JP7770852B2 - Electrochemical cells and hydrocarbon production equipment - Google Patents
Electrochemical cells and hydrocarbon production equipmentInfo
- Publication number
- JP7770852B2 JP7770852B2 JP2021166227A JP2021166227A JP7770852B2 JP 7770852 B2 JP7770852 B2 JP 7770852B2 JP 2021166227 A JP2021166227 A JP 2021166227A JP 2021166227 A JP2021166227 A JP 2021166227A JP 7770852 B2 JP7770852 B2 JP 7770852B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas
- electrochemical cell
- cathode
- particles
- oxide
- 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
Landscapes
- Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
- Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Description
本発明は、炭化水素の製造に用いられる電気化学セルと、電気化学セルを用いた炭化水素製造装置に関する。 The present invention relates to an electrochemical cell used in the production of hydrocarbons and a hydrocarbon production apparatus using an electrochemical cell.
近年、二酸化炭素排出量の削減及びカーボンリサイクルの観点から、電気化学プロセスによって二酸化炭素と水蒸気とを共電解し、メタン等の炭化水素に変換するための技術を確立することが期待されている。このようなプロセスに用いられる電気化学セルとして、一般に、固体酸化物を材料とした固体酸化物形電解セル(Solid Oxide Electrolysis Cell;SOEC)が知られており、所望の反応を進行させ、反応効率を高めるために、電極材料となる複合酸化物や添加成分、電極構造等の検討が行われている。 In recent years, from the perspective of reducing carbon dioxide emissions and recycling carbon, there has been a growing desire to establish technology for co-electrolyzing carbon dioxide and water vapor through an electrochemical process to convert them into hydrocarbons such as methane. Solid oxide electrolysis cells (SOECs), which are generally made from solid oxides, are known as electrochemical cells used in such processes, and research is currently underway into composite oxides that serve as electrode materials, additive components, electrode structures, and other aspects to promote the desired reactions and increase reaction efficiency.
例えば、特許文献1には、燃料電池に用いられる電気化学セルにおいて、カソードとして機能する空気極活性層の反応活性を向上させるために、電極材料の平均粒径が異なる2つの領域を設けた電極構造が開示されている。具体的には、空気極活性層の外側に位置する第2領域よりも、反応活性に影響を与えやすい固体電解質層側の第1領域の平均粒径を小さくすることによって、空気極活性層の総表面積を増加させ、吸着・反応の場を増加させている。 For example, Patent Document 1 discloses an electrode structure in an electrochemical cell used in a fuel cell, which has two regions with different average particle sizes of electrode material in order to improve the reaction activity of the air electrode active layer that functions as the cathode. Specifically, by reducing the average particle size of the first region on the solid electrolyte layer side, which is more likely to affect reaction activity, compared to the second region located on the outer side of the air electrode active layer, the total surface area of the air electrode active layer is increased, thereby increasing the number of sites for adsorption and reaction.
特許文献1では、電極材料に、ペロブスカイト型の複合酸化物を用い、その一部を置換する元素の種類や割合を、領域ごとに調整することによって、電極全体としての反応活性を高めることが提案されている。また、例えば、電極材料に白金族金属等の金属成分を添加して、電極の触媒活性を向上する方法も提案されている。 Patent Document 1 proposes using a perovskite-type composite oxide as the electrode material and adjusting the type and ratio of elements that substitute for each region to increase the reaction activity of the electrode as a whole. It also proposes a method of improving the catalytic activity of the electrode by adding a metal component, such as a platinum group metal, to the electrode material.
このように、電気化学セルの性能には、電極材料の選定や電極構造の改良が重要となる。一方、電気化学セルを用いて、炭化水素を生成するためには、原料となる二酸化炭素及び水蒸気をそれぞれ電気分解し、さらに、電解により生成する一酸化炭素と水素との反応を進める必要がある。ところが、従来の電気化学セルを単純に適用しても、これらの反応を進行させることは難しく、炭化水素を発生させるのに適した、単一の電気化学セルは、未だ知られていない。 As such, the selection of electrode materials and improvements to the electrode structure are important for the performance of electrochemical cells. Meanwhile, to generate hydrocarbons using an electrochemical cell, the raw materials, carbon dioxide and water vapor, must be electrolyzed, and then the reaction between the carbon monoxide and hydrogen produced by electrolysis must proceed. However, simply applying a conventional electrochemical cell makes it difficult to drive these reactions, and a single electrochemical cell suitable for generating hydrocarbons is yet to be discovered.
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、二酸化炭素及び水蒸気を電気化学プロセスにより炭化水素に変換可能な電気化学セル、及び、電気化学セルを用いた炭化水素製造装置を提供することにある。 The present invention was made in consideration of these issues, and aims to provide an electrochemical cell that can convert carbon dioxide and water vapor into hydrocarbons through an electrochemical process, and a hydrocarbon production device that uses the electrochemical cell.
本発明の一態様は、
酸化物イオン伝導体(11)と、上記酸化物イオン伝導体の対向する2つの面(12、13)に設けられるカソード(2)及びアノード(3)と、を備える電気化学セル(1)において、
上記カソードは、
銀を主成分とする第1粒子(21)により構成され、二酸化炭素と水蒸気とを含む原料ガス(G)に接する導電性金属層(2A)と、
遷移金属元素を含む複合酸化物を主成分とする第2粒子(22)により構成され、上記酸化物イオン伝導体に接する複合酸化物層(2B)と、
上記導電性金属層と上記複合酸化物層との間に設けられ、上記第1粒子及び上記第2粒子により構成される中間層(2C)と、が積層された構造を有しており、
上記酸化物イオン伝導体は、無配向性又は配向性のアパタイト型化合物から選択される少なくとも一種にて構成されており、上記アパタイト型化合物は、リン酸塩系アパタイト型化合物、又は、アパタイト型複合酸化物である、電気化学セルにある。
本発明の他の態様は、
酸化物イオン伝導体(11)と、上記酸化物イオン伝導体の対向する2つの面(12、13)に設けられるカソード(2)及びアノード(3)と、を備える電気化学セル(1)において、
上記カソードは、
銀を主成分とする第1粒子(21)により構成され、二酸化炭素と水蒸気とを含む原料ガス(G)に接する導電性金属層(2A)と、
遷移金属元素を含む複合酸化物を主成分とする第2粒子(22)により構成され、上記酸化物イオン伝導体に接する複合酸化物層(2B)と、
上記導電性金属層と上記複合酸化物層との間に設けられ、上記第1粒子及び上記第2粒子により構成される中間層(2C)と、が積層された構造を有しており、上記遷移金属元素を含む複合酸化物は、ランタン系複合酸化物又はセリア系複合酸化物である、電気化学セルにある。
One aspect of the present invention is
An electrochemical cell (1) comprising an oxide ion conductor (11) and a cathode (2) and an anode (3) provided on two opposing surfaces (12, 13) of the oxide ion conductor,
The cathode is
a conductive metal layer (2A) made of first particles (21) mainly composed of silver and in contact with a raw material gas (G) containing carbon dioxide and water vapor;
a complex oxide layer (2B) formed of second particles (22) mainly composed of a complex oxide containing a transition metal element and in contact with the oxide ion conductor;
an intermediate layer (2C) provided between the conductive metal layer and the complex oxide layer and constituted by the first particles and the second particles ,
The electrochemical cell is configured such that the oxide ion conductor is composed of at least one kind selected from non-oriented or oriented apatite-type compounds, and the apatite-type compound is a phosphate-based apatite-type compound or an apatite-type composite oxide .
Another aspect of the present invention is
An electrochemical cell (1) comprising an oxide ion conductor (11) and a cathode (2) and an anode (3) provided on two opposing surfaces (12, 13) of the oxide ion conductor,
The cathode is
a conductive metal layer (2A) made of first particles (21) mainly composed of silver and in contact with a raw material gas (G) containing carbon dioxide and water vapor;
a complex oxide layer (2B) formed of second particles (22) mainly composed of a complex oxide containing a transition metal element and in contact with the oxide ion conductor;
The electrochemical cell has a laminated structure in which the conductive metal layer and the composite oxide layer are provided with an intermediate layer (2C) composed of the first particles and the second particles, and the composite oxide containing a transition metal element is a lanthanum-based composite oxide or a ceria-based composite oxide.
本発明の他の態様は、上記一態様に記載の電気化学セルを用いた炭化水素製造装置(100)であって、
筒状のガス流通部(101)の一端側を閉鎖するように上記電気化学セルが配置される炭化水素製造部(10)を備えており、
上記ガス流通部は、上記電気化学セルの上記カソードと対向して設けられるガス導入部(102)及びガス導出部(103)を有し、
上記ガス導入部は、上記カソードに対して垂直な方向をガス導入方向として、上記原料ガスを、上記カソードへ供給し、
上記ガス導出部は、上記ガス導入部の外周側に配置され、上記ガス導入方向と反対の方向を、ガス導出方向として、上記カソードにおける反応生成物を、上記ガス流通部の外部へ導出する、炭化水素製造装置にある。
Another aspect of the present invention is a hydrocarbon production apparatus (100) using the electrochemical cell according to the above aspect,
a hydrocarbon production section (10) in which the electrochemical cell is arranged so as to close one end side of a cylindrical gas flow section (101);
the gas flow section has a gas inlet section (102) and a gas outlet section (103) provided opposite the cathode of the electrochemical cell,
the gas inlet section supplies the source gas to the cathode in a gas introduction direction perpendicular to the cathode;
The gas discharge section is disposed on the outer periphery of the gas inlet section, and discharges the reaction product at the cathode to the outside of the gas flow section in a direction opposite to the gas inlet direction, in the hydrocarbon production apparatus.
上記電気化学セルの三層構造のカソードに、二酸化炭素と水蒸気とを含む原料ガスが導入されると、まず、銀を主成分とする第1粒子を含む導電性金属層において、水蒸気の電解による水素が生成し、中間層へ拡散する。中間層は、第1粒子と、遷移金属元素を含む複合酸化物を主成分とする第2粒子とを含み、水蒸気の電解がさらに進むと共に、二酸化炭素の電解による一酸化炭素が生成する。中間層では、導電性金属層から拡散する水素により、水素リッチな雰囲気となっていると考えられ、そのために、生成した一酸化炭素が速やかに水素と反応して炭化水素の前駆体を生成し、さらに、第2粒子の触媒作用により、前駆体が電解還元して、炭化水素に変換されるものと考えられる。このとき、中間層又は複合酸化物層のみでは、炭化水素の生成が確認されていないことから、これら両層を含むことにより、前駆体の生成と、その電解還元が段階的に進行し、炭化水素の生成が可能になると推測される。 When a feed gas containing carbon dioxide and water vapor is introduced into the three-layer cathode of the electrochemical cell, hydrogen is first generated by electrolysis of water vapor in the conductive metal layer containing first particles primarily composed of silver, and then diffuses into the intermediate layer. The intermediate layer contains the first particles and second particles primarily composed of a composite oxide containing a transition metal element. As the electrolysis of water vapor progresses, carbon monoxide is generated by electrolysis of carbon dioxide. It is believed that the hydrogen diffusing from the conductive metal layer creates a hydrogen-rich atmosphere in the intermediate layer. Therefore, the generated carbon monoxide quickly reacts with the hydrogen to generate hydrocarbon precursors. The catalytic action of the second particles further electrolytically reduces the precursors, converting them to hydrocarbons. Because hydrocarbon generation has not been observed in the intermediate layer or composite oxide layer alone, it is believed that including both layers allows precursor generation and its electrolytic reduction to proceed in a stepwise manner, enabling hydrocarbon generation.
このような電気化学セルを用いた炭化水素製造装置は、ガス導入部の外周にガス導出部を有するガス流通部を設けて、その一端側に電気化学セルを配置すると、小型で効率のよい炭化水素製造部を構成することができる。この構成のガス流通部では、ガス導入部が電気化学セルのカソードに対向し、垂直な方向から原料ガスが導入される一方、ガス導出部は、ガス流れが反対の方向となるので、段階的に反応が進行しながら、複合酸化物層に達した前駆体を含むガスが、そのまま流れ出ずに滞留しやすい。また、中間層では、吸熱反応である電解が進行して温度低下しており、隣接する複合酸化物層におけるメタン生成の進行に適した状態となる。そのために、前駆体の電解還元が進行しやすくなり、メタン転化率を高めることができる。 A hydrocarbon production device using such an electrochemical cell can be configured as a compact, efficient hydrocarbon production unit by providing a gas distribution section with a gas outlet section around the periphery of the gas inlet section and placing the electrochemical cell on one end of the gas distribution section. In this gas distribution section, the gas inlet section faces the cathode of the electrochemical cell, and the feed gas is introduced perpendicularly, while the gas flow is in the opposite direction in the gas outlet section. This allows the reaction to proceed stepwise, and precursor-containing gas that reaches the complex oxide layer tends to remain there instead of flowing out. Furthermore, in the intermediate layer, electrolysis, an endothermic reaction, progresses, lowering the temperature, creating conditions favorable for methane production in the adjacent complex oxide layer. This facilitates the electrolytic reduction of the precursor, increasing the methane conversion rate.
以上のごとく、上記態様によれば、二酸化炭素及び水蒸気を電気化学プロセスにより炭化水素に変換可能な電気化学セル、及び、電気化学セルを用いた炭化水素製造装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
As described above, according to the above-described aspects, it is possible to provide an electrochemical cell capable of converting carbon dioxide and water vapor into hydrocarbons by an electrochemical process, and a hydrocarbon production apparatus using the electrochemical cell.
In addition, the symbols in parentheses in the claims and the means for solving the problems indicate the correspondence with the specific means described in the embodiments described below, and do not limit the technical scope of the present invention.
(実施形態1)
電気化学セル及び炭化水素製造装置に係る実施形態について、図1~図9を参照して説明する。図1に示されるように、電気化学セル1は、酸化物イオン伝導体11と、酸化物イオン伝導体11の対向する2つの面12、13に設けられるカソード2及びアノード3と、を備える。カソード2とアノード3は、平板状の酸化物イオン伝導体11を挟んで対向し、カソード2の表面20へ向けて、二酸化炭素(CO2)と水蒸気(H2O)とを含む原料ガスGが供給される。
(Embodiment 1)
1 to 9, embodiments of an electrochemical cell and a hydrocarbon production apparatus will be described. As shown in Fig. 1, the electrochemical cell 1 includes an oxide ion conductor 11, and a cathode 2 and an anode 3 provided on two opposing surfaces 12, 13 of the oxide ion conductor 11. The cathode 2 and the anode 3 face each other with the flat-plate-shaped oxide ion conductor 11 in between, and a feed gas G containing carbon dioxide ( CO2 ) and water vapor ( H2O ) is supplied toward the surface 20 of the cathode 2.
図2、図3に示されるように、カソード2は、銀(Ag)を主成分とする第1粒子21により構成される導電性金属層2Aと、遷移金属元素を含む複合酸化物を主成分とする第2粒子22により構成される複合酸化物層2Bと、第1粒子21及び第2粒子22により構成される中間層2Cとが、この順に積層された構造を有する。 As shown in Figures 2 and 3, the cathode 2 has a structure in which a conductive metal layer 2A composed of first particles 21 primarily composed of silver (Ag), a complex oxide layer 2B composed of second particles 22 primarily composed of a complex oxide containing a transition metal element, and an intermediate layer 2C composed of the first particles 21 and the second particles 22 are layered in this order.
このとき、導電性金属層2Aは、原料ガスGが導入される空間4に接して設けられ、カソード2の最外層を構成する。表面20は、酸化物イオン伝導体11と平行な仮想面として示している。複合酸化物層2Bは、酸化物イオン伝導体11の原料ガスG側の面12に接して設けられ、カソード2の最内層を構成する。中間層2Cは、導電性金属層2Aと複合酸化物層2Bとの間に位置して、これら両層と一体的に設けられる。これら導電性金属層2A、複合酸化物層2B及び中間層2Cにおいて、粒子間に形成される空隙は、互いに連通して、原料ガスG及び反応生成物を含む生成ガスが拡散可能な拡散路23を形成している。 In this case, the conductive metal layer 2A is provided in contact with the space 4 into which the source gas G is introduced, and constitutes the outermost layer of the cathode 2. The surface 20 is shown as an imaginary plane parallel to the oxide ion conductor 11. The complex oxide layer 2B is provided in contact with the surface 12 of the oxide ion conductor 11 facing the source gas G, and constitutes the innermost layer of the cathode 2. The intermediate layer 2C is located between the conductive metal layer 2A and the complex oxide layer 2B and is provided integrally with both layers. The voids formed between the particles in the conductive metal layer 2A, the complex oxide layer 2B, and the intermediate layer 2C communicate with each other, forming diffusion paths 23 through which the source gas G and the generated gas containing reaction products can diffuse.
このように、カソード2が三層構造を有し、導電性金属層2Aと複合酸化物層2Bとの間に、第1粒子と第2粒子の両方を含む中間層2Cが形成されることにより、各層において、原料ガスGに含まれるCO2及びH2Oの共電解と、電解生成物の反応が段階的に進行し、炭化水素の生成が可能になるものと考えられる。導電性金属層2Aと複合酸化物層2Bのみで、中間層2Cを有しない場合、又は、導電性金属層2Aと中間層2Cのみで、複合酸化物層2Bに相当する構成を有しない場合には、炭化水素の生成は見られない。
次に、カソード2の詳細構造と、電気化学セル1の全体構成について説明する。
In this way, the cathode 2 has a three-layer structure, and the intermediate layer 2C containing both the first and second particles is formed between the conductive metal layer 2A and the complex oxide layer 2B. This is thought to enable stepwise co-electrolysis of CO2 and H2O contained in the source gas G and reaction of the electrolysis products in each layer, making it possible to produce hydrocarbons. When only the conductive metal layer 2A and the complex oxide layer 2B are present and the intermediate layer 2C is not present, or when only the conductive metal layer 2A and the intermediate layer 2C are present and a structure corresponding to the complex oxide layer 2B is not present, hydrocarbon production is not observed.
Next, the detailed structure of the cathode 2 and the overall configuration of the electrochemical cell 1 will be described.
カソード2の導電性金属層2Aは、第1粒子21のみが集合して構成される多孔質の導電性金属層であり、主に、原料ガスGに含まれる水蒸気を電気分解する作用を有する。このとき、図3中に[I]として示すように、水蒸気の電解により水素(H2)ガスが生成する反応が進行すると考えられる。導電性金属層2Aにて生成する水素は、未反応の水蒸気を含む原料ガスGと共に、中間層2Cへ拡散する。 The conductive metal layer 2A of the cathode 2 is a porous conductive metal layer formed by an aggregation of only the first particles 21, and has the function of mainly electrolyzing water vapor contained in the source gas G. At this time, as shown by [I] in Fig. 3, it is believed that a reaction proceeds in which hydrogen ( H2 ) gas is produced by electrolysis of water vapor. The hydrogen produced in the conductive metal layer 2A diffuses into the intermediate layer 2C together with the source gas G containing unreacted water vapor.
第1粒子21は、銀を主成分金属として含む導電性金属粒子であり、導電性金属層2A及び中間層2Cにおける電極反応を妨げない範囲で、他の触媒金属を含んでいてもよい。好適には、第1粒子21は、銀のみを金属成分として含む導電性金属粒子とすることができる。 The first particles 21 are conductive metal particles containing silver as the main metal component, and may contain other catalytic metals to the extent that they do not interfere with the electrode reaction in the conductive metal layer 2A and intermediate layer 2C. Preferably, the first particles 21 can be conductive metal particles containing only silver as the metal component.
中間層2Cは、導電性金属層2Aと複合酸化物層2Bとの間に形成される多孔質の混合材料層であり、複合酸化物層2Bは、第2粒子22のみが集合して構成される多孔質の複合酸化物層である。中間層2Cは、導電性金属層2Aと同様に、銀を主成分とする第1粒子21を含むと共に、複合酸化物層2Bと同様に、遷移金属元素を含む複合酸化物を主成分とする第2粒子22を含んで構成される。 The intermediate layer 2C is a porous mixed material layer formed between the conductive metal layer 2A and the complex oxide layer 2B, and the complex oxide layer 2B is a porous complex oxide layer composed only of an aggregate of second particles 22. Like the conductive metal layer 2A, the intermediate layer 2C contains first particles 21 whose main component is silver, and like the complex oxide layer 2B, it contains second particles 22 whose main component is a complex oxide containing a transition metal element.
図3中に[II]として示すように、中間層2Cでは、原料ガスGの電解反応と、電解生成物の反応によるメタン前駆体を生成する反応が進行する。すなわち、導電性金属層2Aと同様に、未反応の水蒸気が電気分解してH2が生成すると共に、原料ガスGに含まれるCO2ガスが電気分解して、一酸化炭素(CO)ガスが生成する。さらに、生成したCOと、導電性金属層2Aから供給されるH2、又は、中間層2Cにて生成するH2とから、メタン前駆体が生成する。 3, in the intermediate layer 2C, an electrolytic reaction of the source gas G and a reaction of the electrolysis product to generate a methane precursor proceed. That is, as in the conductive metal layer 2A, unreacted water vapor is electrolyzed to generate H , and CO gas contained in the source gas G is electrolyzed to generate carbon monoxide (CO) gas. Furthermore, a methane precursor is generated from the generated CO and H supplied from the conductive metal layer 2A or H generated in the intermediate layer 2C .
このとき、導電性金属層にて予め生成したH2が中間層2Cへ拡散して、中間層2Cが、水素リッチな状態となるために、生成したCOに対して、十分な量のH2が周囲に存在する。これにより、COが生成すると、速やかに周囲のH2との反応が進行し、以下のように、CO分子と複数のH2分子とからメタン前駆体の生成が可能になると考えられる。
CO+2H2 → CO(H2)2
CO(H2)2:メタン前駆体
At this time, H2 previously generated in the conductive metal layer diffuses into the intermediate layer 2C, making the intermediate layer 2C in a hydrogen-rich state, and therefore a sufficient amount of H2 exists around the generated CO. As a result, when CO is generated, it quickly reacts with the surrounding H2 , and it is thought that a methane precursor can be generated from a CO molecule and multiple H2 molecules as follows.
CO+2H 2 → CO(H 2 ) 2
CO( H2 ) 2 : methane precursor
図3中に[III]として示すように、複合酸化物層2Bでは、メタン前駆体からメタン(CH4)ガスを生成する反応が進行する。すなわち、中間層2Cにおいて生成したメタン前駆体を含む生成ガスが、複合酸化物層2Bへ拡散すると、第2粒子22の触媒作用により、以下のように、メタン前駆体が電解還元されて、CH4に変換されるものと考えられる。
CO(H2)2 +2e-→ CH4+O2-
メタン前駆体の電解還元により発生する酸化物イオン(O2-)は、複合酸化物層2Bに接する酸化物イオン伝導体11を透過して、アノード3側へ放出される。
As shown by [III] in Fig. 3, a reaction of generating methane ( CH4 ) gas from a methane precursor proceeds in the complex oxide layer 2B. That is, when the product gas containing the methane precursor generated in the intermediate layer 2C diffuses into the complex oxide layer 2B, the methane precursor is electrolytically reduced by the catalytic action of the second particles 22 and converted to CH4 as follows:
CO(H 2 ) 2 +2e - → CH 4 +O 2-
Oxide ions (O 2− ) generated by electrolytic reduction of the methane precursor permeate through the oxide ion conductor 11 in contact with the complex oxide layer 2B and are released to the anode 3 side.
第2粒子22は、遷移金属から選ばれた少なくとも一種の元素を含む複合酸化物の粒子であり、電気伝導性を有して中間層2Cにおいて電解電極として機能すると共に、複合酸化物層2Bにおいてメタン前駆体の還元触媒として機能する。好適には、電子と酸化物イオンの混合伝導性を有する複合酸化物であることが望ましい。このような機能を有する複合酸化物として、遷移金属元素を含むペロブスカイト型複合酸化物、遷移金属元素を含むセリア系複合酸化物等が用いられる。 The second particles 22 are particles of a complex oxide containing at least one element selected from transition metals. They are electrically conductive and function as an electrolytic electrode in the intermediate layer 2C, and as a reduction catalyst for methane precursors in the complex oxide layer 2B. A complex oxide with mixed conductivity of electrons and oxide ions is preferred. Examples of complex oxides with such functionality include perovskite-type complex oxides containing transition metal elements and ceria-based complex oxides containing transition metal elements.
遷移金属元素を含むペロブスカイト型複合酸化物とは、一般式がABO3で表されるペロブスカイト構造を基本組成とし、少なくとも一種の遷移金属元素を含む複合酸化物である。ペロブスカイト構造を含む類似構造、例えば、[(A1)BO3+(A2)O]等で表される複合酸化物であってもよい。その場合には、A1又はA2元素として、ランタノイド元素等の希土類元素及びアルカリ土類金属元素から選ばれる少なくとも一種を含み、B元素として、遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種を含むことができる。好適には、A1又はA2元素、B元素として、例えば、以下に示す一種又は二種以上が選ばれる。
A1又はA2;La、Sm、Sr、Ca、Ba
B:V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ru、Rh、Pd
A perovskite-type composite oxide containing a transition metal element is a composite oxide having a perovskite structure represented by the general formula ABO3 as its basic composition and containing at least one transition metal element. It may also be a composite oxide having a similar structure containing the perovskite structure, such as a composite oxide represented by [(A1) BO3 + (A2)O]. In this case, the A1 or A2 element may contain at least one element selected from rare earth elements such as lanthanoid elements and alkaline earth metal elements, and the B element may contain at least one element selected from transition metal elements. Preferably, the A1 or A2 element and the B element are selected from, for example, one or more of the following:
A1 or A2: La, Sm, Sr, Ca, Ba
B: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Rh, Pd
好適には、ペロブスカイト型又は類似構造の複合酸化物として、ランタン(La)を含むランタン系複合酸化物を用いることができる。このようなランタン系複合酸化物の例としては、電子伝導性及びイオン伝導性等の観点から、好適には、(La,Sr)CoO3、(La,Sr)(Co,Fe)O3、LaSr(Co,Fe)O4等が用いられる。このような複合酸化物の具体例としては、LaSrCo0.8Fe0.2O4等が挙げられる。但し、これに限定されるものではない。 Preferably, a lanthanum-based composite oxide containing lanthanum (La) can be used as a composite oxide of perovskite type or a similar structure. From the viewpoint of electronic conductivity and ionic conductivity, examples of such lanthanum-based composite oxides include (La,Sr) CoO3 , (La,Sr)(Co,Fe) O3 , and LaSr(Co,Fe ) O4 . Specific examples of such composite oxides include LaSrCo0.8Fe0.2O4 , but are not limited thereto.
遷移金属元素を含むセリア系複合酸化物は、具体的には、組成式がCe1-x(M1)xO2(但し、0<x<1)で表される複合酸化物とすることができる。式中のM1元素は、遷移金属元素であり、例えば、以下に示す一種又は二種以上の元素が選ばれる。好適には、Xは、0.1以上0.4以下の範囲から選ばれる値である。
M1:V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ru、Rh、Pd
このようなセリア系複合酸化物の例としては、電子伝導性及びイオン伝導性等の観点から、例えば、Ce1-x(Co,Fe)xO3等が用いられ、具体的には、Ce0.75Co0.2Fe0.05O2等が挙げられる。但し、これに限定されるものではない。
Specifically, the ceria-based composite oxide containing a transition metal element can be a composite oxide having a composition formula represented by Ce1 -x (M1) xO2 (where 0<x<1). The M1 element in the formula is a transition metal element, and may be, for example, one or more of the following elements: Preferably, X is a value selected from the range of 0.1 to 0.4.
M1: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Rh, Pd
Examples of such ceria-based composite oxides include Ce1 -x (Co,Fe) xO3 and the like, from the viewpoint of electronic conductivity and ionic conductivity , and specifically include Ce0.75Co0.2Fe0.05O2 , but are not limited thereto.
遷移金属元素を含むセリア系複合酸化物は、イオン伝導性の良好な酸化セリウム(CeO2)に対し、Ceの一部を遷移金属で置換することにより、電子構造的に金属的として電気伝導性を付与している。このとき、例えば、M1元素として、Coを選択すると、より多くのCeを置換可能であり、電気伝導性を高めるために有利である。また、電気伝導性と共に、触媒機能を付与するには、メタン前駆体を吸着して、電子を供給し、還元させる必要があり、そのために、前駆体分子吸着能と、電子供給に有利な電子構造を有することが好ましい。上述したM1元素を選択した場合には、このような反応の場が、電極内に有利に形成されると考えられ、好適には、複数の遷移金属元素を含むことが望ましい。 Ceria-based composite oxides containing transition metal elements have a metallic electronic structure and electrical conductivity due to the substitution of some of the Ce atoms in cerium oxide (CeO 2 ), which has good ionic conductivity, with a transition metal. In this case, for example, selecting Co as the M1 element allows for the substitution of more Ce atoms, which is advantageous for increasing electrical conductivity. Furthermore, to impart catalytic functionality along with electrical conductivity, it is necessary to adsorb methane precursors, supply electrons, and reduce them. Therefore, it is preferable for the oxide to have the ability to adsorb precursor molecules and an electronic structure that is advantageous for electron supply. When the above-mentioned M1 element is selected, it is believed that such a reaction site is advantageously formed within the electrode, and it is therefore desirable for the oxide to contain multiple transition metal elements.
好適には、中間層2Cにおいて、第1粒子21は、導電性金属層2Aの第1粒子21に連なるように形成されると共に、第2粒子22の表面に延出して、一体化した構成となっていることが好ましい。その場合には、第1粒子21の平均粒子径は、第2粒子22の平均粒子径よりも小さいことが望ましく、中間層2Cは、表面に第1粒子21が付着した第2粒子22の集合体として構成される。例えば、第1粒子21の材料の一次粒径は、0.1μm以下、第2粒子22の材料の一次粒径は、1μm以下とすることができる。第2粒子22の表面の複数の第1粒子21は、互いに電気的に接続されて、帯状の連なりを形成し、その一端側は、導電性金属層2Aの第1粒子21に電気的に接続される。第1粒子21が付着した第2粒子22は、隣接する粒子同士が互いに電気的に接続されると共に、複合酸化物層2Bの第2粒子22に連なるように形成されて、一体化していることが好ましい。 Preferably, in the intermediate layer 2C, the first particles 21 are formed so as to be connected to the first particles 21 of the conductive metal layer 2A and extend onto the surfaces of the second particles 22, forming an integrated configuration. In this case, the average particle diameter of the first particles 21 is preferably smaller than the average particle diameter of the second particles 22, and the intermediate layer 2C is formed as an aggregate of second particles 22 with the first particles 21 attached to their surfaces. For example, the primary particle diameter of the material of the first particles 21 may be 0.1 μm or less, and the primary particle diameter of the material of the second particles 22 may be 1 μm or less. The multiple first particles 21 on the surface of the second particles 22 are electrically connected to each other to form a band-like string, one end of which is electrically connected to the first particles 21 of the conductive metal layer 2A. Preferably, the second particles 22 with the first particles 21 attached are formed so that adjacent particles are electrically connected to each other and are connected to the second particles 22 of the complex oxide layer 2B, forming an integrated configuration.
これにより、カソード2において、第1粒子21同士又は第2粒子22同士が、それぞれ接続されて、三次元網目状の伝導パスが形成されやすくなり、電子伝導性又はイオン伝導性が向上する。また、中間層2Cにおいて、第1粒子21と第2粒子22とが接触している領域が広がって、電極反応が進行しやすくなり、第1粒子21がより小さくなることで、第2粒子22の粒子間の空隙が確保されて、拡散路23のガス拡散性が良好になる。 As a result, in the cathode 2, the first particles 21 or the second particles 22 are connected to each other, making it easier to form three-dimensional mesh-like conduction paths, improving electronic conductivity or ionic conductivity. Furthermore, in the intermediate layer 2C, the area where the first particles 21 and the second particles 22 are in contact expands, making it easier for the electrode reaction to proceed, and as the first particles 21 become smaller, gaps between the second particles 22 are secured, improving the gas diffusion properties of the diffusion path 23.
このように、カソード2において、導電性金属層2Aと複合酸化物層2Bとの間に、中間層2Cを適切に配置することによって、単一の電気化学セル1による炭化水素の生成が可能になる。好適には、中間層2Cの層厚t1と、中間層2Cの層厚t1及び複合酸化物層2Bの層厚t2の合計の層厚t(すなわち、t=t1+t2)との比率t1/tが、1%以上となるように構成されるのがよく、原料ガスGの共電解によるCH4の発生が可能になる。より好適には、比率t1/tを、5%以上とすることにより、実用上十分なメタン転化率が得られる。なお、メタン転化率は、以下の式により求められる。
メタン転化率=(生成ガス中メタン濃度)/[(原料ガス中CO2濃度)-(生成ガス中CO2濃度)]
In this way, by appropriately disposing the intermediate layer 2C between the conductive metal layer 2A and the complex oxide layer 2B in the cathode 2, hydrocarbon production using a single electrochemical cell 1 becomes possible. Preferably, the ratio t1/t of the thickness t1 of the intermediate layer 2C to the total thickness t of the thickness t1 of the intermediate layer 2C and the thickness t2 of the complex oxide layer 2B (i.e., t = t1 + t2) is configured to be 1% or more, which enables the generation of CH4 by co-electrolysis of the feed gas G. More preferably, by setting the ratio t1/t to be 5% or more, a methane conversion rate sufficient for practical use can be obtained. The methane conversion rate can be calculated using the following formula:
Methane conversion rate = (methane concentration in produced gas) / [( CO2 concentration in feed gas) - ( CO2 concentration in produced gas)]
一方、比率t1/tが5%を超えて50%程度まで大きくなっても、メタン転化率の向上効果は限定的であり、95%程度まで大きくすると、メタン転化率はむしろ低下する傾向が見られる。また、比率t1/tが大きくなると、第1粒子21の使用量が増加するので、好適には、比率t1/tが95%以下の範囲で、より好適には、50%以下の範囲で、所望のメタン転化率が得られるように、適宜選択することが好ましい。 On the other hand, even if the ratio t1/t exceeds 5% and increases to around 50%, the effect of improving the methane conversion rate is limited, and if it is increased to around 95%, the methane conversion rate tends to decrease. Furthermore, as the ratio t1/t increases, the amount of first particles 21 used increases, so it is preferable to appropriately select the ratio t1/t so that the desired methane conversion rate is obtained, preferably within a range of 95% or less, and more preferably within a range of 50% or less.
カソード2の厚さは、特に制限されるものではないが、一般に、電極として作用するための厚さとして、例えば、20μm~30μm程度ないしそれ以上であることが好ましい。好適には、中間層2Cと複合酸化物層2Bの合計の層厚tを、20μm以上30μm以下の範囲で設定し、導電性金属層2Aの層厚を、電子伝導度の観点から、適宜選定することが好ましい。好適には、導電性金属層2Aの層厚は、電子伝導度が十分に得られる10μm程度ないしそれ以上に設定することができる。 The thickness of the cathode 2 is not particularly limited, but is generally preferably about 20 μm to 30 μm or more in order to function as an electrode. Preferably, the total thickness t of the intermediate layer 2C and composite oxide layer 2B is set in the range of 20 μm to 30 μm, and the thickness of the conductive metal layer 2A is selected appropriately from the perspective of electronic conductivity. Preferably, the thickness of the conductive metal layer 2A can be set to about 10 μm or more, which ensures sufficient electronic conductivity.
中間層2Cの層厚t1は、導電性金属層2Aを形成するための印刷用ペーストの粘度等を調整し、複合酸化物層2Bの表面に塗布する際の浸透深さを調整することにより、所望の厚さに制御することができる。なお、カソード2の各層の厚さは、例えば、電子顕微鏡を用いた試料断面の画像観察により、測定することができる。その場合には、表面に第1粒子21が付着した第2粒子22が存在する領域を中間層2Cとし、その両側を導電性金属層2A又は複合酸化物層2Bとして、それぞれ複数箇所の厚さを測定した算術平均を、各層の厚さとすることができる。 The thickness t1 of the intermediate layer 2C can be controlled to the desired thickness by adjusting the viscosity of the printing paste used to form the conductive metal layer 2A and the penetration depth when applied to the surface of the complex oxide layer 2B. The thickness of each layer of the cathode 2 can be measured, for example, by observing an image of the cross section of a sample using an electron microscope. In this case, the region where the second particles 22 with the first particles 21 attached to the surface are present is defined as the intermediate layer 2C, and both sides of it are defined as the conductive metal layer 2A or complex oxide layer 2B, and the arithmetic average of the thicknesses measured at multiple locations on each can be used as the thickness of each layer.
酸化物イオン伝導体11は、カソード2とアノード3との間に配置される緻密な固体電解質の層であり、カソード2側で発生する酸化物イオン(O2-)をアノード3側へ透過させる。アノード3へ透過したO2-は、電子(e-)を放出して、酸素(O2)ガスが発生する。酸化物イオン伝導体11の材料は、必ずしも限定されないが、好適には、耐電圧性、酸化物イオン伝導性等の観点から、安定化ジルコニア、無配向性又は配向性のアパタイト型化合物を用いることができる。 The oxide ion conductor 11 is a dense solid electrolyte layer disposed between the cathode 2 and the anode 3, and allows oxide ions (O 2− ) generated on the cathode 2 side to pass through to the anode 3 side. The O 2− that has passed through to the anode 3 releases electrons (e − ), generating oxygen (O 2 ) gas. The material of the oxide ion conductor 11 is not necessarily limited, but from the viewpoints of voltage resistance, oxide ion conductivity, etc., stabilized zirconia and non-oriented or oriented apatite-type compounds can be preferably used.
安定化ジルコニアは、蛍石型の結晶構造を有する酸化ジルコニウム(ZrO2)に、安定化剤となる希土類元素等の酸化物を固溶させて安定化したジルコニア系酸化物である。安定化剤としては、例えば、イットリア(Y2O3)、スカンジア(Sc2O3)等が挙げられ、好適には、イオン伝導度、機械的及び化学的安定性等の観点から、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)を主に用いることができる。 Stabilized zirconia is a zirconia-based oxide obtained by dissolving a stabilizer, such as an oxide of a rare earth element, in zirconium oxide ( ZrO2 ) having a fluorite-type crystal structure. Examples of stabilizers include yttria ( Y2O3 ) and scandia ( Sc2O3 ). Preferably, yttria-stabilized zirconia (YSZ) is used primarily from the viewpoints of ionic conductivity, mechanical and chemical stability, etc.
アパタイト型化合物は、六方晶系のアパタイト型の結晶構造を有する化合物であり、配向軸を有していない無配向性、又は、一軸配向及び二軸配向を包含する配向性のアパタイト型化合物とすることができる。配向性のアパタイト型化合物である場合には、c軸配向性を有していることが好ましい。アパタイト型化合物は、一般に、安定化ジルコニアよりも酸化物イオン伝導性が高い特性を有することから、電極反応が進みやすくなり、より多くの生成ガスが得られる。また、配向性を有するものは、無配向性のものよりも酸化物イオン伝導性が高く、メタン転化率の向上に寄与する。 Apatite-type compounds are compounds with a hexagonal apatite-type crystal structure, and can be non-oriented (i.e., no orientation axis) or oriented (including uniaxial and biaxial orientations). In the case of oriented apatite-type compounds, they preferably have a c-axis orientation. Apatite-type compounds generally have higher oxide ion conductivity than stabilized zirconia, which facilitates electrode reactions and allows for the production of larger amounts of generated gas. Furthermore, oriented compounds have higher oxide ion conductivity than non-oriented compounds, contributing to improved methane conversion.
アパタイト型化合物としては、例えば、組成式が(M2)10(PO4)6(X)2で表されるリン酸塩系アパタイトを基本組成とする化合物が挙げられる。M2サイトは、例えば、以下に示す一価又は二価の金属イオン等から選ばれる一種又は二種以上を含み、Xサイトは、例えば、以下に示す陰イオン又はH2O等から選ばれる一種又は二種以上を含むことができる。
M2:Li+、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Zn2+、Ba2+、Mn2+、Fe2+、Cu2+
X:OH-、F-、Cl-、CO3
2-、H2O
好適には、酸化物イオン伝導性を向上させる観点から、M2サイトが、Na+、Ca2+を含み、Xサイトが、OH-、CO3
2-を含むリン酸塩系アパタイトが用いられる。このようなアパタイト型化合物としては、例えば、Ca10-xNa2x/3(PO4)5(CO3)x(H2O)x(OH)2-x/3等が挙げられる。但し、これらに限定されるものではない。
Examples of apatite-type compounds include compounds based on phosphate apatite, whose basic composition is represented by the formula (M2) 10 (PO 4 ) 6 (X) 2. The M2 site may contain, for example, one or more ions selected from the monovalent or divalent metal ions shown below, and the X site may contain, for example, one or more ions selected from the anions shown below or H 2 O.
M2: Li + , Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ , Zn 2+ , Ba 2+ , Mn 2+ , Fe 2+ , Cu 2+
X: OH − , F − , Cl − , CO 3 2− , H 2 O
From the viewpoint of improving oxide ion conductivity, it is preferable to use a phosphate-based apatite in which the M2 site contains Na + and Ca 2+ and the X site contains OH - and CO 3 2- . Examples of such apatite-type compounds include, but are not limited to, Ca 10-x Na 2x/3 (PO 4 ) 5 (CO 3 ) x (H 2 O) x (OH) 2-x/3 .
アパタイト型化合物として、下記(1)で表されるアパタイト型複合酸化物を用いるここともできる。すなわち、
式(1):A9.3+x[T6.0-yMy]O26.0+z
(式中のAは、La、Ce、Y、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Yb、Lu、Be、Mg、Ca、Sr及びBaからなる群から選ばれた一種又は二種以上の元素である。式中のTは、Si又はGe又はその両方を含む元素である。式中のMは、Mg、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ga、Y、Zr、Ta、Nb、B、Ge、Zn、Sn、W及びMoからなる群から選ばれた一種又は二種以上の元素である。)で示され、
式中のxは-1.4以上1.5以下の数であり、式中のyは0.0以上3.0以下の数であり、式中のzは-5.0以上5.2以下の数であり、Tのモル数に対するAのモル数の比率(A/T)が1.4以上3.7以下である、アパタイト型構造を有する複合酸化物を、酸化物イオン伝導体11として用いることができる。
As the apatite-type compound, an apatite-type composite oxide represented by the following formula (1) can also be used:
Formula (1): A 9.3+x [T 6.0-y M y ]O 26.0+z
(A in the formula is one or more elements selected from the group consisting of La, Ce, Y, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, Lu, Be, Mg, Ca, Sr, and Ba. T in the formula is an element containing Si or Ge, or both. M in the formula is one or more elements selected from the group consisting of Mg, Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Ga, Y, Zr, Ta, Nb, B, Ge, Zn, Sn, W, and Mo.)
A composite oxide having an apatite structure, in which x in the formula is a number of -1.4 or more and 1.5 or less, y in the formula is a number of 0.0 or more and 3.0 or less, z in the formula is a number of -5.0 or more and 5.2 or less, and the ratio of the number of moles of A to the number of moles of T (A/T) is 1.4 or more and 3.7 or less, can be used as the oxide ion conductor 11.
式(1)において、A元素は、正の電荷を有するイオンとなり、アパタイト型六方晶構造を構成し得るランタノイド又はアルカリ土類金属である。これらの中でも、酸化物イオン伝導度をより高めることができる観点から、La、Nd、Ba、Sr、Ca及びCeからなる群のうちの一種又は二種以上の元素との組み合わせであるのが好ましく、中でも、La,又はNdのうちの一種、或いは、LaとNd、Ba、Sr、Ca及びCeからなる群のうちの一種又は二種以上の元素との組み合わせであるのが好ましい。
また、式(1)におけるTは、Si又はGe又はその両方を含む元素であればよい。
In formula (1), element A is a lanthanoid or alkaline earth metal that can form a positively charged ion and form an apatite-type hexagonal crystal structure. Among these, from the viewpoint of further increasing the oxide ion conductivity, a combination of element A with one or more elements selected from the group consisting of La, Nd, Ba, Sr, Ca, and Ce is preferred, and a combination of element A with one of La or Nd, or La with one or more elements selected from the group consisting of Nd, Ba, Sr, Ca, and Ce is particularly preferred.
Furthermore, T in formula (1) may be an element containing Si or Ge or both.
式(1)におけるM元素は、配向性を有するアパタイト構造とする場合に、気相中において、準安定な前駆体(A2+xTO5+z)との反応により導入され、その結果、該前駆体をアパタイト構造に変化させると共に、結晶を一方向に配向させることができる。
かかる観点から、M元素としては、上記前駆体がアパタイト構造をとることになる1000℃以上の温度で気相となって、必要な蒸気圧を得ることができる元素であればよい。なお、「必要な蒸気圧」とは、雰囲気中を気相状態で移動でき、上記前駆体表面から内部に向って粒界又は粒内拡散して反応を進めることができる蒸気圧の意である。
よって、このような観点から、M元素として、例えばB、Ge、Zn、W、Sn及びMoからなる群から選ばれた一種又は二種以上の元素を挙げることができる。中でも、高配向度や高生産性(配向速度)の点で、B、Ge及びZnなどが特に好ましい。
When an oriented apatite structure is to be formed, the M element in formula (1) is introduced by reaction with a metastable precursor (A 2+x TO 5+z ) in the gas phase, thereby converting the precursor into an apatite structure and orienting the crystals in one direction.
From this viewpoint, the M element may be any element that can attain the necessary vapor pressure by becoming gaseous at a temperature of 1000° C. or higher at which the precursor assumes the apatite structure. The term "necessary vapor pressure" means a vapor pressure that can move in a gaseous state in the atmosphere and progress the reaction by diffusing from the surface of the precursor to the interior at grain boundaries or within grains.
From this viewpoint, the element M can be, for example, one or more elements selected from the group consisting of B, Ge, Zn, W, Sn, and Mo. Among them, B, Ge, and Zn are particularly preferred in terms of a high degree of orientation and high productivity (orientation speed).
式(1)において、xは、配向度及び酸素イオン伝導性を高めることができる観点から、-1.4以上1.5以下であるのが好ましく、中でも0.00以上0.70以下、その中でも0.45以上0.65以下であるのが好ましい。
式(1)中のyは、アパタイト型結晶格子におけるT元素位置を埋めるという観点から、0.0以上3.0以下であるのが好ましく、中でも1.0以上2.0以下、その中でも1.0以上1.6以下であるのが好ましい。
式(1)中のzは、アパタイト型結晶格子内での電気的中性を保つという観点から、-5.0以上5.2以下であるのが好ましく、中でも-1.5以上1.5以下、その中でも-1.0以上1.0以下であるのが好ましい。
In formula (1), x is preferably −1.4 or more and 1.5 or less, more preferably 0.00 or more and 0.70 or less, and even more preferably 0.45 or more and 0.65 or less, from the viewpoint of being able to increase the degree of orientation and oxygen ion conductivity.
In terms of filling the T element positions in the apatite-type crystal lattice, y in formula (1) is preferably 0.0 or more and 3.0 or less, more preferably 1.0 or more and 2.0 or less, and even more preferably 1.0 or more and 1.6 or less.
From the viewpoint of maintaining electrical neutrality within the apatite-type crystal lattice, z in formula (1) is preferably −5.0 or more and 5.2 or less, more preferably −1.5 or more and 1.5 or less, and even more preferably −1.0 or more and 1.0 or less.
また、式(1)において、Tのモル数に対するAのモル数の比率(A/T)、言い換えれば、式(1)における9.3+x/6.0-yは、アパタイト型結晶格子における空間的な占有率を保つという観点から、1.4以上3.7以下であるのが好ましい。
望ましい
In addition, in formula (1), the ratio of the number of moles of A to the number of moles of T (A/T), in other words, 9.3+x/6.0-y in formula (1), is preferably 1.4 or more and 3.7 or less, from the viewpoint of maintaining the spatial occupancy rate in the apatite-type crystal lattice.
desirable
上記式(1)で表されるアパタイト型複合酸化物としては、例えば、式中のAが希土類元素であり、式中のTがSiである、希土類シリケート系の複合酸化物を用いることができる。希土類シリケート系の複合酸化物の例としては、La9.3+x(Si6.0-yBy)O26.0+z、La9.3+x(Si6.0-yGey)O26.0+z、La9.3+x(Si6.0-yZny)O26.0+z等が挙げられる。但し、これらに限定されるものではない。 The apatite-type composite oxide represented by the above formula (1) can be, for example, a rare earth silicate-based composite oxide in which A in the formula is a rare earth element and T in the formula is Si. Examples of rare earth silicate-based composite oxides include La9.3 +x ( Si6.0-yBy ) O26.0 +z , La9.3+x ( Si6.0- yGey ) O26.0+z , La9.3+x (Si6.0 - yZny ) O26.0+z , etc. However, they are not limited to these.
無配向性のアパタイト型複合酸化物を製造する場合には、通常の方法で、各構成元素を含む酸化物を原料とし、湿式混合したものをシート状に成形し、加熱焼成して、複合酸化物焼結体を得ることができる。配向性のアパタイト型複合酸化物を製造する場合には、所望のアパタイト型複合酸化物に対して、特定の元素を除いた前駆体の焼結体を同様に作製した後、特定の元素を含む気相中で加熱する気相-固相拡散工程により、特定の元素と前駆体とを反応させて、所望の組成を有する配向アパタイト構造とすることができる。 When producing a non-oriented apatite-type complex oxide, oxides containing each constituent element are used as raw materials in a conventional manner, wet-mixed, formed into a sheet, and heated and fired to obtain a sintered complex oxide. When producing an oriented apatite-type complex oxide, a sintered body of a precursor to the desired apatite-type complex oxide is similarly produced, but excluding a specific element. Then, a vapor-solid diffusion process is performed in which the precursor is heated in a vapor phase containing the specific element, causing the specific element to react with the precursor to form an oriented apatite structure with the desired composition.
このように、気相-固相拡散工程を備える製造方法を採用することにより、結晶が一方向に配向したアパタイト型構造を有する複合酸化物を得ることができる。また、結晶内のクラック等の発生を抑制することができるから、より大面積の配向性アパタイト型の酸化物イオン伝導体11を製造することができる。 In this way, by adopting a manufacturing method that includes a vapor-solid diffusion process, it is possible to obtain a composite oxide having an apatite-type structure in which the crystals are oriented in one direction. Furthermore, since the occurrence of cracks within the crystals can be suppressed, it is possible to manufacture an oriented apatite-type oxide ion conductor 11 with a larger area.
アノード3の構成材料は、必ずしも限定されないが、例えば、遷移金属元素を含むペロブスカイト型複合酸化物を用いることができる。遷移金属元素を含むペロブスカイト型複合酸化物は、具体的には、一般式ABO3で表されるペロブスカイト構造のAサイトに、ランタノイド元素、アルカリ土類金属元素及び希土類元素等から選ばれる一種又は二種以上の元素を含み、Bサイトに一種又は二種以上の遷移金属元素を含む複合酸化物である。好適には、AサイトにBa、Srを含み、BサイトにCoを含む、(Ba,Sr)CoO3等を用いることができる。このような複合酸化物としては、例えば、Ba0.6Sr0.4CoO3等が挙げられる。但し、これらに限定されるものではない。 The constituent material of the anode 3 is not necessarily limited, but may be, for example, a perovskite complex oxide containing a transition metal element. Specifically, the perovskite complex oxide containing a transition metal element is a complex oxide containing one or more elements selected from lanthanoid elements, alkaline earth metal elements, and rare earth elements in the A site of a perovskite structure represented by the general formula ABO3 , and one or more transition metal elements in the B site. Preferably, (Ba,Sr) CoO3 or the like containing Ba and Sr in the A site and Co in the B site can be used. Examples of such complex oxides include, but are not limited to , Ba0.6Sr0.4CoO3 .
図4に示すように、このような構成の電気化学セル1は、ガス流通部101を備える炭化水素製造部10を構成することができる。炭化水素製造部10において、ガス流通部101は、原料ガスGが供給されるガス導入部102と、電気化学セル1における生成ガスが導出されるガス導出部103とを備えている。ガス流通部101は、内部をガス流通路とする配管として構成されており、ここでは、一重管状のガス導入部102とガス導出部103とが、90°の角度を有して接続されており、途中の接続部においてガス流通路が90°に屈曲する構造を有する。 As shown in FIG. 4, an electrochemical cell 1 configured in this manner can form a hydrocarbon production section 10 equipped with a gas distribution section 101. In the hydrocarbon production section 10, the gas distribution section 101 includes a gas inlet section 102 to which raw material gas G is supplied, and a gas outlet section 103 from which the produced gas in the electrochemical cell 1 is discharged. The gas distribution section 101 is configured as a pipe with an internal gas flow channel, and here, the single-tube gas inlet section 102 and gas outlet section 103 are connected at a 90° angle, with the gas flow channel bent 90° at the intermediate connection.
電気化学セル1は、ガス流通部101の屈曲する接続部において、カソード2がガス流通部101の内壁の一部を形成し、かつカソード2の表面20へガス導入部102から供給される原料ガスGの導入と、生成ガスの導出がスムーズになされるように配置される。例えば、図中に白抜矢印で示す原料ガスGのガス流れ方向と、カソード2とのなす角度(ガス導入角度)θ1が、45°の傾斜を有し、生成ガスのガス流れ方向とカソード2とのなす角度(ガス導出角度)θ2が、135°の傾斜を有する構成とすることができる。その場合には、原料ガスGのガス流れ方向と、生成ガスのガス流れ方向は、直交する方向となっている。なお、カソード2とのなす角度とは、酸化物イオン伝導体11の原料ガスG側の面12を基準とするカソード面、例えば、仮想的な平面である表面20に対する角度とする。 The electrochemical cell 1 is arranged so that the cathode 2 forms part of the inner wall of the gas flow section 101 at the curved connection of the gas flow section 101, and so that the raw material gas G supplied from the gas inlet 102 to the surface 20 of the cathode 2 can be smoothly introduced and the generated gas can be smoothly discharged. For example, the angle θ1 (gas inlet angle) between the raw material gas G flow direction indicated by the white arrow in the figure and the cathode 2 can be inclined at 45°, and the angle θ2 (gas outlet angle) between the generated gas flow direction and the cathode 2 can be inclined at 135°. In this case, the raw material gas G flow direction and the generated gas flow direction are perpendicular to each other. Note that the angle with the cathode 2 is the angle with respect to the cathode surface, for example, the surface 20, which is an imaginary plane, based on the surface 12 of the oxide ion conductor 11 facing the raw material gas G.
図5に模式的に示すように、電気化学セル1には、カソード2の表面20に向けて、原料ガスGがガス導入部102から供給され、導電性金属層2Aから中間層2Cを経て複合酸化物層2Bへ拡散する間に、上述したように原料ガスG中のCO2及びH2Oの共電解と、電解生成物の反応により、CH4が発生する。CH4を含む生成ガスは、複合酸化物層2B内をから側方へ拡散して、ガス導出部103へ向かい、外部へ取り出される。 5, in the electrochemical cell 1, a raw material gas G is supplied from a gas inlet 102 toward the surface 20 of the cathode 2, and while the raw material gas G diffuses from the conductive metal layer 2A through the intermediate layer 2C to the complex oxide layer 2B, CH is generated by co-electrolysis of CO and H O in the raw material gas G and the reaction of the electrolysis products, as described above. The generated gas containing CH diffuses laterally through the complex oxide layer 2B toward the gas outlet 103 and is extracted to the outside.
ガス流通部101を備える炭化水素製造部10は、図6に一例を示す炭化水素製造装置100の主要部を構成する。炭化水素製造部10のガス流通部101の構成と、電気化学セル1の配置は、上記図4、図5に示したものに限定されず、適宜変更することができる。例えば、図6、図7に示すように、ガス流通部101に屈曲する接続部を設けず、電気化学セル1に対して、ガス導入方向及びガス導出方向が垂直となるように配置すると、効率よい炭化水素の生成が可能になる。 The hydrocarbon production unit 10, which includes a gas distribution unit 101, constitutes the main part of a hydrocarbon production apparatus 100, an example of which is shown in Figure 6. The configuration of the gas distribution unit 101 of the hydrocarbon production unit 10 and the arrangement of the electrochemical cell 1 are not limited to those shown in Figures 4 and 5 above, and can be modified as appropriate. For example, as shown in Figures 6 and 7, efficient hydrocarbon production is possible by arranging the gas distribution unit 101 so that it does not have any bent connectors and the gas introduction direction and gas discharge direction are perpendicular to the electrochemical cell 1.
図6において、炭化水素製造部10は、二重筒状のガス流通部101を備える。ガス流通部101の内筒は、ガス導入部102を構成し、内筒の外周を取り囲む外筒は、ガス導出部103を構成している。電気化学セル1は、ガス流通部101の一端側を閉鎖するように配置される。ガス流通部101の一端側は、炭化水素製造部10の筐体10aから外部へ延出し、分岐部10bにおいては、ガス導入部102とガス導出部103とが分離される。炭化水素製造部10の筐体10a、分離されたガス導入部102及びガス導出部103の外周には、それぞれヒータHが配置されて、所定の温度に加熱又は保温可能となっている。 In FIG. 6, the hydrocarbon production unit 10 includes a double-cylinder gas distribution unit 101. The inner cylinder of the gas distribution unit 101 constitutes the gas inlet 102, and the outer cylinder surrounding the outer periphery of the inner cylinder constitutes the gas outlet 103. The electrochemical cell 1 is arranged to close one end of the gas distribution unit 101. One end of the gas distribution unit 101 extends outward from the housing 10a of the hydrocarbon production unit 10, and the gas inlet 102 and gas outlet 103 are separated at the branching section 10b. Heaters H are arranged on the outer periphery of the housing 10a of the hydrocarbon production unit 10 and the separated gas inlet 102 and gas outlet 103, respectively, to heat or maintain a predetermined temperature.
ガス導入部102は、CO2が導入されるCO2導入路102aと、ベースガスとなる窒素(N2)が導入されるN2導入路102bとを備える。N2導入路102bには、CO2導入路102aとの接続部の上流に、水(H2O)が貯留される水蒸気濃度制御槽102cが配置され、水蒸気濃度制御槽102cの内部を通過することによって、水蒸気濃度が調整されるようになっている。ガス導出部103の途中には、ガス採取管104が接続され、ガスクロマトグラフ分析計105にて生成ガスの分析が可能となっている。 The gas inlet section 102 includes a CO2 inlet passage 102a through which CO2 is introduced and an N2 inlet passage 102b through which nitrogen ( N2 ) serving as a base gas is introduced. A water vapor concentration control tank 102c in which water ( H2O ) is stored is disposed in the N2 inlet passage 102b upstream of the connection with the CO2 inlet passage 102a, and the water vapor concentration is adjusted by passing through the water vapor concentration control tank 102c. A gas sampling pipe 104 is connected to the gas outlet section 103, allowing the generated gas to be analyzed by a gas chromatograph analyzer 105.
図7において、ガス流通部101は、ガス導入部102が、カソード2の表面20の中央部に対向し、表面20の外周部に対して、ガス導出部103が対向している。図中に白抜矢印で示すように、原料ガスGは、カソード2の表面20と垂直な方向をガス流れ方向とし、カソード2の表面20へ向けて原料ガスGが導入される。生成ガスのガス流れ方向は、ガス導入方向と反対の方向となっており、カソード2の表面20から離れるように、原料ガスGの流れと並行かつ対向して、生成ガスが導出される。その場合には、ガス流れ方向とカソード2とのなす角度θは90°であり、ガス導入側及び導出側とで同じになる(角度θ=ガス導入角度θ1=ガス導出角度θ2)。 In Figure 7, the gas flow section 101 has the gas inlet section 102 facing the center of the surface 20 of the cathode 2, and the gas outlet section 103 facing the outer periphery of the surface 20. As indicated by the white arrows in the figure, the raw material gas G flows perpendicular to the surface 20 of the cathode 2 and is introduced toward the surface 20 of the cathode 2. The flow direction of the generated gas is opposite to the gas inlet direction, and the generated gas is discharged parallel to and opposite the flow of the raw material gas G, away from the surface 20 of the cathode 2. In this case, the angle θ between the gas flow direction and the cathode 2 is 90°, and is the same on the gas inlet side and outlet side (angle θ = gas inlet angle θ1 = gas outlet angle θ2).
このとき、図8に示すように、上記図5に示した電気化学セル1では、原料ガスGが導入される方向が、表面20に対して傾斜しているために、原料ガスGの導入量が多い領域(例えば、図8中に点線で囲った領域)Rで、電解反応が多く起きた後、メタン前駆体を含むガスがガス流れと共に、そのまま流れていきやすい。ここで、領域Rでは、吸熱反応である電解反応がより多く生じるために、温度低下しており、メタン生成に有利な低温領域となっている。ところが、メタン前駆体を含むガスが、下流側へ流れていくために、領域Rから離れて、メタン生成が進みにくくなるおそれがある。CO、H2、CH4を含む生成ガスは、そのままカソード2の外部へ導出される。 As shown in Fig. 8, in the electrochemical cell 1 shown in Fig. 5, the direction in which the source gas G is introduced is inclined relative to the surface 20. Therefore, after a large amount of electrolysis reaction occurs in the region R where a large amount of source gas G is introduced (for example, the region surrounded by the dotted line in Fig. 8), the gas containing the methane precursor tends to flow along with the gas flow. Here, in region R, the temperature drops because a larger amount of electrolysis reaction, which is an endothermic reaction, occurs, making it a low-temperature region favorable for methane production. However, since the gas containing the methane precursor flows downstream, it may move away from region R, making it difficult for methane production to proceed. The produced gas containing CO, H2 , and CH4 is directly discharged to the outside of the cathode 2.
これに対して、図9に示すように、上記図7に示した電気化学セル1では、原料ガスGが垂直な方向から導入されるために、原料ガスGの導入量が多い領域(例えば、図9中に点線で囲った領域)Rで、電解反応が多く起きた後、メタン前駆体を含むガスが複合酸化物層2Bに滞留し、低温領域である領域Rの近傍に留まりやすい。そのために、メタン前駆体の電解還元に有利な状態となり、メタン生成が進みやすくなる。これにより、CO、H2、CH4を含む生成ガス中のCH4比率が、より高くなり、効率よい炭化水素製造装置100を実現できる。また、ガス流通部101が、二重筒構造であるため、コンパクトな構造とすることができる。 In contrast, as shown in Figure 9, in the electrochemical cell 1 shown in Figure 7, the feed gas G is introduced from a vertical direction. Therefore, after a large amount of electrolytic reaction occurs in region R where a large amount of feed gas G is introduced (for example, the region surrounded by a dotted line in Figure 9), the gas containing the methane precursor tends to remain in the complex oxide layer 2B and remain near region R, which is a low-temperature region. This creates a favorable condition for the electrolytic reduction of the methane precursor, facilitating methane production. This increases the CH4 ratio in the product gas containing CO, H2 , and CH4 , thereby realizing an efficient hydrocarbon production apparatus 100. Furthermore, the gas flow section 101 has a double-cylinder structure, allowing for a compact structure.
電気化学セル1は、炭化水素製造部10の周囲に配置されるヒータHにより、例えば、300℃~800℃の範囲で、これら一連の反応に適した温度となるように加熱される。メタン化反応には、平衡的に低温側(例えば、300℃~600℃)が有利であり、電極表面の触媒活性としては、高温側(例えば、500℃~800℃)が有利となる。好適には、セル内の電極温度が、これら両方に有利な温度範囲(例えば、500℃~600℃)となるようにし、吸熱反応である電解による温度低下を考慮して、セル周囲の温度をヒータ制御するのが好ましい。 The electrochemical cell 1 is heated by a heater H located around the hydrocarbon production section 10 to a temperature suitable for this series of reactions, for example, in the range of 300°C to 800°C. A lower temperature (e.g., 300°C to 600°C) is advantageous for the methanation reaction, while a higher temperature (e.g., 500°C to 800°C) is advantageous for catalytic activity on the electrode surface. It is preferable to keep the electrode temperature within the cell within a temperature range favorable for both reactions (e.g., 500°C to 600°C), and to control the temperature around the cell with a heater, taking into account the temperature drop due to electrolysis, which is an endothermic reaction.
(実施例1~4)
上述した実施形態1と同様の構成を有する電気化学セル1を作製し、上記図6に示した炭化水素製造装置100を用いてメタンの生成試験を行い、メタン転化率の評価を行った。電気化学セル1の作製は、次のようにして、酸化物イオン伝導体11となる電解質シートを用意し、その両面に、カソード2となるカソード形成用材料及びアノード3となるアノード形成用材料を印刷により塗布し、熱処理することにより行った。
Examples 1 to 4
An electrochemical cell 1 having the same configuration as in the first embodiment described above was fabricated, and a methane production test was performed using the hydrocarbon production apparatus 100 shown in Fig. 6 to evaluate the methane conversion rate. The electrochemical cell 1 was fabricated as follows: an electrolyte sheet to serve as the oxide ion conductor 11 was prepared, and a cathode material to serve as the cathode 2 and an anode material to serve as the anode 3 were applied to both sides of the electrolyte sheet by printing, followed by heat treatment.
<電解質シートの作製>
電解質シートの材料として、含有量が8mol%となるようにイットリア(Y2O3)を添加したジルコニア(ZrO2)を調整した。得られたイットリア安定化ジルコニア粉末に、ポリビニルブチラールを添加して、混合溶媒としての酢酸イソアミル、2-ブタノール及びエタノールと共に、ボールミルにて混合することにより、スラリーを調製した。なお、表1中に示すように、8mol%のY2O3を含むイットリア安定化ジルコニアのことを、以下、「8YSZ」と略称する。
<Preparation of electrolyte sheet>
Zirconia ( ZrO2 ) containing yttria ( Y2O3 ) was prepared as the material for the electrolyte sheet, with the content being 8 mol%. Polyvinyl butyral was added to the obtained yttria-stabilized zirconia powder, and the mixture was mixed in a ball mill with isoamyl acetate, 2 - butanol, and ethanol as a mixed solvent to prepare a slurry. As shown in Table 1, yttria-stabilized zirconia containing 8 mol% Y2O3 will be abbreviated as "8YSZ" below.
なお、8YSZ粉末の平均粒径は、0.8μmであった。ここで、平均粒径とは、レーザー回折・散乱法により測定した体積基準の累積度数分布が50%を示すときの粒子径(直径)d50であり、以降においても、同様とする。 The average particle size of the 8YSZ powder was 0.8 μm. Here, the average particle size is the particle size (diameter) d50 at which the volume-based cumulative frequency distribution measured by the laser diffraction/scattering method shows 50%, and this will be used hereinafter as well.
調製したスラリーを、公知のドクターブレード法を用いて、樹脂シート上に層状に塗工し、乾燥させた。その後、樹脂シートを剥離し、大気中、1450℃で2時間焼成することにより、8YSZを材料とする電解質シートを得た。 The prepared slurry was applied in layers onto a resin sheet using a known doctor blade method and then dried. The resin sheet was then peeled off and sintered in air at 1,450°C for 2 hours to obtain an electrolyte sheet made from 8YSZ.
<カソード材料の準備>
カソード2の複合酸化物層2Bの材料となる、遷移金属元素を含む複合酸化物としては、ランタン系複合酸化物である、LaSrCo0.8Fe0.2O4を用いた(表1中に、LaSr系として示す)。原料として、ランタン系複合酸化物の構成元素の単一酸化物(富士フイルム和光純薬株式会社製;試験用試薬)を用い、所望の組成となるように秤量した。次いで、秤量した原料を、分散剤としてポリビニルアルコールを1質量%添加したエタノール中で、ボールミルにて混合した。ボールミルによる混合は、直径10mmのジルコニアビーズを用いて、16時間行い、その後、混合原料をバットに取り出して乾燥させた。この乾燥粉体を、1100℃で熱処理することにより、遷移金属元素を含む複合酸化物の粉体を得た(平均粒径0.5μm)。
<Preparation of cathode material>
The composite oxide containing a transition metal element used for the composite oxide layer 2B of the cathode 2 was a lanthanum-based composite oxide, LaSrCo0.8Fe0.2O4 (shown as LaSr-based in Table 1). Single oxides of the constituent elements of the lanthanum-based composite oxide (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.; test reagents) were used as raw materials, and weighed to achieve the desired composition. The weighed raw materials were then mixed in a ball mill in ethanol containing 1% by mass of polyvinyl alcohol as a dispersant. Mixing in the ball mill was carried out for 16 hours using zirconia beads with a diameter of 10 mm. The mixed raw materials were then removed to a tray and dried. The dried powder was heat-treated at 1100°C to obtain a powder of a composite oxide containing a transition metal element (average particle size 0.5 μm).
得られた複合酸化物の粉体を、分散剤としてアクリル樹脂を1質量%添加したテルピネオール中にて、ボールミルにて混合した。ボールミルによる混合は、直径10mmのジルコニアビーズを用いて、16時間行い、その後、混練により粘調することで、複合酸化物層2Bの形成材料となる印刷用ペーストを準備した。 The resulting composite oxide powder was mixed in a ball mill with terpineol containing 1% by mass of acrylic resin as a dispersant. Mixing in the ball mill was carried out for 16 hours using zirconia beads with a diameter of 10 mm. The mixture was then kneaded to adjust the viscosity, preparing a printing paste that would serve as the material for forming the composite oxide layer 2B.
カソード2の導電性金属層2Aの材料としては、銀(Ag)を用い、粘度の異なる印刷用ペーストを準備した。まず、市販のペースト状の銀フリット(大研化学工業株式会社製;「NAG-10」)を用意し、テルピネオール中へ添加して希釈し、もしくはアクリル樹脂を追加して溶解させることにより、所望の粘度に調整された印刷用の銀ペーストを得た。銀フリットは、平均粒径0.02μmのものを使用した。 Silver (Ag) was used as the material for the conductive metal layer 2A of the cathode 2, and printing pastes of different viscosities were prepared. First, commercially available paste-like silver frit (manufactured by Daiken Chemical Industry Co., Ltd.; "NAG-10") was prepared and added to terpineol to dilute it, or acrylic resin was added and dissolved to obtain a printing silver paste with the desired viscosity. The silver frit used had an average particle size of 0.02 μm.
<アノード材料の準備>
アノード3の材料となる複合酸化物としては、ペロブスカイト型複合酸化物であるBa0.6Sr0.4CoO3を用いた。カソード2の複合酸化物層2Bと同様の方法にて、原料となる構成元素の単一酸化物を、所望の組成となるように秤量し、アクリル樹脂とテルピネオールのビヒクル内に分散させて、ボールミル混合を行った後に、乾燥させて、乾燥粉体を得た。この乾燥粉体を熱処理することにより、複合酸化物の粉体を得た(平均粒径0.5μm)。得られた複合酸化物の粉体を、同様の方法にてボールミル混合し、混練により粘調することで、アノード形成のための印刷用ペーストを準備した。
<Preparation of anode material>
The composite oxide used for the anode 3 was Ba0.6Sr0.4CoO3 , a perovskite composite oxide. Using the same method as for the composite oxide layer 2B of the cathode 2, single oxides of the constituent elements used as raw materials were weighed to the desired composition, dispersed in a vehicle of acrylic resin and terpineol, mixed in a ball mill, and then dried to obtain a dry powder. This dried powder was heat-treated to obtain a composite oxide powder (average particle size 0.5 μm). The obtained composite oxide powder was ball-milled in the same manner and kneaded to adjust the viscosity, thereby preparing a printing paste for forming the anode.
<電気化学セル1の作製>
上記のようにして得られた電解質シートの一方の面に、複合酸化物層2Bの形成用に準備した印刷用ペーストを、印刷により塗布した後、乾燥させた。その後、1000℃にて10分間、熱処理することにより、焼き付けを行い。複合酸化物層2Bを形成した。さらに、複合酸化物層2Bの表面に、導電性金属層2Aの形成用に準備した印刷用の銀ペーストを印刷し、熱処理して、中間層2Cを形成すると共に、その表面に導電性金属層2Aを形成して、カソード2とした。
<Preparation of Electrochemical Cell 1>
A printing paste prepared for forming the complex oxide layer 2B was applied by printing to one side of the electrolyte sheet obtained as described above, and then dried. The sheet was then baked by heat treatment at 1000°C for 10 minutes, forming the complex oxide layer 2B. Furthermore, a printing silver paste prepared for forming the conductive metal layer 2A was printed on the surface of the complex oxide layer 2B, followed by heat treatment to form an intermediate layer 2C, and the conductive metal layer 2A was formed on the surface of the intermediate layer 2C, forming the cathode 2.
その際に、粘度の異なる銀ペーストを用いることにより、複合酸化物層2Bへの浸透深さを調整して、サンプル毎に中間層2Cの層厚t1を調整した。また、導電性金属層2Aの層厚は、いずれのサンプルも10μmとし、粘度の低い銀ペーストを用いた場合には、印刷後に、粘度調整を行っていない銀ペーストを印刷して、層厚10μmとなるように調整した。複合酸化物層2Bの層厚は、25μmとした。 By using silver pastes with different viscosities, the penetration depth into the complex oxide layer 2B was adjusted, and the layer thickness t1 of the intermediate layer 2C was adjusted for each sample. The layer thickness of the conductive metal layer 2A was set to 10 μm for all samples. When a low-viscosity silver paste was used, a silver paste without viscosity adjustment was printed after printing to adjust the layer thickness to 10 μm. The layer thickness of the complex oxide layer 2B was set to 25 μm.
また、上記のようにして得られた電解質シートのもう一方の面に、アノード3の形成用に準備した印刷用ペーストを、印刷により塗布した後、乾燥させた。その後、1000℃にて10分間、熱処理することにより、焼き付けを行い。アノード3となる複合酸化物層を形成した。アノード3の層厚は、25μmとした。 The printing paste prepared for forming the anode 3 was then applied by printing to the other side of the electrolyte sheet obtained as described above, and then dried. The sheet was then baked by heat treatment at 1000°C for 10 minutes, forming a composite oxide layer that would become the anode 3. The thickness of the anode 3 was 25 μm.
さらに、カソード2及びアノード3のそれぞれに、電力供給用の白金(Pt)製のリード線を、銀フリットを溶融させることにより接合した。アノード3上の銀フリットは、粘度調整を行っていない銀フリットペーストを印刷し、800℃にて10分間、熱処理して配置した。 Furthermore, platinum (Pt) lead wires for power supply were attached to each of the cathode 2 and anode 3 by melting silver frit. The silver frit on the anode 3 was printed using silver frit paste without viscosity adjustment, and then heat-treated at 800°C for 10 minutes.
このようにして、緻密体である酸化物イオン伝導体11の両面に、多孔質電極であるカソード2及びアノード3が積層された電気化学セル1のサンプルを得た(実施例1~4)。このとき、表1に示すように、実施例1のサンプルは、中間層2Cの層厚t1と、複合酸化物層2Bとの合計の層厚tとの比率t1/tが1%となるように調整されている。また、実施例2~4のサンプルは、比率t1/tが、それぞれ5%、50%、95%に調整された中間層2Cを有する電気化学セル1とした。なお、酸化物イオン伝導体11の気孔率は、5%以下であり、多孔質電極の気孔率は、50%であった。 In this way, electrochemical cell 1 samples were obtained in which porous electrodes, a cathode 2 and an anode 3, were laminated on both sides of a dense oxide ion conductor 11 (Examples 1 to 4). As shown in Table 1, the sample of Example 1 had the ratio t1/t of the thickness t1 of the intermediate layer 2C to the total thickness t of the composite oxide layer 2B adjusted to 1%. Furthermore, the samples of Examples 2 to 4 had electrochemical cells 1 having intermediate layers 2C with ratios t1/t adjusted to 5%, 50%, and 95%, respectively. The porosity of the oxide ion conductor 11 was 5% or less, and the porosity of the porous electrodes was 50%.
<評価方法>
実施例1~4の電気化学セル1について、炭化水素製造装置100を用いたメタン製造試験を行った。炭化水素製造部10は、上記図4に示したガス流通部101を有する構成であり、電気化学セル1のカソード2に対して、ガス導入部102から、原料ガスGを供給し、生成ガスをガス導出部103から取り出した。ガス流通部101のガス流れ方向は、ガス導入角度θ1=45°となるように接続し、ガス導出部103は、ガス導出角度θ2=135°となるように接続した。表1に、これらガス方向を、ガス導入角度θ1(45°)/ガス導出角度θ2(135°)として示す。
<Evaluation method>
A methane production test was carried out using a hydrocarbon production apparatus 100 for the electrochemical cells 1 of Examples 1 to 4. The hydrocarbon production section 10 had a configuration including the gas flow section 101 shown in FIG. 4 above. A raw material gas G was supplied to the cathode 2 of the electrochemical cell 1 from a gas inlet section 102, and the produced gas was taken out from a gas outlet section 103. The gas flow direction of the gas flow section 101 was connected so that the gas inlet angle θ1 was 45°, and the gas outlet section 103 was connected so that the gas outlet angle θ2 was 135°. Table 1 shows these gas directions as gas inlet angle θ1 (45°)/gas outlet angle θ2 (135°).
原料ガスGは、CO2と水蒸気とを含み、残部をN2とするガスであり、N2導入路102bから水蒸気濃度制御槽102cを通過するN2のバブリングにより、水蒸気を含むN2とし、CO2導入路102aから導入されるCO2と混合して、ガス導入部102へ供給した。原料ガスGは、CO2及び水蒸気の濃度が、CH4の生成に適したモル比となるように調整されており、適度に保温されたガス導入部102から、炭化水素製造部10内に配置されている電気化学セル1へ供給して、共電解させた。以下に、メタン製造条件として、原料ガスGのガス流量、原料ガスG中の水蒸気濃度及びCO2濃度、電気化学セル1のカソード2及びアノード3の電極面積、両電極間の印加電圧を示す。
メタン製造条件
ガス流量:50ml/min
水蒸気濃度:0.6%(バブリング温度:0℃)
CO2濃度:0.3%
電極面積:2cm2
印加電圧:-1.6V
The feed gas G contained CO2 and water vapor, with the remainder being N2. N2 containing water vapor was produced by bubbling N2 from the N2 inlet passage 102b through the water vapor concentration control tank 102c, and this was mixed with CO2 introduced from the CO2 inlet passage 102a and supplied to the gas inlet 102. The concentrations of CO2 and water vapor in the feed gas G were adjusted to a molar ratio suitable for producing CH4 . The feed gas G was supplied from the gas inlet 102, which was kept at a suitable temperature, to the electrochemical cell 1 arranged in the hydrocarbon production section 10 for co-electrolysis. The methane production conditions are shown below: the gas flow rate of the feed gas G, the water vapor concentration and CO2 concentration in the feed gas G, the electrode areas of the cathode 2 and anode 3 of the electrochemical cell 1, and the voltage applied between the electrodes.
Methane production conditions Gas flow rate: 50 ml/min
Water vapor concentration: 0.6% (bubbling temperature: 0°C)
CO2 concentration: 0.3%
Electrode area: 2cm 2
Applied voltage: −1.6 V
ガス流量は、電極体積に対する単位時間当たりの原料ガス量の比率(空間速度SV)が、1000~10000程度の範囲(例えば、SV=3600)となるように調整した。また、電気化学セル1は、炭化水素製造部10の周囲に配置されるヒータHにより全体が加熱され、炭化水素製造部10の内部温度が、700℃付近となるように制御した。このとき、CO2とH2Oの電解反応(吸熱反応)により、セル温度は周囲の温度よりも低くなり、カソード2における表面の触媒活性とメタン化反応の両方に有利な500℃~600℃程度に維持される。 The gas flow rate was adjusted so that the ratio of the amount of raw material gas per unit time to the electrode volume (space velocity, SV) was in the range of approximately 1,000 to 10,000 (for example, SV = 3,600). The electrochemical cell 1 was heated as a whole by a heater H arranged around the hydrocarbon production section 10, and the internal temperature of the hydrocarbon production section 10 was controlled to be around 700°C. At this time, the electrolytic reaction (endothermic reaction) of CO2 and H2O made the cell temperature lower than the ambient temperature, and the cell temperature was maintained at approximately 500°C to 600°C, which is advantageous for both the catalytic activity on the surface of the cathode 2 and the methanation reaction.
ガス導出部103へ取り出される生成ガスは、ガス導出部103の途中に接続したガス採取管104から、10秒にわたり1mlのガスを採取し、ガスクロマトグラフ(アジレント・テクノロジー株式会社製;GC490)にて成分分析を実施した。成分分析は、生成ガス中の各ガス濃度(mol%/L)を測定した。また、測定結果に基づいて、メタン転化率を算出し、それらの結果を、表1に併記した。また、図10に、メタン転化率を比較する柱状グラフを示した。
メタン転化率=(生成ガス中メタン濃度)/[(原料ガス中CO2濃度)-(生成ガス中CO2濃度)]
The generated gas extracted to the gas outlet 103 was sampled over 10 seconds in an amount of 1 ml from a gas sampling tube 104 connected to the gas outlet 103, and its components were analyzed using a gas chromatograph (GC490, manufactured by Agilent Technologies, Inc.). The component analysis measured the concentration (mol%/L) of each gas in the generated gas. Based on the measurement results, the methane conversion rate was calculated, and the results are shown in Table 1. A bar graph comparing the methane conversion rates is shown in FIG. 10.
Methane conversion rate = (methane concentration in produced gas) / [( CO2 concentration in feed gas) - ( CO2 concentration in produced gas)]
(比較例1、2)
比較のため、実施例1と同様の製造工程により、カソード2に中間層2Cが形成されないように、すなわち、比率t1/tが0%となるように調整した電気化学セル1を作製し、比較例1とした。また、カソード2において、中間層2Cの比率t1/tが100%となるように、すなわち、複合酸化物層2Bが形成されないように調整した電気化学セル1を作製して、比較例2とした。
(Comparative Examples 1 and 2)
For comparison, an electrochemical cell 1 was prepared using the same manufacturing process as in Example 1, except that the intermediate layer 2C was not formed on the cathode 2, i.e., the ratio t1/t was adjusted to 0%, and this was designated Comparative Example 1. In addition, an electrochemical cell 1 was prepared using the same manufacturing process as in Example 1, except that the ratio t1/t of the intermediate layer 2C was adjusted to 100%, i.e., the complex oxide layer 2B was not formed on the cathode 2, and this was designated Comparative Example 2.
これら比較例1、2の電気化学セル1について、実施例1と同様にして、炭化水素製造装置100を用いたメタン製造試験を行い、生成ガスをガスクロマトグラフにより分析した。結果を表1、図10に併記する。これら結果に示されるように、比較例1、2の電気化学セル1のいずれを用いた場合も、電解によるCO、H2の生成は見られるものの、CH4の生成は確認されなかった。 For the electrochemical cells 1 of Comparative Examples 1 and 2, a methane production test was carried out using the hydrocarbon production apparatus 100 in the same manner as in Example 1, and the produced gas was analyzed by gas chromatography. The results are shown in Table 1 and Fig. 10. As shown in these results, when either the electrochemical cell 1 of Comparative Examples 1 or 2 was used, the production of CO and H2 by electrolysis was observed, but the production of CH4 was not confirmed.
これに対して、実施例1~4の電気化学セル1のいずれについても、CH4の生成が確認された。具体的には、比率t1/tが1%の実施例1において、20%のメタン転化率が得られ、比率t1/tが5%の実施例2では、メタン転化率が80%に大きく増加した。比率t1/tが50%の実施例3では、メタン転化率が85%と、さらに増加した。比率t1/tが95%の実施例4では、メタン転化率が35%と、実施例2、3より低くなるものの、実施例1よりも高い値が得られる。 In contrast, the generation of CH4 was confirmed in all of the electrochemical cells 1 of Examples 1 to 4. Specifically, in Example 1, where the ratio t1/t was 1%, a methane conversion rate of 20% was obtained, and in Example 2, where the ratio t1/t was 5%, the methane conversion rate increased significantly to 80%. In Example 3, where the ratio t1/t was 50%, the methane conversion rate increased further to 85%. In Example 4, where the ratio t1/t was 95%, the methane conversion rate was 35%, which was lower than in Examples 2 and 3, but was higher than in Example 1.
これらの結果から、カソード2は、導電性金属層2Aと複合酸化物層2Bとの間に、第1粒子21と第2粒子22とを含む中間層2Cが形成されることにより、単一の電気化学セル1において、CH4を効率よく生成できることが確認された。その理由は、必ずしも明らかではないが、導電性金属層2Aにおいて、原料ガスGのうちの水蒸気が電気分解し、生成するH2によって、中間層2CがH2リッチな状態となることが寄与していると考えられる。これにより、中間層2Cにおいて、さらに原料ガスGのうちのCO2が電気分解してCOが生成すると、それら電解生成物が速やかに反応して、メタン前駆体が生成し、その電極還元反応が、複合酸化物層2Bにおいて選択的に進むことにより、CH4の生成が可能になるものと推測される。 These results confirmed that the cathode 2 can efficiently generate CH4 in a single electrochemical cell 1 by forming an intermediate layer 2C containing first particles 21 and second particles 22 between the conductive metal layer 2A and the complex oxide layer 2B . The reason for this is not necessarily clear, but it is thought that this is due to the fact that water vapor in the source gas G is electrolyzed in the conductive metal layer 2A, and the resulting H2 makes the intermediate layer 2C rich in H2 . As a result, when CO2 in the source gas G is further electrolyzed in the intermediate layer 2C to generate CO, these electrolysis products rapidly react to generate a methane precursor, and the electrode reduction reaction of this methane precursor proceeds selectively in the complex oxide layer 2B, making it possible to generate CH4 .
このような作用効果は、比率t1/tの下限側については、1%ないしそれ以上で得られ、メタン転化率が20%以上となる。中間層2Cの層厚t1が厚くなるに従い、メタン転化率が高くなり、5%~50%で80%以上となる。一方、比率t1/tの上限側は、95%で、35%以上のメタン転化率が得られ、比率t1/tに応じたメタン転化率が得られると考えられる。 This effect is achieved when the ratio t1/t is at the lower limit of 1% or more, resulting in a methane conversion rate of 20% or more. As the layer thickness t1 of the intermediate layer 2C increases, the methane conversion rate increases, reaching 80% or more at a ratio of 5% to 50%. On the other hand, at the upper limit of the ratio t1/t, a methane conversion rate of 35% or more is achieved at a ratio of 95%, and it is believed that a methane conversion rate consistent with the ratio t1/t can be achieved.
ここで、図11に参考例として示すように、H2とCO2からメタンを合成する反応におけるメタン生成率は、圧力と相関がある。この合成反応は減圧反応であることから、高圧条件下での合成によりメタン生成率が上昇することが知られており、例えば、3MPaの圧力において、ほぼ平衡値に達している。このとき、常圧でのメタン生成率30%~70%の曲線を比較すると、常圧でのメタン生成率50%であれば、3MPaの圧力で95%に達し、常圧でのメタン生成率70%であれば、1MPaの圧力で95%に達している。なお、メタン生成率95%は、ガスの燃焼性を示す指標のうち、噴出熱量インプットを示す指数であるウォッベ指数と、燃焼速度を示す指数である最大燃焼速度とに基づいて、ガスの調整・管理を行う際に、反応後の生成ガスを精製等の過程を経ずに、ガスパイプライン等に投入できるとされる値である。 As shown in FIG. 11 as a reference example, the methane production rate in the reaction synthesizing methane from H and CO correlates with pressure. Because this synthesis reaction is a reduced-pressure reaction, it is known that synthesis under high-pressure conditions increases the methane production rate; for example, it reaches a nearly equilibrium value at a pressure of 3 MPa. Comparing the curves for methane production rates of 30% to 70% at atmospheric pressure, if the methane production rate is 50% at atmospheric pressure, it reaches 95% at a pressure of 3 MPa, and if the methane production rate is 70% at atmospheric pressure, it reaches 95% at a pressure of 1 MPa. A methane production rate of 95% is a value at which the post-reaction product gas can be introduced into a gas pipeline or the like without undergoing a purification process when adjusting and managing gas based on the Wobbe index, which is an index indicating the amount of heat emitted and the maximum combustion rate, which is an index indicating the combustion rate, both of which are indicators of gas flammability.
したがって、実用上は、常圧で50%以上のメタン転化率が得られていれば十分であり、70%以上のメタン転化率であれば、より好ましい。そのために、実施例1~4の電極構成であれば、比率t1/tは、5%前後ないしそれ以上であり、50%前後ないしそれ以下の範囲で選択されると、より好ましい。 Therefore, in practice, a methane conversion rate of 50% or more at atmospheric pressure is sufficient, with a methane conversion rate of 70% or more being more preferable. Therefore, for the electrode configurations of Examples 1 to 4, the ratio t1/t is preferably selected to be around 5% or more, and more preferably around 50% or less.
(比較例3)
比較のため、カソード2の導電性金属層2A、中間層2Cを構成する導電性金属として、Agに代えて白金(Pt)を用いた以外は、実施例1と同様の製造工程により、電気化学セル1を作製し、比較例3とした。比較例3の電気化学セル1において、中間層2Cの比率t1/tは1%であり、ガス流通部101のガス流れ方向は、ガス導入角度θ1(45°)/ガス導出角度θ2(135°)となっている。
(Comparative Example 3)
For comparison, an electrochemical cell 1 was fabricated as Comparative Example 3 by the same manufacturing process as in Example 1, except that platinum (Pt) was used instead of Ag as the conductive metal constituting the conductive metal layer 2A and intermediate layer 2C of the cathode 2. In the electrochemical cell 1 of Comparative Example 3, the ratio t1/t of the intermediate layer 2C was 1%, and the gas flow direction in the gas flow section 101 was such that the gas inlet angle θ1 (45°)/gas outlet angle θ2 (135°).
比較例3の電気化学セル1について、実施例1と同様にして、炭化水素製造装置100を用いたメタン製造試験を行い、生成ガスをガスクロマトグラフにより分析した。結果を表1、図10に併記する。これら結果に示されるように、比較例3の電気化学セル1を用いた場合は、中間層2Cと複合酸化物s2Bの両方を有する構成であっても。CH4の生成は確認されなかった。その理由は、必ずしも明らかではないが、導電性金属にPtを用いた場合には、メタン前駆体が生成しても電解還元が進まず、メタン化しないものと推測される。 For the electrochemical cell 1 of Comparative Example 3, a methane production test was conducted using the hydrocarbon production apparatus 100 in the same manner as in Example 1, and the produced gas was analyzed by gas chromatography. The results are shown in Table 1 and FIG. 10 . As shown by these results, when the electrochemical cell 1 of Comparative Example 3 was used, no CH4 generation was confirmed, even though it had a configuration including both the intermediate layer 2C and the composite oxide s2B. The reason for this is not entirely clear, but it is presumed that when Pt is used as the conductive metal, even if a methane precursor is produced, electrolytic reduction does not proceed and methanation does not occur.
(実施例5)
実施例5として、酸化物イオン伝導体11の材料を、実施例1の8YSZに代えて、無配向のリン酸塩系アパタイトであるCa9.00Na0.67(PO4)5(CO3)(H2O)(OH)1.67とし、カソード2及びアノード3の構成は、実施例1と同様とした電気化学セル1を作製した。無配向のリン酸塩系アパタイトは、原料として、リン酸カルシウム[Ca3(PO4)2]と炭酸水素ナトリウム(NaHCO3)を、所望の組成となるように秤量したものを用い、実施例1の複合酸化物材料と同様の製造工程により、原料の混合、乾燥、熱処理を行って、リン酸塩系アパタイト構造の化合物粉体を得た。
Example 5
In Example 5, an electrochemical cell 1 was fabricated in which the material of the oxide ion conductor 11 was changed from 8YSZ in Example 1 to non-oriented phosphate apatite, Ca9.00Na0.67 ( PO4 ) 5 (CO3)( H2O )(OH) 1.67 , and the configurations of the cathode 2 and anode 3 were the same as those in Example 1. The non-oriented phosphate apatite was prepared by weighing calcium phosphate [ Ca3 ( PO4 ) 2 ] and sodium bicarbonate ( NaHCO3 ) to obtain the desired composition as raw materials, and mixing, drying, and heat treatment of the raw materials were carried out in the same manufacturing process as for the composite oxide material in Example 1 to obtain a compound powder with a phosphate apatite structure.
実施例1の8YSZと同様にして、得られた化合物粉体を含むスラリーを調製し、樹脂シート上に塗工した。次いで、樹脂シートを剥離し、水蒸気を5%含むよう調整した大気雰囲気中、1350℃で2時間の焼成を行って、酸化物イオン伝導体11となる電解質シートを形成した。 A slurry containing the obtained compound powder was prepared in the same manner as for 8YSZ in Example 1 and applied to a resin sheet. The resin sheet was then peeled off, and the resulting mixture was fired at 1,350°C for 2 hours in an air atmosphere adjusted to contain 5% water vapor, forming an electrolyte sheet that would become the oxide ion conductor 11.
得られた電解質シートに、実施例1と同様にして、カソード2及びアノード3の材料を塗布し、焼成して、電気化学セル1を得た。この実施例5の電気化学セル1について、実施例1と同様に、炭化水素製造装置100を用いたメタン製造試験を行って、生成ガスを分析した。結果を表1、図10に併記する。 The materials for the cathode 2 and anode 3 were applied to the obtained electrolyte sheet in the same manner as in Example 1, and the sheet was fired to obtain an electrochemical cell 1. For the electrochemical cell 1 of Example 5, a methane production test was conducted using the hydrocarbon production apparatus 100 in the same manner as in Example 1, and the produced gas was analyzed. The results are shown in Table 1 and Figure 10.
(実施例6)
実施例6として、酸化物イオン伝導体11の材料を、実施例1の8YSZに代えて、c軸配向性のリン酸塩系アパタイトであるCa9.00Na0.67(PO4)5(CO3)(H2O)(OH)1.67とした以外は、実施例5と同様にして、電気化学セル1を作製した。その際には、まず、原料として、リン酸カルシウムのみを、所望の量となるように秤量し、実施例5と同様にして、シート形成用の粉体とスラリーを調製して、樹脂シート上に塗工したシートを作製した。
Example 6
In Example 6, an electrochemical cell 1 was fabricated in the same manner as in Example 5, except that the material for the oxide ion conductor 11 was changed from 8YSZ in Example 1 to c-axis oriented phosphate apatite, Ca9.00Na0.67 ( PO4 ) 5 ( CO3 )( H2O )(OH) 1.67 . First, a desired amount of calcium phosphate alone was weighed as the raw material, and a powder and a slurry for forming a sheet were prepared in the same manner as in Example 5, and a sheet was fabricated by coating the powder and a slurry on a resin sheet.
その後、得られたシートの樹脂シートを剥離して、炭酸水素ナトリウム粉体に埋もれさせた。次いで、水蒸気を5%含むよう調整した大気雰囲気中、1300℃で50時間の熱処理を施した。このような気相-固相拡散工程により、リン酸カルシウムと炭酸水素ナトリウムとを反応させて、c軸配向性のリン酸塩系アパタイト型化合物を生成し、酸化物イオン伝導体11となる電解質シートを形成した。 The resin sheet was then peeled off from the resulting sheet, which was then embedded in sodium bicarbonate powder. The sheet was then heat-treated at 1,300°C for 50 hours in an air atmosphere adjusted to contain 5% water vapor. This gas-solid diffusion process caused calcium phosphate and sodium bicarbonate to react with each other, producing a c-axis-oriented phosphate-based apatite-type compound, forming an electrolyte sheet that would become the oxide ion conductor 11.
得られた電解質シートに、実施例1と同様にして、カソード2及びアノード3の材料を塗布し、焼成して、電気化学セル1を得た。この実施例6の電気化学セル1について、実施例1と同様に、炭化水素製造装置100を用いたメタン製造試験を行って、生成ガスを分析した。結果を表1、図10に併記する。 The materials for the cathode 2 and anode 3 were applied to the obtained electrolyte sheet in the same manner as in Example 1, and the sheet was fired to obtain an electrochemical cell 1. For the electrochemical cell 1 of Example 6, a methane production test was conducted using the hydrocarbon production apparatus 100 in the same manner as in Example 1, and the produced gas was analyzed. The results are shown in Table 1 and Figure 10.
(実施例7)
実施例7として、酸化物イオン伝導体11の材料を、実施例1の8YSZに代えて、無配向のアパタイト型複合酸化物であるLa9.3Si5.3B0.7O25とした以外は、実施例1と同様にして、電気化学セル1を作製した。その際には、まず、原料となる構成元素の単一酸化物を、所望の組成となるように秤量し、ボールミル混合を行った後に、乾燥させて得た乾燥粉体を熱処理して、シート形成用の複合酸化物の粉体を得た。この複合酸化物粉体を用いて、実施例1の8YSZと同様にして、スラリーを調製し、樹脂シート上に塗工した。次いで、樹脂シートを剥離し、大気雰囲気中、1600℃で2時間の焼成を行って、酸化物イオン伝導体11となる電解質シートを形成した。
Example 7
In Example 7, an electrochemical cell 1 was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the material for the oxide ion conductor 11 was replaced with a non-oriented apatite-type composite oxide, La9.3Si5.3B0.7O25 , instead of 8YSZ in Example 1. First, the single oxides of the constituent elements used as raw materials were weighed to obtain the desired composition, ball milled, and then dried to obtain a dried powder, which was then heat-treated to obtain a composite oxide powder for sheet formation. Using this composite oxide powder, a slurry was prepared in the same manner as in Example 1 for 8YSZ, and the slurry was applied to a resin sheet. The resin sheet was then peeled off, and the resulting mixture was fired in an air atmosphere at 1600°C for 2 hours to form an electrolyte sheet for the oxide ion conductor 11.
得られた電解質シートに、実施例1と同様にして、カソード2及びアノード3の材料を塗布し、焼成して、電気化学セル1を得た。この実施例7の電気化学セル1について、実施例1と同様に、炭化水素製造装置100を用いたメタン製造試験を行って、生成ガスを分析した。結果を表1、図10に併記する。 The materials for the cathode 2 and anode 3 were applied to the obtained electrolyte sheet in the same manner as in Example 1, and the sheet was fired to obtain an electrochemical cell 1. For the electrochemical cell 1 of Example 7, a methane production test was conducted using the hydrocarbon production apparatus 100, as in Example 1, and the produced gas was analyzed. The results are shown in Table 1 and Figure 10.
(実施例8)
実施例8として、酸化物イオン伝導体11の材料を、実施例1の8YSZに代えて、c軸配向性のアパタイト型複合酸化物であるLa9.3Si5.3B0.7O25とした以外は、実施例1と同様にして、電気化学セル1を作製した。その際には、原料として、Bを除く構成元素の単一酸化物を、所望の組成となるように秤量し、ボールミル混合を行った後に、乾燥させて得た乾燥粉体を熱処理して、シート形成用の前駆体粉体を得た。この前駆体粉体を用いて、実施例1の8YSZと同様にして、スラリーを調製し、樹脂シート上に塗工した。次いで、樹脂シートを剥離し、大気雰囲気中、1600℃で2時間の焼成を行った。
(Example 8)
In Example 8, an electrochemical cell 1 was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the material for the oxide ion conductor 11 was a c-axis-oriented apatite-type composite oxide, La9.3Si5.3B0.7O25 , instead of 8YSZ in Example 1. In this case, as raw materials, single oxides of the constituent elements excluding B were weighed out to obtain the desired composition, ball milled, and then dried to obtain a dried powder, which was then heat-treated to obtain a precursor powder for sheet formation. Using this precursor powder, a slurry was prepared in the same manner as in Example 1 for 8YSZ, and the slurry was applied to a resin sheet. The resin sheet was then peeled off, and the resulting mixture was fired in air at 1600°C for 2 hours.
その後、得られたシートの樹脂シートを剥離して、酸化ホウ素(B2O3)蒸気雰囲気中、1550℃で50時間の熱処理を施した。このような気相-固相拡散工程により、前駆体と酸化ホウ素とを反応させて、c軸配向性のアパタイト型複合酸化物を生成し、酸化物イオン伝導体11となる電解質シートを形成した。 The resin sheet was then peeled off from the resulting sheet, and the sheet was subjected to a heat treatment in a boron oxide (B 2 O 3 ) vapor atmosphere at 1550° C. for 50 hours. Through this gas-solid diffusion process, the precursor reacted with boron oxide to generate a c-axis oriented apatite-type composite oxide, and an electrolyte sheet serving as the oxide ion conductor 11 was formed.
得られた電解質シートに、実施例1と同様にして、カソード2及びアノード3の材料を塗布し、焼成して、電気化学セル1を得た。この実施例6の電気化学セル1について、実施例1と同様に、炭化水素製造装置100を用いたメタン製造試験を行って、生成ガスを分析した。結果を表1、図10に併記する。 The materials for the cathode 2 and anode 3 were applied to the obtained electrolyte sheet in the same manner as in Example 1, and the sheet was fired to obtain an electrochemical cell 1. For the electrochemical cell 1 of Example 6, a methane production test was conducted using the hydrocarbon production apparatus 100 in the same manner as in Example 1, and the produced gas was analyzed. The results are shown in Table 1 and Figure 10.
(実施例9)
実施例9として、複合酸化物層2Bの材料を、実施例1のランタン系複合酸化物に代えて、セリア系複合酸化物であるCe0.75Co0.2Fe0.05O2とした(表1中に、Ce(Co,Fe)Oとして示す)以外は、実施例1と同様にして、電気化学セル1を作製した。セリア系複合酸化物は、原料として、構成元素の単一酸化物を用い、実施例1の複合酸化物材料と同様の製造工程により、原料の混合、乾燥、熱処理を行って、セリア系複合酸化物の粉体を得た。
Example 9
In Example 9, an electrochemical cell 1 was produced in the same manner as in Example 1, except that the material of the complex oxide layer 2B was changed to a ceria-based complex oxide, Ce0.75Co0.2Fe0.05O2 (shown as Ce( Co ,Fe) O in Table 1), instead of the lanthanum-based complex oxide of Example 1. The ceria-based complex oxide was produced using single oxides of the constituent elements as raw materials, and the raw materials were mixed, dried, and heat-treated in the same production process as for the complex oxide material of Example 1, to obtain a ceria-based complex oxide powder.
得られた複合酸化物の粉体を用い、実施例1と同様にして、複合酸化物層2Bの形成材料となる印刷用ペーストを準備した。実施例1と同様の8YSZを用いた電解質シートに、準備した印刷用ペーストを含むカソード2及びアノード3の材料を塗布し、焼成して、電気化学セル1を得た。この実施例9の電気化学セル1について、実施例1と同様に、炭化水素製造装置100を用いたメタン製造試験を行って、生成ガスを分析した。結果を表1、図10に併記する。 Using the obtained composite oxide powder, a printing paste was prepared as a material for forming the composite oxide layer 2B in the same manner as in Example 1. Materials for the cathode 2 and anode 3, including the prepared printing paste, were applied to an electrolyte sheet using the same 8YSZ as in Example 1, and the sheet was fired to obtain an electrochemical cell 1. For this electrochemical cell 1 of Example 9, a methane production test was conducted using the hydrocarbon production apparatus 100, as in Example 1, and the produced gas was analyzed. The results are shown in Table 1 and Figure 10.
表1、図9の実施例5~8の結果に示されるように、酸化物イオン伝導体11の材料を、アパタイト型化合物とすることにより、メタン転化率を50%以上に向上させることができる。その場合には、無配向性のアパタイト型化合物よりもc軸配向性を有するアパタイト型化合物のメタン転化率が高くなり、70%以上のメタン転化率が得られた。また、リン酸塩系のアパタイト型化合物を用いた実施例5、6よりも、アパタイト型複合酸化物を用いた実施例7、8において、高いメタン転化率が得られた。また、実施例9の結果に示されるように、中間層2C及び複合酸化物層2Bを構成する第2粒子22の材料を、セリア系酸化物とすることにより、メタン転化率が90%に向上した。 As shown in the results of Examples 5 to 8 in Table 1 and Figure 9, using an apatite-type compound as the material for the oxide ion conductor 11 can improve the methane conversion rate to 50% or more. In this case, the methane conversion rate was higher for apatite-type compounds with c-axis orientation than for non-oriented apatite-type compounds, achieving a methane conversion rate of 70% or more. Furthermore, Examples 7 and 8, which used an apatite-type composite oxide, achieved a higher methane conversion rate than Examples 5 and 6, which used a phosphate-type apatite-type compound. Furthermore, as shown in the results of Example 9, using a ceria-based oxide as the material for the second particles 22 that make up the intermediate layer 2C and composite oxide layer 2B improved the methane conversion rate to 90%.
(実施例10)
実施例10として、実施例1と同様にして作製した電気化学セル1を、上記図7に示した炭化水素製造部10に取り付けて、メタン製造試験を行った。炭化水素製造部10は、ガス流通部101が二重筒状の構成を有しており、ガス流通部101のガス流れ方向は、カソード2に対して垂直な方向となるように接続した。表1に、ガス方向(ガス導入角度θ1/ガス導出角度θ2)は、90°/90°として示す。また、実施例1と同様にして、メタン製造試験を行った結果を、表1、図10に併記する。
Example 10
In Example 10, an electrochemical cell 1 fabricated in the same manner as in Example 1 was attached to the hydrocarbon production unit 10 shown in FIG. 7 above, and a methane production test was conducted. The hydrocarbon production unit 10 had a gas flow unit 101 with a double-cylindrical configuration, and was connected so that the gas flow direction of the gas flow unit 101 was perpendicular to the cathode 2. In Table 1, the gas direction (gas introduction angle θ1/gas discharge angle θ2) is shown as 90°/90°. The results of a methane production test conducted in the same manner as in Example 1 are also shown in Table 1 and FIG. 10.
表1、図10の結果に示されるように、実施例1と同じ構造の電気化学セル1に対して、ガス流れ方向を変更することにより、メタン転化率が52%に向上した。その理由は必ずしも明らかではないが、上記図9にて示したように、垂直方向からガス導入し、ガス導入方向と反対方向にガス導出することにより、加熱されやすい領域にメタン前駆体が滞留して、電解還元が効率よく進むものと推測される。 As shown in the results in Table 1 and Figure 10, by changing the gas flow direction for an electrochemical cell 1 with the same structure as in Example 1, the methane conversion rate improved to 52%. The reason for this is not entirely clear, but it is presumed that by introducing gas vertically and discharging it in the direction opposite to the gas introduction direction, as shown in Figure 9 above, the methane precursor remains in an area that is easily heated, allowing electrolytic reduction to proceed efficiently.
このように、電気化学セル1において、比率t1/tが1%ないしそれ以上である場合には、カソード2及び酸化物イオン伝導体11の材料を適切に選択し、あるいは、炭化水素製造部10のガス流通部101におけるガス流れ方向を、適切に設定することにより、実用上十分なメタン転化率を示す炭化水素製造装置100を実現することができる。 In this way, when the ratio t1/t in the electrochemical cell 1 is 1% or higher, by appropriately selecting the materials for the cathode 2 and the oxide ion conductor 11, or by appropriately setting the gas flow direction in the gas flow section 101 of the hydrocarbon production section 10, it is possible to realize a hydrocarbon production apparatus 100 that exhibits a methane conversion rate sufficient for practical use.
上記構成の電気化学セル1によれば、カソード2が、導電性金属層2Aと複合酸化物層2Bとの間に、中間層2Cを有する三層構造であることにより、単一の電気化学セル1にて炭化水素の生成が可能になる。導電性金属層2Aは、Agを主成分として含み、複合酸化物層2Bは、遷移金属元素を含む複合酸化物を主成分とすると共に、中間層2Cは、これら両方の構成成分を含むことにより、カソード2において高い触媒活性が得られる。また、このような電気化学セル1を用いることにより、実用性の高いて炭化水素製造装置を実現することが可能になる。 In the electrochemical cell 1 configured as described above, the cathode 2 has a three-layer structure with an intermediate layer 2C between the conductive metal layer 2A and the complex oxide layer 2B, making it possible to produce hydrocarbons using a single electrochemical cell 1. The conductive metal layer 2A contains Ag as its primary component, the complex oxide layer 2B is primarily composed of a complex oxide containing a transition metal element, and the intermediate layer 2C contains both of these components, resulting in high catalytic activity in the cathode 2. Furthermore, the use of such an electrochemical cell 1 makes it possible to realize a highly practical hydrocarbon production device.
本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、電気化学セル1を
用いた炭化水素製造部10を構成する場合に、複数の電気化学セル1を積層してもよい。また、炭化水素製造部10のガス流通部101の構成や、炭化水素製造部10を含む炭化水素製造装置100の構成は、上述した構成に限らず、用途等に応じて変更することができる。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be applied to various embodiments without departing from the gist of the present invention. For example, when configuring a hydrocarbon production unit 10 using an electrochemical cell 1, a plurality of electrochemical cells 1 may be stacked. Furthermore, the configuration of the gas distribution unit 101 of the hydrocarbon production unit 10 and the configuration of the hydrocarbon production apparatus 100 including the hydrocarbon production unit 10 are not limited to the configurations described above, and can be changed depending on the application, etc.
1 電気化学セル
11 酸化物イオン伝導体
12、13 面
2 カソード
3 アノード
21 第1粒子
22 第2粒子
2A 導電性金属層
2B 複合酸化物層
2C 中間層
REFERENCE SIGNS LIST 1 electrochemical cell 11 oxide ion conductor 12, 13 surface 2 cathode 3 anode 21 first particle 22 second particle 2A conductive metal layer 2B composite oxide layer 2C intermediate layer
Claims (9)
上記カソードは、
銀を主成分とする第1粒子(21)により構成され、二酸化炭素と水蒸気とを含む原料ガス(G)に接する導電性金属層(2A)と、
遷移金属元素を含む複合酸化物を主成分とする第2粒子(22)により構成され、上記酸化物イオン伝導体に接する複合酸化物層(2B)と、
上記導電性金属層と上記複合酸化物層との間に設けられ、上記第1粒子及び上記第2粒子により構成される中間層(2C)と、が積層された構造を有しており、
上記酸化物イオン伝導体は、無配向性又は配向性のアパタイト型化合物から選択される少なくとも一種にて構成されており、上記アパタイト型化合物は、リン酸塩系アパタイト型化合物、又は、アパタイト型複合酸化物である、電気化学セル。 An electrochemical cell (1) comprising an oxide ion conductor (11) and a cathode (2) and an anode (3) provided on two opposing surfaces (12, 13) of the oxide ion conductor,
The cathode is
a conductive metal layer (2A) made of first particles (21) mainly composed of silver and in contact with a raw material gas (G) containing carbon dioxide and water vapor;
a complex oxide layer (2B) formed of second particles (22) mainly composed of a complex oxide containing a transition metal element and in contact with the oxide ion conductor;
an intermediate layer (2C) provided between the conductive metal layer and the complex oxide layer and constituted by the first particles and the second particles ,
an electrochemical cell, wherein the oxide ion conductor is composed of at least one kind selected from non-oriented or oriented apatite-type compounds, and the apatite-type compound is a phosphate-based apatite-type compound or an apatite-type composite oxide .
上記カソードは、
銀を主成分とする第1粒子(21)により構成され、二酸化炭素と水蒸気とを含む原料ガス(G)に接する導電性金属層(2A)と、
遷移金属元素を含む複合酸化物を主成分とする第2粒子(22)により構成され、上記酸化物イオン伝導体に接する複合酸化物層(2B)と、
上記導電性金属層と上記複合酸化物層との間に設けられ、上記第1粒子及び上記第2粒子により構成される中間層(2C)と、が積層された構造を有しており、上記遷移金属元素を含む複合酸化物は、ランタン系複合酸化物又はセリア系複合酸化物である、電気化学セル。 An electrochemical cell (1) comprising an oxide ion conductor (11) and a cathode (2) and an anode (3) provided on two opposing surfaces (12, 13) of the oxide ion conductor,
The cathode is
a conductive metal layer (2A) made of first particles (21) mainly composed of silver and in contact with a raw material gas (G) containing carbon dioxide and water vapor;
a complex oxide layer (2B) formed of second particles (22) mainly composed of a complex oxide containing a transition metal element and in contact with the oxide ion conductor;
an intermediate layer (2C) formed of the first particles and the second particles and provided between the conductive metal layer and the complex oxide layer, wherein the complex oxide containing a transition metal element is a lanthanum-based complex oxide or a ceria-based complex oxide .
A9.3+x[T6.0-yMy]O26.0+z
(式中のAは、La、Ce、Y、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Yb、Lu、Be、Mg、Ca、Sr及びBaからなる群から選ばれた一種又は二種以上の元素であり、式中のTは、Si又はGe又はその両方を含む元素であり、式中のMは、Mg、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ga、Y、Zr、Ta、Nb、B、Ge、Zn、Sn、W及びMoからなる群から選ばれた一種又は二種以上の元素である。)で示され、
式中のxは-1.4以上1.5以下の数であり、
式中のyは0.0以上3.0以下の数であり、
式中のzは-5.0以上5.2以下の数であり、
式中のTのモル数に対するAのモル数の比率(A/T)が1.4以上3.7以下である、請求項1又は5に記載の電気化学セル。 The apatite-type composite oxide has the following formula:
A 9.3+x [T 6.0-y M y ]O 26.0+z
(A in the formula is one or more elements selected from the group consisting of La, Ce, Y, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, Lu, Be, Mg, Ca, Sr, and Ba; T in the formula is an element containing Si or Ge, or both; and M in the formula is one or more elements selected from the group consisting of Mg, Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Ga, Y, Zr, Ta, Nb, B, Ge, Zn, Sn, W, and Mo),
In the formula, x is a number between −1.4 and 1.5,
In the formula, y is a number of 0.0 or more and 3.0 or less,
In the formula, z is a number equal to or greater than −5.0 and equal to or less than 5.2,
6. The electrochemical cell according to claim 1 , wherein the ratio of the number of moles of A to the number of moles of T (A/T) in the formula is 1.4 or more and 3.7 or less.
筒状のガス流通部(101)の一端側を閉鎖するように上記電気化学セルが配置される炭化水素製造部(10)を備えており、
上記ガス流通部は、上記電気化学セルの上記カソードと対向して設けられるガス導入部(102)及びガス導出部(103)を有し、
上記ガス導入部は、上記カソードに対して垂直な方向をガス導入方向として、上記原料ガスを、上記カソードへ供給し、
上記ガス導出部は、上記ガス導入部の外周側に配置され、上記ガス導入方向と反対の方向を、ガス導出方向として、上記カソードにおける反応生成物を、上記ガス流通部の外部へ導出する、炭化水素製造装置。 A hydrocarbon production apparatus (100) using the electrochemical cell according to any one of claims 1 to 8,
a hydrocarbon production section (10) in which the electrochemical cell is arranged so as to close one end side of a cylindrical gas flow section (101);
the gas flow section has a gas inlet section (102) and a gas outlet section (103) provided opposite the cathode of the electrochemical cell,
the gas inlet section supplies the source gas to the cathode in a gas introduction direction perpendicular to the cathode;
The gas discharge section is disposed on the outer periphery of the gas inlet section, and discharges the reaction product at the cathode to the outside of the gas flow section in a gas discharge direction opposite to the gas inlet direction.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021166227A JP7770852B2 (en) | 2021-10-08 | 2021-10-08 | Electrochemical cells and hydrocarbon production equipment |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021166227A JP7770852B2 (en) | 2021-10-08 | 2021-10-08 | Electrochemical cells and hydrocarbon production equipment |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2023056800A JP2023056800A (en) | 2023-04-20 |
| JP7770852B2 true JP7770852B2 (en) | 2025-11-17 |
Family
ID=86005157
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2021166227A Active JP7770852B2 (en) | 2021-10-08 | 2021-10-08 | Electrochemical cells and hydrocarbon production equipment |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7770852B2 (en) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014183032A (en) | 2013-03-21 | 2014-09-29 | Toyota Central R&D Labs Inc | Electrode for energy-conversion device use, energy-conversion device arranged by use thereof, and energy conversion method |
| JP2018031034A (en) | 2016-08-23 | 2018-03-01 | 古河電気工業株式会社 | Electrode carrying metal-containing nanoparticles and carbon dioxide reduction apparatus |
| CN109939670A (en) | 2019-04-25 | 2019-06-28 | 碳能科技(北京)有限公司 | A kind of bismuthino composite catalyst and preparation method thereof for CO2 electroreduction formic acid |
| JP2019173131A (en) | 2018-03-29 | 2019-10-10 | 堺化学工業株式会社 | Electrode material for electrochemical reduction, electrode for electrochemical reduction, and electrochemical reduction device |
| JP2021008655A (en) | 2019-07-02 | 2021-01-28 | 株式会社デンソー | Energy conversion system |
| JP2021017468A (en) | 2019-07-18 | 2021-02-15 | 株式会社デンソー | Energy conversion system |
| JP2021025103A (en) | 2019-08-06 | 2021-02-22 | 三井金属鉱業株式会社 | Solid electrolyte conjugate |
| WO2021153503A1 (en) | 2020-01-27 | 2021-08-05 | 国立研究開発法人理化学研究所 | Cathode electrode, complex of cathode electrode and substrate, and method for manufacturing complex of cathode electrode and substrate |
-
2021
- 2021-10-08 JP JP2021166227A patent/JP7770852B2/en active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014183032A (en) | 2013-03-21 | 2014-09-29 | Toyota Central R&D Labs Inc | Electrode for energy-conversion device use, energy-conversion device arranged by use thereof, and energy conversion method |
| JP2018031034A (en) | 2016-08-23 | 2018-03-01 | 古河電気工業株式会社 | Electrode carrying metal-containing nanoparticles and carbon dioxide reduction apparatus |
| JP2019173131A (en) | 2018-03-29 | 2019-10-10 | 堺化学工業株式会社 | Electrode material for electrochemical reduction, electrode for electrochemical reduction, and electrochemical reduction device |
| CN109939670A (en) | 2019-04-25 | 2019-06-28 | 碳能科技(北京)有限公司 | A kind of bismuthino composite catalyst and preparation method thereof for CO2 electroreduction formic acid |
| JP2021008655A (en) | 2019-07-02 | 2021-01-28 | 株式会社デンソー | Energy conversion system |
| JP2021017468A (en) | 2019-07-18 | 2021-02-15 | 株式会社デンソー | Energy conversion system |
| JP2021025103A (en) | 2019-08-06 | 2021-02-22 | 三井金属鉱業株式会社 | Solid electrolyte conjugate |
| WO2021153503A1 (en) | 2020-01-27 | 2021-08-05 | 国立研究開発法人理化学研究所 | Cathode electrode, complex of cathode electrode and substrate, and method for manufacturing complex of cathode electrode and substrate |
| US20220356588A1 (en) | 2020-01-27 | 2022-11-10 | Riken | Cathode electrode, composite of cathode electrode and substrate, and method of manufacturing composite of cathode electrode and substrate |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2023056800A (en) | 2023-04-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Li et al. | Synergistic coupling of proton conductors BaZr0. 1Ce0. 7Y0. 1Yb0. 1O3− δ and La2Ce2O7 to create chemical stable, interface active electrolyte for steam electrolysis cells | |
| Rebollo et al. | Exceptional hydrogen permeation of all-ceramic composite robust membranes based on BaCe 0.65 Zr 0.20 Y 0.15 O 3− δ and Y-or Gd-doped ceria | |
| US20110195342A1 (en) | Solid oxide fuel cell reactor | |
| US8932781B2 (en) | Chemical compositions, methods of making the chemical compositions, and structures made from the chemical compositions | |
| Wang et al. | Improving the performance for direct electrolysis of CO 2 in solid oxide electrolysis cells with a Sr 1.9 Fe 1.5 Mo 0.5 O 6− δ electrode via infiltration of Pr 6 O 11 nanoparticles | |
| CN104078696B (en) | Solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof | |
| EP1554770A1 (en) | Ceramic anode solid oxide fuel cell | |
| Mulmi et al. | A perovskite-type Nd 0.75 Sr 0.25 Co 0.8 Fe 0.2 O 3− δ cathode for advanced solid oxide fuel cells | |
| Hwang et al. | Triple-component composite cathode for performance optimization of protonic ceramic fuel cells | |
| JP4583810B2 (en) | Proton conductive ceramics and method for producing the same | |
| Wang et al. | Highly selective reduction of CO2 through a protonic ceramic electrochemical cell | |
| Zhao et al. | Carbonates formed during BSCF preparation and their effects on performance of SOFCs with BSCF cathode | |
| Lee et al. | Enhancing CO 2 electrolysis performance with various metal additives (Co, Fe, Ni, and Ru)–decorating the La (Sr) Fe (Mn) O 3 cathode in solid oxide electrolysis cells | |
| Wang et al. | A robust high-entropy perovskite fuel electrode for direct CO2 electrolysis on air electrode-supported solid oxide electrolysis cells | |
| CA2642544C (en) | Proton conductive electrolyte and electrochemical cell having the same | |
| US20150232334A1 (en) | Oxygen-permeable film | |
| Shen et al. | Preparation and electrochemical properties of Ni–La2-xMgxCe2O7-δ hydrogen-separation membrane | |
| Tang et al. | Tuning the proton concentration and uptake kinetics of BaFeO 3-based oxygen electrodes for reversible protonic ceramic fuel cells | |
| CN100349646C (en) | A two-phase mixed conductor oxygen-permeable membrane and its preparation method | |
| JP4931361B2 (en) | Fuel cell and fuel cell | |
| JP4931362B2 (en) | Fuel cell and fuel cell | |
| JP7770852B2 (en) | Electrochemical cells and hydrocarbon production equipment | |
| CN117999679A (en) | Electrodes and electrochemical cells | |
| Yang et al. | Co-precipitation process as an effective and viable route for proton-conducting solid oxide fuel cell applications | |
| JP7055473B2 (en) | Electrodes for solid oxide fuel cells and solid oxide fuel cells using them |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20240611 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20250319 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20250507 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20250630 |
|
| 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: 20251007 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20251105 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7770852 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |