JP7650404B2 - Electrochemical Cell - Google Patents
Electrochemical Cell Download PDFInfo
- Publication number
- JP7650404B2 JP7650404B2 JP2024514169A JP2024514169A JP7650404B2 JP 7650404 B2 JP7650404 B2 JP 7650404B2 JP 2024514169 A JP2024514169 A JP 2024514169A JP 2024514169 A JP2024514169 A JP 2024514169A JP 7650404 B2 JP7650404 B2 JP 7650404B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- hydrogen electrode
- intermediate layer
- layer
- support layer
- electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
- C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
- C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
- C25B11/042—Electrodes formed of a single material
- C25B11/046—Alloys
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
- C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
- C25B11/042—Electrodes formed of a single material
- C25B11/047—Ceramics
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
- C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
- C25B9/23—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms comprising ion-exchange membranes in or on which electrode material is embedded
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/60—Constructional parts of cells
- C25B9/63—Holders for electrodes; Positioning of the electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
- H01M8/1213—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
- H01M8/1213—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
- H01M8/1226—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material characterised by the supporting layer
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
Description
本発明は、電気化学セルに関するものである。 The present invention relates to an electrochemical cell.
電気化学セルの一例としてアノード支持型の燃料電池が知られている(例えば、特許文献1参照)。アノード支持型の燃料電池は、支持層と、支持層上に配置される水素極と、酸素極と、水素極及び酸素極の間に配置される電解質とを備える。An anode-supported fuel cell is known as an example of an electrochemical cell (see, for example, Patent Document 1). An anode-supported fuel cell includes a support layer, a hydrogen electrode disposed on the support layer, an oxygen electrode, and an electrolyte disposed between the hydrogen electrode and the oxygen electrode.
支持層は、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)とNi(ニッケル)とによって構成することができ、水素極は、希土類元素が添加されたセリア系酸化物とNiとによって構成することができる。水素極及び支持層それぞれが含むNiは、酸化雰囲気においてNiOの形態で存在する。The support layer can be composed of YSZ (yttria-stabilized zirconia) and Ni (nickel), and the hydrogen electrode can be composed of a ceria-based oxide with rare earth elements added and Ni. The Ni contained in the hydrogen electrode and the support layer exists in the form of NiO in an oxidizing atmosphere.
支持層及び水素極が還元雰囲気に曝されると、支持層及び水素極に含まれるNiOは還元されてNiとなるため、支持層及び水素極それぞれに体積変化が生じる。加えて、水素極中のセリア(CeO2)は還元雰囲気における膨張量が大きいのに対して、支持層中のジルコニア(ZrO2)は還元雰囲気における膨張量が相対的に小さいため、還元雰囲気では水素極と支持層の間に膨張量差が生じる。この状況下で起動及び停止が繰り返されると、水素極内に蓄積される応力によってクラックが生じてしまう。 When the support layer and the hydrogen electrode are exposed to a reducing atmosphere, the NiO contained in the support layer and the hydrogen electrode is reduced to Ni, causing a volume change in each of the support layer and the hydrogen electrode. In addition, the ceria (CeO 2 ) in the hydrogen electrode expands greatly in a reducing atmosphere, whereas the zirconia (ZrO 2 ) in the support layer expands relatively little in a reducing atmosphere, so that a difference in the amount of expansion occurs between the hydrogen electrode and the support layer in a reducing atmosphere. When start-up and stop are repeated under this condition, the stress accumulated in the hydrogen electrode causes cracks.
本発明の課題は、水素極のクラックを抑制可能な電気化学セルを提供することである。 The object of the present invention is to provide an electrochemical cell capable of suppressing cracks in the hydrogen electrode.
