外部電源又は他の電解セルを電解セル100と電気的に直列に接続するための板部材である。インターコネクタ32は、枠体31に接合される。 The flow path member 30 has a frame body 31 and an interconnector 32. The frame body 31 is an annular plate member that surrounds the side circumference of the flow path 30a. The frame body 31 is joined to the second main surface 12 of the metal support body 10. The interconnector 32 is a plate member for electrically connecting an external power source or another electrolytic cell in series with the electrolytic cell 100. The interconnector 32 is joined to the frame body 31.
 本実施形態では、枠体31とインターコネクタ32が別々の部材となっているが、枠体31とインターコネクタ32は一体の部材であってもよい。 In this embodiment, the frame body 31 and the interconnector 32 are separate components, but the frame body 31 and the interconnector 32 may be an integrated component.
 (特徴) (Features)
 (1)金属材料によって構成される金属支持体10の耐熱性が低く、水素極層1を高温で成膜することは困難であるため、水素極層1の多孔質微構造の強度を向上させるにも限界がある。 (1) The heat resistance of the metal support 10, which is made of a metal material, is low, and it is difficult to form the hydrogen electrode layer 1 at high temperatures, so there is a limit to how much strength the porous microstructure of the hydrogen electrode layer 1 can be improved.
 そこで、本実施形態では、水素極層1が、金属支持体10の第1主面11に形成された凹部13内に配置されている。これによって、水素極層1を凹部13内に保持できるため、面方向における外力が水素極層1にかかったとしても、水素極層1の変形を低減させることができる。また、水素極層1が第1主面11上に配置される場合に比べて、水素極層1と金属支持体10の接触面積を大きくすることができる。その結果、水素極層1に損傷(クラックや剥離)が生じることを抑制できる。 In this embodiment, the hydrogen electrode layer 1 is disposed in a recess 13 formed in the first main surface 11 of the metal support 10. This allows the hydrogen electrode layer 1 to be held in the recess 13, so that deformation of the hydrogen electrode layer 1 can be reduced even if an external force in the surface direction is applied to the hydrogen electrode layer 1. Furthermore, the contact area between the hydrogen electrode layer 1 and the metal support 10 can be made larger than when the hydrogen electrode layer 1 is disposed on the first main surface 11. As a result, damage (cracks and peeling) to the hydrogen electrode layer 1 can be suppressed.
 さらに、水素極層1の変形を低減させられる分、水素極層1の厚みを厚くすることもできるため、水素極層1内における面方向のガス拡散性を向上させることができる。その結果、水素極層1の電極抵抗を低下させることができる。 Furthermore, since the deformation of the hydrogen electrode layer 1 can be reduced, the thickness of the hydrogen electrode layer 1 can be increased, thereby improving the gas diffusion in the surface direction within the hydrogen electrode layer 1. As a result, the electrode resistance of the hydrogen electrode layer 1 can be reduced.
 (2)金属支持体10の厚み方向に沿った断面において、側周面S2と底面S1の境界部13aは、R形状である。従って、水素極層1に角部が形成されないため、水素極層1に欠けが生じることを抑制できる。 (2) In a cross section along the thickness direction of the metal support 10, the boundary 13a between the side peripheral surface S2 and the bottom surface S1 is rounded. Therefore, no corners are formed in the hydrogen electrode layer 1, which prevents chipping of the hydrogen electrode layer 1.
 (3)セル本体部20は、各供給孔14に配置され、水素極層1に連なる触媒層2を有する。これによって、金属支持体10に対する触媒層2のアンカー効果によって、面方向における水素極層1の変形を更に低減させることができる。 (3) The cell body 20 has a catalyst layer 2 disposed in each supply hole 14 and connected to the hydrogen electrode layer 1. This allows the anchor effect of the catalyst layer 2 on the metal support 10 to further reduce deformation of the hydrogen electrode layer 1 in the planar direction.
 (実施形態の変形例)
 以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
(Modification of the embodiment)
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these, and various modifications are possible without departing from the spirit of the present invention.
 [変形例1]
 上記実施形態において、水素極層1は、その全部が金属支持体10の凹部13内に配置されることとしたが、図3に示すように、水素極層1の少なくとも一部が凹部13内に配置されていればよい。
[Modification 1]
In the above embodiment, the entire hydrogen electrode layer 1 is disposed within the recess 13 of the metal support 10. However, as shown in FIG. 3, it is sufficient that at least a portion of the hydrogen electrode layer 1 is disposed within the recess 13.
 [変形例2]
 上記実施形態において、電解質層3は、凹部13の外に配置されることとしたが、図4に示すように、水素極層1の厚みが凹部13の深さより小さい場合には、電解質層3は、凹部13内に配置されていてもよい。
[Modification 2]
In the above embodiment, the electrolyte layer 3 is disposed outside the recess 13. However, as shown in FIG. 4 , when the thickness of the hydrogen electrode layer 1 is smaller than the depth of the recess 13, the electrolyte layer 3 may be disposed inside the recess 13.
 [変形例3]
 上記実施形態において、側周面S2と底面S1の境界部13aは、R形状であることとしたが、これに限られない。側周面S2は、底面S1に対して屈曲するように配置されていてもよい。
[Modification 3]
In the above embodiment, the boundary portion 13a between the side peripheral surface S2 and the bottom surface S1 has an R-shape, but this is not limited thereto. The side peripheral surface S2 may be disposed so as to be curved with respect to the bottom surface S1.
 [変形例4]
 上記実施形態において、セル本体部20は、触媒層2を有することとしたが、触媒層2を有していなくてもよい。
[Modification 4]
In the above embodiment, the cell body 20 has the catalyst layer 2 , but it does not have to have the catalyst layer 2 .
 [変形例5]
 上記実施形態において、複数の供給孔14それぞれに触媒層2が配置されることとしたが、これに限られない。触媒層2は、複数の供給孔14のうち少なくとも1つの供給孔14に配置されていればよい。
[Modification 5]
In the above embodiment, the catalyst layer 2 is disposed in each of the plurality of supply holes 14, but this is not limited thereto. It is sufficient that the catalyst layer 2 is disposed in at least one of the plurality of supply holes 14.
 [変形例6]
 上記実施形態において、水素極層1はカソードとして機能し、酸素極層5はアノードとして機能することとしたが、水素極層1がアノードとして機能し、酸素極層5がカソードとして機能してもよい。この場合、水素極層1と酸素極層5の構成材料を入れ替えるとともに、水素極層1の外表面に原料ガスを流すことになる。
[Modification 6]
In the above embodiment, the hydrogen electrode layer 1 functions as a cathode and the oxygen electrode layer 5 functions as an anode, but the hydrogen electrode layer 1 may function as an anode and the oxygen electrode layer 5 may function as a cathode. In this case, the constituent materials of the hydrogen electrode layer 1 and the oxygen electrode layer 5 are switched, and a source gas is caused to flow over the outer surface of the hydrogen electrode layer 1.
 [変形例7]
 上記実施形態では、電気化学セルの一例として電解セル100について説明したが、電気化学セルは電解セルに限られない。電気化学セルとは、電気エネルギーを化学エネルギーに変えるため、全体的な酸化還元反応から起電力が生じるように一対の電極が配置された素子と、化学エネルギーを電気エネルギーに変えるための素子との総称である。従って、電気化学セルには、例えば、酸化物イオン或いはプロトンをキャリアとする燃料電池が含まれる。
[Modification 7]
In the above embodiment, the electrolysis cell 100 has been described as an example of an electrochemical cell, but the electrochemical cell is not limited to the electrolysis cell. An electrochemical cell is a general term for an element in which a pair of electrodes are arranged so that an electromotive force is generated from an overall oxidation-reduction reaction in order to convert electrical energy into chemical energy, and an element for converting chemical energy into electrical energy. Therefore, the electrochemical cell includes, for example, a fuel cell that uses oxide ions or protons as a carrier.
100 電解セル
10  金属支持体
11  第1主面
12  第2主面
13  凹部
S1  底面
S2  側周面
13a 境界部
14  供給孔
20  セル本体部
1   水素極層
2   触媒層
3   電解質層
4   反応防止層
5   酸素極層
30  流路部材
30a 流路
Reference Signs List 100 Electrolysis cell 10 Metal support 11 First main surface 12 Second main surface 13 Recess S1 Bottom surface S2 Side peripheral surface 13a Boundary portion 14 Supply hole 20 Cell body 1 Hydrogen electrode layer 2 Catalyst layer 3 Electrolyte layer 4 Reaction prevention layer 5 Oxygen electrode layer 30 Flow path member 30a Flow path

Claims (3)

  1.  第1電極層と、第2電極層と、前記第1電極層及び前記第2電極層の間に配置される電解質層とを有するセル本体部と、
     第1主面と、第2主面と、前記第1主面に形成された凹部と、前記第2主面と前記凹部の底面に連なる複数の供給孔とを有する金属支持体と、
    を備え、
     前記第1電極層の少なくとも一部は、前記凹部内に配置される、
    電気化学セル。
    a cell body having a first electrode layer, a second electrode layer, and an electrolyte layer disposed between the first electrode layer and the second electrode layer;
    a metal support having a first main surface, a second main surface, a recess formed in the first main surface, and a plurality of supply holes communicating with the second main surface and a bottom surface of the recess;
    Equipped with
    At least a portion of the first electrode layer is disposed within the recess.
    Electrochemical cell.
  2.  前記金属支持体の厚み方向に沿った断面において、前記凹部の側周面と前記底面の境界部は、R形状である、
    請求項1に記載の電気化学セル。
    In a cross section along a thickness direction of the metal support, a boundary portion between a side peripheral surface and the bottom surface of the recess has an R-shape.
    10. The electrochemical cell of claim 1.
  3.  前記セル本体部は、前記複数の供給孔のうち少なくとも1つの供給孔内に配置され、第1電極層に連なる触媒層を有する、
    請求項1又は2に記載の電気化学セル。
     
    the cell body portion has a catalyst layer disposed in at least one of the plurality of supply holes and connected to the first electrode layer;
    3. An electrochemical cell according to claim 1 or 2.
PCT/JP2023/046416 2022-12-27 2023-12-25 Electrochemical cell WO2024143271A1 (en)

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