本発明に係る電気化学セルは、支持層と、支持層上に配置される中間層と、中間層上に配置される水素極と、酸素極と、水素極及び酸素極の間に配置される電解質とを備える。支持層は、イットリア安定化ジルコニアと、ニッケルとによって構成される。水素極は、希土類元素が添加されたセリア系酸化物と、ニッケルとによって構成される。中間層は、イットリア安定化ジルコニア及び希土類元素が添加されたセリア系酸化物の固溶体と、ニッケルとによって構成される。The electrochemical cell according to the present invention comprises a support layer, an intermediate layer disposed on the support layer, a hydrogen electrode disposed on the intermediate layer, an oxygen electrode, and an electrolyte disposed between the hydrogen electrode and the oxygen electrode. The support layer is composed of yttria-stabilized zirconia and nickel. The hydrogen electrode is composed of a ceria-based oxide having a rare earth element added thereto, and nickel. The intermediate layer is composed of a solid solution of yttria-stabilized zirconia and a ceria-based oxide having a rare earth element added thereto, and nickel.
本発明によれば、水素極のクラックを抑制可能な電気化学セルを提供することができる。 According to the present invention, an electrochemical cell can be provided that can suppress cracks in the hydrogen electrode.
(燃料電池セル10)
燃料電池セル10は、いわゆるアノード支持型の燃料電池セルである。燃料電池セル10は、支持層11、中間層12、水素極13、電解質14、反応防止層15、及び酸素極16を備える。
(Fuel cell 10)
The
[支持層11]
支持層11は、中間層12を支持する。支持層11の形状は特に限られないが、例えば板状、中空板状、円筒状などに形成することができる。
[Support layer 11]
The
支持層11は、電子伝導性を有する多孔質材料によって構成される。具体的には、支持層11は、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)とNi(ニッケル)とを含む。YSZとしては、3mol%以上10mol%以下のY2O3(イットリア)で安定化されたZrO2(ジルコニア)を用いることができる。Niは、燃料ガスが供給された還元雰囲気では金属Niとなり、燃料ガスが供給されない酸化雰囲気ではNiOとなる。
The
支持層11におけるYSZの含有率は、25mol%以上55mol%以下とすることができる。支持層11におけるNiの含有率は、NiO換算で45mol%以上75mol%以下とすることができる。The YSZ content in the
支持層11におけるYSZ及びNiそれぞれの含有率は、原子濃度プロファイルによるライン分析、すなわちEPMA(Electron Probe Micro Analyzer)を用いた元素マッピングによって得られる。具体的には、厚み方向に沿った断面において、EPMAを用いて厚み方向にライン分析を行うことにより、各元素の濃度分布データが取得される。なお、EPMAは、EDS(Energy Dispersive x-ray Spectroscopy)を含む概念である。The respective contents of YSZ and Ni in the
支持層11の気孔率は、例えば、10%以上50%以下とすることができる。本明細書において、気孔率とは、SEM(走査電子顕微鏡)を用いた断面観察における固相と気相の総面積に対する気相の面積の割合である。支持層11の厚さは、例えば、50μm以上1mm以下とすることができる。The porosity of the
[中間層12]
中間層12は、支持層11上に配置される。中間層12は、支持層11と水素極13の間に配置される。
[Intermediate layer 12]
The
中間層12は、電子伝導性及びイオン伝導性を有する多孔質材料によって構成される。具体的には、中間層12は、YSZ及び希土類元素が添加されたセリア系酸化物の固溶体とNiとを含む。固溶体とは、YSZ及び希土類元素が添加されたセリア系酸化物が互いに溶け合って、全体が均一の固相となっているものをいう。The
ここで、支持層11及び水素極13が還元雰囲気に曝されると、支持層11及び水素極13に含まれるNiOは還元されてNiとなるため、支持層11及び水素極13それぞれに体積変化が生じる。加えて、水素極13中のCeO2は還元雰囲気における膨張量が大きいのに対して、支持層11中のZrO2は還元雰囲気における膨張量が相対的に小さいため、還元雰囲気では水素極13と支持層11の間に膨張量差が生じる。この状況下で燃料電池セル10の起動及び停止が繰り返されると、水素極13内に蓄積される応力によってクラックが生じやすい。
When the
そこで、本実施形態に係る中間層12は、支持層11の構成材料であるYSZと、後述する水素極13の構成材料である希土類元素が添加されたセリア系酸化物との両方を含有している。この中間層12が水素極13と支持層11の間の膨張量差を緩衝させる緩衝層として機能することによって、支持層11と水素極13が直接接続される場合に比べて水素極13内に応力が蓄積されることを抑制できる。よって、水素極13にクラックが生じることを抑制できる。Therefore, the
中間層12は、支持層11と水素極13の間において、YSZ及び希土類元素が添加されたセリア系酸化物の固溶体が存在する領域である。希土類元素が添加されたセリア系酸化物としては、例えば、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)、イットリウムドープセリア(YDC)などが挙げられるが、これらには限られない。GDCとしては、5mol%以上20mol%以下のGd(ガドリニウム)の酸化物がドープされたCeO2(セリア)を用いることができる。Niは、燃料ガスが供給された還元雰囲気では金属Niとなり、燃料ガスが供給されない酸化雰囲気ではNiOとなる。
The
中間層12におけるYSZの含有率は、15mol%以上35mol%以下とすることができる。中間層12における希土類元素が添加されたセリア系酸化物の含有率は、15mol%以上35mol%以下とすることができる。中間層12におけるNiの含有率は、NiO換算で35mol%以上65mol%以下とすることができる。支持層11におけるYSZ、希土類元素が添加されたセリア系酸化物及びNiそれぞれの含有率は、上述した原子濃度プロファイルによるライン分析によって得られる。The YSZ content in the
中間層12の厚さは、例えば1μm以上50μm以下とすることができる。中間層12の厚さは、20μm以下であることが好ましい。これによって、中間層12内のイオン伝導パスが切れてしまうことを抑制できるため、燃料電池セル10の初期性能が低くなることを抑制できる。また、中間層12の厚さは、3μm以上であることが好ましい。これによって、水素極13にクラックが生じることをより抑制することができる。よって、中間層12の厚さを3μm以上20μm以下とすることによって、燃料電池セル10の初期性能の確保とクラックの更なる抑制とを両立させることができる。The thickness of the
なお、中間層12の厚さは、厚み方向に沿った中間層12の断面をFE-SEMを用いて1000倍で観察し、観察画像内から無作為に選択した5箇所における中間層12の厚みを算術平均することによって取得される。厚み方向とは、電解質14の水素極側表面に垂直な方向である。The thickness of the
中間層12の気孔率は、例えば、10%以上50%以下とすることができる。The porosity of the
[水素極13]
水素極13は、中間層12上に配置される。水素極13は、中間層12と電解質14の間に配置される。水素極13には、支持層11及び中間層12を介して燃料ガスが供給される。水素極13では、次の式(1)で表される電極反応が起こる。
[Hydrogen electrode 13]
The
H2+O2-→H2O+2e- …(1) H2 + O2- → H2O +2e -... (1)
水素極13は、電子伝導性及びイオン伝導性を有する多孔質材料によって構成される。具体的には、水素極13は、希土類元素が添加されたセリア系酸化物とNiとを含む。希土類元素が添加されたセリア系酸化物としては、例えば、GDC、SDC、YDCなどが挙げられるが、これらには限られない。GDCとしては、5mol%以上20mol%以下のGd(ガドリニウム)の酸化物がドープされたCeO2(セリア)を用いることができる。水素極13に含まれる希土類元素が添加されたセリア系酸化物は、中間層12に含まれる希土類元素が添加されたセリア系酸化物と同種であってもよいし異種であってもよい。Niは、燃料ガスが供給された還元雰囲気では金属Niとなり、燃料ガスが供給されない酸化雰囲気ではNiOとなる。このように、Niの還元及び酸化に応じて水素極13は収縮及び膨張するが、上述の通り水素極13の体積変化が中間層12において吸収されることによって、水素極13にクラックが生じることが抑制される。
The
水素極13における希土類元素が添加されたセリア系酸化物の含有率は、35mol%以上65mol%以下とすることができる。水素極13におけるNiの含有率は、NiO換算で35mol%以上65mol%以下とすることができる。水素極13における希土類元素が添加されたセリア系酸化物及びNiそれぞれの含有率は、上述した原子濃度プロファイルによるライン分析によって得られる。The content of the ceria-based oxide to which a rare earth element has been added in the
水素極13の気孔率は、例えば、10%以上50%以下とすることができる。水素極13の厚さは、例えば、5μm以上0.1mm以下とすることができる。The porosity of the
[電解質14]
電解質14は、水素極13上に配置される。電解質14は、水素極13と酸素極16の間に配置される。本実施形態では、燃料電池セル10が反応防止層15を備えているため、電解質14は、水素極13と反応防止層15によって挟まれている。
[Electrolyte 14]
The
電解質14は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密質材料によって構成される。電解質14は、例えば、Y2O3、CeO2、Sc2O3、Yb2O3などで安定化されたZrO2や、Y2O3、Sm2O3、Gd2O3などがドープされたCeO2によって構成することができる。或いは、電解質14は、ランタンガレート、又は、ランタンガレートのランタン又はガリウムの一部がストロンチウム、カルシウム、バリウム、マグネシウム、アルミニウム、インジウム、コバルト、鉄、ニッケル、銅などで置換されたランタンガレート型ペロブスカイト構造酸化物によって構成することができる。電解質14は、1種の電解質材料によって構成されてもよいし、2種以上の電解質材料によって構成されてもよい。
The
電解質14の気孔率は、例えば、0%以上7%以下とすることができる。電解質14の厚さは、例えば、3μm以上50μm以下とすることができる。なお、電解質14は、単層構造であってもよいし、多層構造であってもよい。The porosity of the
[反応防止層15]
反応防止層15は、電解質14上に配置される。反応防止層15は、電解質14と酸素極16の間に配置される。反応防止層15は、電解質14の構成材料と酸素極16の構成材料とが反応して電気抵抗の大きい反応層が形成されることを抑制するために設けられている。
[Reaction prevention layer 15]
The
反応防止層15は、イオン伝導性材料によって構成される。反応防止層15は、例えばGd、Sm及びY等の希土類元素の酸化物等がドープされたセリアによって構成することができる。The
反応防止層15の気孔率は、例えば、0.1%以上50%以下とすることができる。反応防止層15の厚さは、例えば、1μm以上50μm以下とすることができる。The porosity of the
[酸素極16]
酸素極16は、反応防止層15上に配置される。酸素極16には、酸素を含むガス(例えば、空気)が供給される。酸素極16では、次の式(2)で表される電極反応が起こる。
[Oxygen electrode 16]
The
(1/2)・O2+2e-→O2- …(2) (1/2)・O 2 +2e − →O 2 − …(2)
酸素極16は、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16は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O3(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)、LSF=(La,Sr)FeO3(ランタンストロンチウムフェライト)、LNF=La(Ni,Fe)O3(ランタンニッケルフェライト)、LSC=(La,Sr)CoO3(ランタンストロンチウムコバルタイト)等によって構成することができる。
The
酸素極16の気孔率は、例えば、10%以上50%以下とすることができる。酸素極16の厚さは、例えば、10μm以上100μm以下とすることができる。The porosity of the
(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]
上記実施形態では、燃料電池の一例として、いわゆるアノード支持型の燃料電池セルについて説明したが、電気化学セルはこれに限られない。本発明は、電解質層の両側に水素極と酸素極とが配置された電気化学セルに適用可能である。
[Modification 1]
In the above embodiment, a so-called anode-supported fuel cell has been described as an example of a fuel cell, but the electrochemical cell is not limited to this. The present invention is applicable to an electrochemical cell in which a hydrogen electrode and an oxygen electrode are disposed on either side of an electrolyte layer.
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。 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.
電気化学セルとしては、アノード支持型の燃料電池セルのほか、横縞型の燃料電池セル、縦縞型の燃料電池セル、平板型の燃料電池セル、筒型の燃料電池セル、更に、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う電解セルなどが挙げられる。また、上記実施形態では、O2-(酸素イオン)をキャリアとしたが、OH-(水酸化物イオン)やプロトンをキャリアとしてもよい。 Examples of electrochemical cells include anode-supported fuel cells, horizontally striped fuel cells, vertically striped fuel cells, flat plate fuel cells, cylindrical fuel cells, and electrolysis cells that generate hydrogen by utilizing the electrolysis reaction of water. In the above embodiment, O 2− (oxygen ion) is used as the carrier, but OH − (hydroxide ion) or protons may also be used as the carrier.
[変形例2]
上記実施形態において、燃料電池セル10は、反応防止層15を備えることとしたが、反応防止層15を備えていなくてもよい。
[Modification 2]
In the above embodiment, the
以下において本発明に係る電解セルの実施例について説明するが、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。 Below, we will explain examples of the electrolytic cell according to the present invention, but the present invention is not limited to the examples described below.
(実施例1~7の作製)
以下のようにして、実施例1~7に係る電解セルを作製した。
(Preparation of Examples 1 to 7)
The electrolytic cells according to Examples 1 to 7 were prepared as follows.
まず、YSZ粉末、NiO粉末、バインダ、造孔剤、可塑剤、分散媒及び溶剤を混合した支持層用スラリーをシート成形することによって、支持層成形体を作製した。First, a support layer molded body was produced by sheet molding a support layer slurry made by mixing YSZ powder, NiO powder, binder, pore-forming agent, plasticizer, dispersion medium and solvent.
次に、YSZ粉末、GDC粉末、NiO粉末、バインダ、造孔剤、可塑剤、分散媒及び溶剤を混合することによって調製した中間層用ペーストを支持層成形体上に印刷することによって、中間層成形体を形成した。この際、中間層用ペーストの印刷厚みを変更することによって、表1に示すように、実施例1~7それぞれの中間層の厚みを調整した。Next, an intermediate layer paste prepared by mixing YSZ powder, GDC powder, NiO powder, binder, pore former, plasticizer, dispersion medium, and solvent was printed on the support layer body to form an intermediate layer body. At this time, the thickness of the intermediate layer was adjusted for each of Examples 1 to 7 by changing the printing thickness of the intermediate layer paste, as shown in Table 1.
次に、GDC粉末、NiO粉末、バインダ、造孔剤、可塑剤、分散媒及び溶剤を混合することによって調製した水素極用ペーストを中間層成形体上に印刷することによって、水素極成形体を形成した。Next, a hydrogen electrode paste prepared by mixing GDC powder, NiO powder, binder, pore-forming agent, plasticizer, dispersion medium and solvent was printed onto the intermediate layer compact to form a hydrogen electrode compact.
次に、YSZ粉末、バインダ、可塑剤、分散媒及び溶剤を混合することによって調製した電解質用ペーストを水素極成形体上に印刷することによって、電解質成形体を形成した。Next, an electrolyte paste prepared by mixing YSZ powder, binder, plasticizer, dispersion medium and solvent was printed onto the hydrogen electrode compact to form an electrolyte compact.
次に、GDC粉末、バインダ、及び溶剤を混合することによって調製した反応防止層用ペーストを電解質成形体上に印刷することによって、反応防止層成形体を形成した。Next, a reaction prevention layer paste prepared by mixing GDC powder, a binder, and a solvent was printed onto the electrolyte molded body to form a reaction prevention layer molded body.
支持層成形体、中間層成形体、水素極成形体、電解質成形体及び反応防止層成形体の積層体を焼成(1300℃、5時間)することによって、支持層、中間層、水素極、電解質及び反応防止層からなる焼成体を作製した。A laminate of a support layer molded body, an intermediate layer molded body, a hydrogen electrode molded body, an electrolyte molded body and a reaction prevention layer molded body was fired (1300°C, 5 hours) to produce a fired body consisting of a support layer, an intermediate layer, a hydrogen electrode, an electrolyte and a reaction prevention layer.
LSCF粉末、バインダ及び溶剤を混合することによって調製した酸素極用ペーストを反応防止層上に印刷することによって、酸素極成形体を形成した。An oxygen electrode paste prepared by mixing LSCF powder, binder and solvent was printed onto the reaction prevention layer to form an oxygen electrode body.
次に、酸素極成形体を焼成(1050℃、2時間)することによって、実施例1~7に係る電解セルを得た。Next, the oxygen electrode molded body was sintered (1050°C, 2 hours) to obtain the electrolytic cells of Examples 1 to 7.
(比較例1の作製)
中間層を形成しなかったこと以外は上記実施例1~7と同じ工程により比較例1に係る電解セルを作製した。
(Preparation of Comparative Example 1)
An electrolytic cell according to Comparative Example 1 was produced by the same steps as those of Examples 1 to 7, except that no intermediate layer was formed.
(熱サイクル試験)
実施例1~7及び比較例1に係る電解セルにおいて、1回目の熱サイクル試験を実施した。具体的には、水素極にArガス及び水素ガス(Arガスに対して4%)を供給しながら、常温から750℃まで2時間で昇温させた後に750℃から常温まで4時間で降温させる工程を1サイクルとして10回繰り返した。
(Thermal cycle test)
A first thermal cycle test was carried out on the electrolytic cells according to Examples 1 to 7 and Comparative Example 1. Specifically, while supplying Ar gas and hydrogen gas (4% relative to Ar gas) to the hydrogen electrode, one cycle was repeated 10 times, in which the temperature was increased from room temperature to 750° C. in 2 hours and then decreased from 750° C. to room temperature in 4 hours.
その後、水素極の断面をFE-SEM(電界放出形走査電子顕微鏡)で観察してクラックの有無を確認した。 The cross section of the hydrogen electrode was then observed using a FE-SEM (field emission scanning electron microscope) to check for the presence or absence of cracks.
続いて、実施例1~7及び比較例1に係る電解セルにおいて、2回目の熱サイクル試験を実施した。具体的には、水素極にArガス及び水素ガス(Arガスに対して4%)を供給しながら、常温から850℃まで2時間で昇温させた後に850℃から常温まで4時間で降温させる工程を1サイクルとして10回繰り返した。 Next, a second thermal cycle test was conducted on the electrolytic cells according to Examples 1 to 7 and Comparative Example 1. Specifically, while supplying Ar gas and hydrogen gas (4% relative to Ar gas) to the hydrogen electrode, one cycle was repeated 10 times, in which the temperature was increased from room temperature to 850°C in 2 hours and then decreased from 850°C to room temperature in 4 hours.
その後、水素極の断面をFE-SEMで観察してクラックの有無を確認した。 Then, the cross section of the hydrogen electrode was observed using FE-SEM to check for the presence or absence of cracks.
表1では、1回目の熱サイクル試験でクラックが発生したものを「×」、2回目の熱サイクル試験で初めてクラックが発生したものを「〇」、2回目の熱サイクル試験でクラックが発生しなかったものを「◎」と評価した。In Table 1, samples that developed cracks in the first thermal cycle test were rated as "X", samples that developed cracks for the first time in the second thermal cycle test were rated as "O", and samples that did not develop cracks in the second thermal cycle test were rated as "◎".
(初期性能評価試験)
実施例1~7及び比較例1に係る電解セルにおいて、初期性能評価試験を実施した。具体的には、水素極に水蒸気及び水素ガスの混合ガス(混合比は50:50)を供給するとともに酸素極に空気を供給しながら0.5A/cm2の電流値を掃引した際の電解電圧を測定した。
(Initial performance evaluation test)
An initial performance evaluation test was carried out on the electrolytic cells according to Examples 1 to 7 and Comparative Example 1. Specifically, the electrolytic voltage was measured when a mixed gas of water vapor and hydrogen gas (mixing ratio 50:50) was supplied to the hydrogen electrode and air was supplied to the oxygen electrode while sweeping a current value of 0.5 A/ cm2 .
そして、比較例1の電解電圧に対する実施例1~7の電解電圧の増大率を算出した。表1では、電解電圧の増大率が1%未満であったものを「〇」と評価し、電解電圧の増大率が1%以上であったものを「△」と評価した。
表1に示すように、支持層と水素極の間に中間層を設けた実施例1~7では、水素極にクラックが発生することを抑制できた。このような結果が得られたのは、支持層の構成材料であるYSZと水素極の構成材料である希土類元素が添加されたセリア系酸化物との両方を中間層が含有していることによって、熱サイクルにおける水素極と支持層の膨張量差を中間層において緩衝させることができたためである。As shown in Table 1, in Examples 1 to 7 in which an intermediate layer was provided between the support layer and the hydrogen electrode, the occurrence of cracks in the hydrogen electrode was suppressed. This result was obtained because the intermediate layer contained both YSZ, which is the constituent material of the support layer, and ceria-based oxide with added rare earth elements, which is the constituent material of the hydrogen electrode, and thus the intermediate layer was able to buffer the difference in the amount of expansion between the hydrogen electrode and the support layer during the thermal cycle.
また、中間層の厚さを20μm以下とした実施例1~6では、実施例7に比べて初期性能が低くなることを抑制できた。このような結果が得られたのは、中間層内のイオン伝導パスが切れてしまうことを抑制できたためである。 In addition, in Examples 1 to 6, in which the thickness of the intermediate layer was set to 20 μm or less, it was possible to prevent the initial performance from decreasing compared to Example 7. This result was obtained because it was possible to prevent the ion conduction path in the intermediate layer from being broken.
さらに、中間層の厚さを3μm以上とした実施例2~7では、実施例1に比べて、水素極にクラックが発生することを更に抑制できた。 Furthermore, in Examples 2 to 7, in which the thickness of the intermediate layer was 3 μm or more, the occurrence of cracks in the hydrogen electrode was further suppressed compared to Example 1.
10 燃料電池セル
11 支持層
12 中間層
13 水素極
14 電解質
15 反応防止層
16 酸素極
10
Claims (1)
前記支持層上に配置される中間層と、
前記中間層上に配置される水素極と、
酸素極と、
前記水素極及び前記酸素極の間に配置される電解質と、
を備え、
前記支持層は、イットリア安定化ジルコニアと、ニッケルと含み、
前記水素極は、希土類元素が添加されたセリア系酸化物と、ニッケルとを含み、
前記中間層は、イットリア安定化ジルコニア及び希土類元素が添加されたセリア系酸化物の固溶体と、ニッケルとを含み、
前記中間層の厚みは、3μm以上20μm以下である、
電気化学セル。 A supporting layer having electronic conductivity;
an intermediate layer disposed on the support layer;
a hydrogen electrode disposed on the intermediate layer;
An oxygen electrode;
an electrolyte disposed between the hydrogen electrode and the oxygen electrode;
Equipped with
The support layer comprises yttria-stabilized zirconia and nickel;
The hydrogen electrode contains a ceria-based oxide to which a rare earth element is added and nickel,
the intermediate layer contains nickel and a solid solution of yttria-stabilized zirconia and a ceria-based oxide to which a rare earth element is added;
The thickness of the intermediate layer is 3 μm or more and 20 μm or less.
Electrochemical cell.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022062956 | 2022-04-05 | ||
| JP2022062956 | 2022-04-05 | ||
| PCT/JP2023/005684 WO2023195245A1 (en) | 2022-04-05 | 2023-02-17 | Electrochemical cell |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPWO2023195245A1 JPWO2023195245A1 (en) | 2023-10-12 |
| JPWO2023195245A5 JPWO2023195245A5 (en) | 2024-12-17 |
| JP7650404B2 true JP7650404B2 (en) | 2025-03-24 |
Family
ID=88242800
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2024514169A Active JP7650404B2 (en) | 2022-04-05 | 2023-02-17 | Electrochemical Cell |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7650404B2 (en) |
| WO (1) | WO2023195245A1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012520553A (en) | 2009-03-16 | 2012-09-06 | コリア・インスティテュート・オブ・サイエンス・アンド・テクノロジー | A fuel electrode-supported solid oxide fuel cell including a nanoporous layer having an inclined pore structure and a method for manufacturing the same |
| JP2017139078A (en) | 2016-02-02 | 2017-08-10 | 株式会社Soken | Solid oxide fuel battery cell |
| JP2021034374A (en) | 2019-08-19 | 2021-03-01 | 日本碍子株式会社 | Fuel battery cell and cell stack device |
-
2023
- 2023-02-17 JP JP2024514169A patent/JP7650404B2/en active Active
- 2023-02-17 WO PCT/JP2023/005684 patent/WO2023195245A1/en not_active Ceased
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012520553A (en) | 2009-03-16 | 2012-09-06 | コリア・インスティテュート・オブ・サイエンス・アンド・テクノロジー | A fuel electrode-supported solid oxide fuel cell including a nanoporous layer having an inclined pore structure and a method for manufacturing the same |
| JP2017139078A (en) | 2016-02-02 | 2017-08-10 | 株式会社Soken | Solid oxide fuel battery cell |
| JP2021034374A (en) | 2019-08-19 | 2021-03-01 | 日本碍子株式会社 | Fuel battery cell and cell stack device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2023195245A1 (en) | 2023-10-12 |
| JPWO2023195245A1 (en) | 2023-10-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ruiz-Morales et al. | Symmetric and reversible solid oxide fuel cells | |
| AU2011209829B2 (en) | Phase stable doped zirconia electrolyte compositions with low degradation | |
| EP3432401A1 (en) | Phase stable doped zirconia electrolyte compositions with low degradation | |
| US10062909B2 (en) | Composition for fuel cell electrode | |
| Chen et al. | Electrochemical properties of micro-tubular intermediate temperature solid oxide fuel cell with novel asymmetric structure based on BaZr0. 1Ce0. 7Y0. 1Yb0. 1O3− δ proton conducting electrolyte | |
| JP6573243B2 (en) | Air electrode composition, air electrode and fuel cell including the same | |
| JP4928642B1 (en) | Solid oxide fuel cell | |
| JPWO2006092912A1 (en) | Solid oxide fuel cell and method for producing solid oxide fuel cell | |
| Choi et al. | Fabrication and characterization of Ba (Zr0. 84Y0. 15Cu0. 01) O3− δ electrolyte-based protonic ceramic fuel cells | |
| JP7324168B2 (en) | electrode | |
| JP7650404B2 (en) | Electrochemical Cell | |
| US20260094846A1 (en) | Electrode and electrochemical cell | |
| US20260088309A1 (en) | Electrochemical cell | |
| DK2669984T3 (en) | Layered anode system for electrochemical applications and processes for their preparation | |
| JP2023101476A (en) | Optimized processing of electrodes for SOFC and SOEC | |
| JP7785162B2 (en) | electrochemical cell | |
| KR20120085488A (en) | Solid electrolyte for solid oxide fuel cell, and solid oxide fuel cell including the solid electrolyte | |
| JP6239719B2 (en) | Fuel cell | |
| JP7668957B2 (en) | Electrochemical Cell | |
| JP7799737B2 (en) | Solid oxide electrolysis cells and their uses | |
| EP4496045A2 (en) | Solid oxide fuel cell and solid oxide fuel cell stack | |
| JP7498645B2 (en) | electrode | |
| Price et al. | Evaluation and Upscaling of Impregnated La0. 20Sr0. 25Ca0. 45TiO3 Fuel Electrodes for Solid Oxide Electrolysis Cells Under H2O, CO2 and Co-Electrolysis Conditions | |
| WO2023203875A1 (en) | Electrochemical cell | |
| KR20250059016A (en) | Solid oxide fuel cell and method of the same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20240926 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20240926 |
|
| A871 | Explanation of circumstances concerning accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871 Effective date: 20240926 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20250114 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20250131 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20250225 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20250311 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7650404 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |