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JP7799736B2 - Solid oxide electrolysis cells and their uses - Google Patents
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JP7799736B2 - Solid oxide electrolysis cells and their uses - Google Patents

Solid oxide electrolysis cells and their uses

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JP7799736B2 JP2024052005A JP2024052005A JP7799736B2 JP 7799736 B2 JP7799736 B2 JP 7799736B2 JP 2024052005 A JP2024052005 A JP 2024052005A JP 2024052005 A JP2024052005 A JP 2024052005A JP 7799736 B2 JP7799736 B2 JP 7799736B2
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Description

本開示は、固体酸化物形電解セルおよびその利用に関する。 This disclosure relates to solid oxide electrolysis cells and their uses.

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う固体酸化物形の燃料電池(以下、「SOFC」という。)が知られている。例えば、特許文献1に記載のSOFCの構成単位である燃料電池の単セルは、固体酸化物を含む電解質層と、電解質層に対して一方側に配置された空気極と、電解質層に対して他方側に配置された燃料極とを備える。空気極に供給された酸素から解離された酸素イオンが、固体電解質の酸素伝導度に基づいて燃料極に移動し、燃料極に供給される燃料ガスに含まれる水素と反応し水蒸気を生成するとともに電気を発生する。 Solid oxide fuel cells (hereinafter referred to as "SOFCs") are known that generate electricity using the electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. For example, a single fuel cell, which is a constituent unit of an SOFC described in Patent Document 1, comprises an electrolyte layer containing solid oxide, an air electrode located on one side of the electrolyte layer, and a fuel electrode located on the other side of the electrolyte layer. Oxygen ions dissociated from oxygen supplied to the air electrode migrate to the fuel electrode based on the oxygen conductivity of the solid electrolyte, and react with hydrogen contained in the fuel gas supplied to the fuel electrode to produce water vapor and generate electricity.

上記のSOFCは、逆向きに通電することにより、固体酸化物形電解セル(以下、単に「SOEC」という。)として用いることが可能であり、再生可能エネルギーの導入過程で課題となっている余剰電力等を用いて水蒸気を水素に変換する形態の蓄エネルギー技術として用いられることが知られている。燃料極に水蒸気を供給するとともに、空気極と燃料極の間に電流を流すと、水蒸気が電気分解され燃料極から水素が発生し、燃料極で生成した酸素イオンが固体電解質の酸素伝導度に基づいて空気極に移動し、空気極から酸素が発生する。 The above-mentioned SOFC can be used as a solid oxide electrolysis cell (hereinafter simply referred to as "SOEC") by passing current in the reverse direction, and is known to be used as an energy storage technology that converts water vapor into hydrogen using surplus electricity, which is an issue in the process of introducing renewable energy. When water vapor is supplied to the fuel electrode and an electric current is passed between the air electrode and the fuel electrode, the water vapor is electrolyzed, generating hydrogen from the fuel electrode. Oxygen ions generated at the fuel electrode migrate to the air electrode due to the oxygen conductivity of the solid electrolyte, and oxygen is generated from the air electrode.

特開2023-080459号公報JP 2023-080459 A

SOFCは、反応の際に発熱する。このため、SOFCは温度が上昇する傾向にある。これに対し、SOECは、運転開始時から熱中立点に到達する間において温度が下降する傾向となる時が存在する。このため、SOFCは温度上昇により空気極が膨張することによって空気極にクラックが発生する虞があるのに対し、SOECは温度下降により空気極が収縮することによって空気極にクラックが発生する虞がある。 SOFCs generate heat during the reaction. For this reason, the temperature of SOFCs tends to rise. In contrast, there are times when the temperature of SOECs tends to fall between the start of operation and reaching the thermal neutral point. For this reason, with SOFCs, the air electrode may expand as the temperature rises, which can cause cracks to form in the air electrode, while with SOECs, the air electrode may shrink as the temperature drops, which can cause cracks to form in the air electrode.

本開示は、以下の形態として実現することができる。 This disclosure can be realized in the following forms:

(1)本開示の一形態によれば、固体酸化物形電解セルが提供される。この固体酸化物形電解セルは、空気極と、燃料極と、前記空気極と前記燃料極との間に配置された固体電解質層と、を備え、前記空気極の周縁は、一部又は全周において、凹凸が交互に繰り返す凹凸部を有し、前記凹凸部において、頂部と底部はいずれも円弧状であり、前記底部の円弧半径R2に対する前記頂部の円弧半径R1の割合(R1/R2)は、3.0以上である。この形態の固体酸化物形電解セルによれば、空気極の周縁へのクラックの発生を抑制することができる。 (1) According to one embodiment of the present disclosure, a solid oxide electrolysis cell is provided. This solid oxide electrolysis cell includes an air electrode, an anode, and a solid electrolyte layer disposed between the air electrode and the anode. The air electrode has an uneven portion with alternating concave and convex portions along a portion or the entire periphery, and the top and bottom of the uneven portion are both arc-shaped, and the ratio (R1/R2) of the arc radius R1 of the top to the arc radius R2 of the bottom is 3.0 or greater. This embodiment of the solid oxide electrolysis cell can suppress the occurrence of cracks on the periphery of the air electrode.

(2)上記(1)に記載の固体酸化物形電解セルにおいて、前記凹凸部が、前記空気極の少なくとも1辺に存在してもよい。この形態の固体酸化物形電解セルによれば、空気極の周縁へのクラックの発生を効率的に抑制することができる。 (2) In the solid oxide electrolysis cell described in (1) above, the uneven portion may be present on at least one side of the air electrode. With this type of solid oxide electrolysis cell, the occurrence of cracks on the periphery of the air electrode can be efficiently suppressed.

(3)上記(2)に記載の固体酸化物形電解セルにおいて、前記凹凸部が、前記1辺に2箇所以上に存在してもよい。この形態の固体酸化物形電解セルによれば、空気極の周縁へのクラックの発生を効率的に抑制することができる。 (3) In the solid oxide electrolysis cell described in (2) above, the uneven portion may be present in two or more locations on one side. With a solid oxide electrolysis cell of this configuration, the occurrence of cracks on the periphery of the air electrode can be efficiently suppressed.

(4)上記(1)から(3)までのいずれか一項に記載の固体酸化物形電解セルにおいて、前記凹凸部が、酸素を含むガスの流れに対し、少なくとも上流側の1辺に存在してもよい。この形態の固体酸化物形電解セルによれば、空気極の周縁へのクラックの発生を効率的に抑制することができる。 (4) In the solid oxide electrolysis cell described in any one of (1) to (3) above, the uneven portion may be present on at least one side on the upstream side with respect to the flow of oxygen-containing gas. With this type of solid oxide electrolysis cell, the occurrence of cracks on the periphery of the air electrode can be efficiently suppressed.

(5)上記(1)から(4)までのいずれか一項に記載の固体酸化物形電解セルにおいて、前記燃料極には、水蒸気を含む燃料ガスが、100~130リットル/(分・cm)の流量で供給されて用いられてもよい。この形態の固体酸化物形電解セルによれば、空気極の周縁へのクラックの発生を効率的に抑制することができる。 (5) In the solid oxide electrolysis cell according to any one of (1) to (4) above, a fuel gas containing water vapor may be supplied to the fuel electrode at a flow rate of 100 to 130 liters/min·cm 2. This solid oxide electrolysis cell can efficiently prevent cracks from occurring on the periphery of the air electrode.

(6)上記(1)から(5)までのいずれか一項に記載の固体酸化物形電解セルにおいて、前記空気極には、酸素を含むガスが、30~50リットル/(分・cm)の流量で供給されて用いられてもよい。この形態の固体酸化物形電解セルによれば、空気極の周縁へのクラックの発生を効率的に抑制することができる。 (6) In the solid oxide electrolysis cell according to any one of (1) to (5) above, an oxygen-containing gas may be supplied to the air electrode at a flow rate of 30 to 50 liters/min·cm 2. This solid oxide electrolysis cell can efficiently prevent cracks from occurring on the periphery of the air electrode.

(7)上記(1)から(6)までのいずれか一項に記載の固体酸化物形電解セルにおいて、前記空気極が面する空気室の容積が、9cm~11cmであってもよい。この形態の固体酸化物形電解セルによれば、空気極の周縁へのクラックの発生を効率的に抑制することができる。 (7) In the solid oxide electrolysis cell according to any one of (1) to (6) above, the volume of the air chamber facing the air electrode may be 9 cm 3 to 11 cm 3. The solid oxide electrolysis cell of this configuration can efficiently suppress the occurrence of cracks on the periphery of the air electrode.

(8)本開示の他の形態によれば、上記(1)から上記(7)までのいずれか一項に記載の固体酸化物形電解セルと、前記固体電解質層に配置される、中央が開口したセパレータと、を備える、セパレータ付きセルが提供される。この形態のセパレータ付きセルによれば、空気極の周縁へのクラックの発生を効率的に抑制することができる。 (8) According to another aspect of the present disclosure, there is provided a cell with a separator, comprising the solid oxide electrolysis cell described in any one of (1) to (7) above and a separator with a central opening that is disposed on the solid electrolyte layer. This aspect of the cell with a separator can efficiently suppress the occurrence of cracks on the periphery of the air electrode.

(9)本開示の他の形態によれば、上記(1)から上記(7)までのいずれか一項に記載の固体酸化物形電解セルを複数積層した電解スタックが提供される。この形態の電解スタックによれば、空気極の周縁へのクラックの発生を効率的に抑制することができる。なお、上記(1)から上記(7)までのいずれか一項に記載の固体酸化物形電解セルを複数積層する際、全ての固体酸化物形電解セルを用いても良いが、電解スタックの使用環境等により、比較的クラックが発生しやすい部位に用いてもよい。 (9) According to another aspect of the present disclosure, there is provided an electrolysis stack in which a plurality of solid oxide electrolysis cells described in any one of (1) to (7) above are stacked. With this form of electrolysis stack, it is possible to efficiently suppress the occurrence of cracks on the periphery of the air electrode. When a plurality of solid oxide electrolysis cells described in any one of (1) to (7) above are stacked, all of the solid oxide electrolysis cells may be used, or they may be used in areas where cracks are relatively likely to occur depending on the usage environment of the electrolysis stack, etc.

(10)本開示の他の形態によれば、上記(9)に記載の電解スタックと、前記電解スタックに供給される水蒸気を生成する気化器と、前記電解スタックに供給されるガスとの間で熱交換を行う熱交換器と、前記電解スタックを加熱するためのヒータと、前記電解スタック、前記気化器、前記熱交換器および前記ヒータが内部に配置される断熱材と、を備える、ホットモジュールが提供される。この形態のホットモジュールによれば、空気極の周縁へのクラックの発生を効率的に抑制することができる。 (10) According to another aspect of the present disclosure, there is provided a hot module comprising the electrolysis stack described in (9) above, a vaporizer that generates water vapor to be supplied to the electrolysis stack, a heat exchanger that exchanges heat with the gas supplied to the electrolysis stack, a heater for heating the electrolysis stack, and a thermal insulator in which the electrolysis stack, the vaporizer, the heat exchanger, and the heater are disposed. This aspect of the hot module can efficiently suppress the occurrence of cracks on the periphery of the air electrode.

(11)本開示の他の形態によれば、上記(10)に記載のホットモジュールを備える水素製造装置が提供される。この形態の水素製造装置によれば、空気極の周縁へのクラックの発生を効率的に抑制することができる。 (11) According to another aspect of the present disclosure, there is provided a hydrogen production device including the hot module described in (10) above. This aspect of the hydrogen production device can efficiently prevent cracks from occurring on the periphery of the air electrode.

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、固体酸化物形電解セルの製造方法等の形態で実現することができる。 The present invention can be realized in various forms, such as a method for manufacturing a solid oxide electrolysis cell.

本開示の一実施形態としての電解スタックの外観構成を示す斜視図。1 is a perspective view showing an external configuration of an electrolysis stack according to an embodiment of the present disclosure; 図1のII-II線において切断した電解スタックの分解模式図。FIG. 2 is an exploded schematic view of the electrolysis stack taken along line II-II in FIG. 1 . セパレータ付きセルの上面模式図。Schematic top view of a cell with a separator. 水素製造装置のブロック図。Block diagram of a hydrogen production device. 凹凸部を説明するための概略図。FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a concave-convex portion. 凹凸部の形状を説明するための概略図。FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the shape of the concave and convex portions. 凹凸部の他の例を説明するための概略図。FIG. 10 is a schematic diagram for explaining another example of the concave-convex portion. 凹凸部の他の例を説明するための概略図。FIG. 10 is a schematic diagram for explaining another example of the concave-convex portion.

図1は、本開示の一実施形態としての電解スタック10の外観構成を示す斜視図である。本実施形態における電解スタック10は、固体酸化物形電解セル(Solid Oxide Electrolysis Cell:SOEC)のスタックである。図1では、電解スタック10の構成の一例を示している。 Figure 1 is a perspective view showing the external configuration of an electrolysis stack 10 according to one embodiment of the present disclosure. In this embodiment, the electrolysis stack 10 is a stack of solid oxide electrolysis cells (SOECs). Figure 1 shows an example of the configuration of the electrolysis stack 10.

電解スタック10は、厚さ方向に複数重ね合せた四角形の反応単位11と、反応単位11を厚さ方向に挟む略四角形のエンドプレート12,13と、を含む。電解スタック10の周縁の四隅には、エンドプレート12と反応単位11とエンドプレート13とを厚さ方向に貫通するボルト14が配置されている。反応単位11およびエンドプレート12,13は、ボルト14によって締結されている。 The electrolysis stack 10 includes a plurality of rectangular reaction units 11 stacked in the thickness direction, and approximately rectangular end plates 12 and 13 that sandwich the reaction units 11 in the thickness direction. Bolts 14 are arranged at the four corners of the periphery of the electrolysis stack 10, penetrating the end plates 12, reaction units 11, and end plates 13 in the thickness direction. The reaction units 11 and end plates 12 and 13 are fastened together by the bolts 14.

電解スタック10は、エンドプレート12と反応単位11との間に配置されたターミナルプレート52と、エンドプレート13と反応単位11との間に配置されたターミナルプレート53と、を備えている。複数の反応単位11は、ターミナルプレート52,53の間に直列に接続されている。ターミナルプレート52,53の張り出し部分は端子として機能する。ターミナルプレート52,53を省き、エンドプレート12,13に反応単位11を電気的に接続して、エンドプレート12,13を電解スタック10の端子にすることは当然可能である。 The electrolysis stack 10 includes a terminal plate 52 arranged between the end plate 12 and the reaction unit 11, and a terminal plate 53 arranged between the end plate 13 and the reaction unit 11. Multiple reaction units 11 are connected in series between the terminal plates 52, 53. The protruding portions of the terminal plates 52, 53 function as terminals. Of course, it is possible to omit the terminal plates 52, 53 and electrically connect the reaction units 11 to the end plates 12, 13, thereby using the end plates 12, 13 as terminals for the electrolysis stack 10.

電解スタック10の周縁部には、厚さ方向に貫通する4本の空間が形成されている。この4本の空間は、電解スタック10の外から反応単位11の燃料室33(後述する)へガスが入る通路15a、燃料室33から電解スタック10の外へガスが出る通路15b、電解スタック10の外から反応単位11の空気室35(後述する)へガスが入る通路15c、空気室35から電解スタック10の外へガスが出る通路15dとしてそれぞれ機能する。 Four spaces are formed around the periphery of the electrolysis stack 10, penetrating it in the thickness direction. These four spaces function as a passage 15a through which gas enters the fuel chamber 33 (described below) of the reaction unit 11 from outside the electrolysis stack 10, a passage 15b through which gas exits the fuel chamber 33 from the electrolysis stack 10, a passage 15c through which gas enters the air chamber 35 (described below) of the reaction unit 11 from outside the electrolysis stack 10, and a passage 15d through which gas exits the air chamber 35 from the electrolysis stack 10.

図2は、通路15a,15bを通る図1のII-II線において切断した電解スタック10の分解模式図である。図2では、一つの反応単位11を構成する部品を厚さ方向に離した、II-II線における断面模式図を示している。反応単位11は、厚さ方向に順に、インターコネクタ16、燃料極フレーム17、セパレータ付きセル47、空気極フレーム19を含む。なお、図2では、各部の厚さが誇張されて図示されている。インターコネクタ16、燃料極フレーム17、セパレータ30および空気極フレーム19には、孔(通路15a,15b,15c,15d)が貫通している。セパレータ30は、空気極29を避けて、後述する固体電解質層24の表面24aに、ろう材31によって気密に接合されている。 Figure 2 is an exploded schematic diagram of the electrolysis stack 10 cut along line II-II in Figure 1, which passes through the passages 15a and 15b. Figure 2 shows a schematic cross-sectional view along line II-II, with the components constituting one reaction unit 11 separated in the thickness direction. The reaction unit 11 includes, in order in the thickness direction, an interconnector 16, an anode frame 17, a separator-equipped cell 47, and an air electrode frame 19. Note that the thickness of each part is exaggerated in Figure 2. Holes (passages 15a, 15b, 15c, and 15d) penetrate the interconnector 16, anode frame 17, separator 30, and air electrode frame 19. The separator 30 is hermetically joined to the surface 24a of the solid electrolyte layer 24 (described later) with brazing filler metal 31, avoiding the air electrode 29.

図3は、セパレータ付きセル47の上面模式図である。セパレータ付きセル47は、電解セル20と、電解セル20に配置されたセパレータ30と、を含む。電解セル20については、後述する。 Figure 3 is a schematic top view of a separator-equipped cell 47. The separator-equipped cell 47 includes an electrolysis cell 20 and a separator 30 disposed in the electrolysis cell 20. The electrolysis cell 20 will be described later.

セパレータ30は、後述する空気極29よりも大きい開口37が設けられた略四角形の枠状の部材である。セパレータ30の材料としては、ステンレス鋼が例示される。 The separator 30 is a roughly rectangular frame-shaped member with an opening 37 that is larger than the air electrode 29 described below. An example of a material for the separator 30 is stainless steel.

インターコネクタ16は、電解セル20の厚さ方向の両端に配置されている。インターコネクタ16は、導電性を有する略四角形の板状の部材によって形成されている。インターコネクタ16は、厚さ方向に隣り合う反応単位11間を電気的に接続する。インターコネクタ16の材料としては、ステンレス鋼が例示される。 The interconnectors 16 are arranged at both ends of the electrolysis cell 20 in the thickness direction. The interconnectors 16 are formed from conductive, approximately rectangular plate-shaped members. The interconnectors 16 electrically connect adjacent reaction units 11 in the thickness direction. Stainless steel is an example of a material for the interconnectors 16.

燃料極フレーム17は、インターコネクタ16とセパレータ30との間に配置された略四角形の枠状の部材である。燃料極フレーム17の材料としては、ステンレス鋼が例示される。燃料極フレーム17は、電解セル20と、インターコネクタ16の中央に設けられた集電体32と、を囲んでいる。 The fuel electrode frame 17 is a roughly rectangular frame-shaped member positioned between the interconnector 16 and the separator 30. Stainless steel is an example of the material for the fuel electrode frame 17. The fuel electrode frame 17 surrounds the electrolysis cell 20 and the current collector 32 located in the center of the interconnector 16.

集電体32は、燃料極21とインターコネクタ16とを電気的に接続する。集電体32の材料としては、ガス透過性を有するNi等の金属製の多孔体が例示される。燃料極フレーム17の内側には、インターコネクタ16と燃料極フレーム17とセパレータ30とに囲まれた燃料室33が形成されている。 The current collector 32 electrically connects the fuel electrode 21 and the interconnector 16. Examples of materials for the current collector 32 include a gas-permeable porous body made of a metal such as Ni. Inside the fuel electrode frame 17, a fuel chamber 33 is formed, surrounded by the interconnector 16, the fuel electrode frame 17, and the separator 30.

空気極フレーム19は、インターコネクタ16とセパレータ30との間に配置された略四角形の枠状の部材である。空気極フレーム19の材料としては、マイカ等の絶縁体が例示される。空気極フレーム19は、インターコネクタ16の中央に設けられた集電体34を囲んでいる。集電体34は、空気極29とインターコネクタ16とを電気的に接続する。本実施形態の集電体34は、インターコネクタ16と一体に形成されているが、これに限られるものではない。集電体34をインターコネクタ16と別の部材にすることは当然可能である。 The air electrode frame 19 is a substantially rectangular frame-shaped member disposed between the interconnector 16 and the separator 30. Examples of materials for the air electrode frame 19 include an insulator such as mica. The air electrode frame 19 surrounds the current collector 34 located in the center of the interconnector 16. The current collector 34 electrically connects the air electrode 29 and the interconnector 16. In this embodiment, the current collector 34 is formed integrally with the interconnector 16, but this is not limited to this. It is of course possible for the current collector 34 to be a separate member from the interconnector 16.

空気極フレーム19の内側には、インターコネクタ16と空気極フレーム19とセパレータ30とに囲まれた空気室35が形成されている。セパレータ30は、燃料室33と空気室35とを隔離し、燃料室33内の燃料ガスと空気室35内の酸化剤ガス(酸素、空気等)とが混ざらないようにする。 An air chamber 35 is formed inside the air electrode frame 19, surrounded by the interconnector 16, the air electrode frame 19, and the separator 30. The separator 30 separates the fuel chamber 33 from the air chamber 35, preventing the fuel gas in the fuel chamber 33 from mixing with the oxidizer gas (oxygen, air, etc.) in the air chamber 35.

図4を参照して電解スタック10を備える水素製造装置60およびホットモジュール61を説明する。図4は、水素製造装置60のブロック図である。水素製造装置60は、水から水素を製造する装置であり、ホットモジュール61を備えている。 The hydrogen production device 60 equipped with the electrolysis stack 10 and the hot module 61 will be described with reference to Figure 4. Figure 4 is a block diagram of the hydrogen production device 60. The hydrogen production device 60 is a device that produces hydrogen from water and is equipped with a hot module 61.

ホットモジュール61は、電解スタック10と、電解スタック10に供給される水蒸気を生成する気化器62と、電解スタック10に供給されるガスと電解スタック10が生成したガスとの間で熱交換を行う熱交換器63と、電解スタック10を加熱するヒータ64と、を備えている。ホットモジュール61は、放熱の低減のため、電解スタック10、気化器62、熱交換器63およびヒータ64が、断熱材65の内部に配置されている。 The hot module 61 includes the electrolysis stack 10, a vaporizer 62 that generates steam supplied to the electrolysis stack 10, a heat exchanger 63 that exchanges heat between the gas supplied to the electrolysis stack 10 and the gas generated by the electrolysis stack 10, and a heater 64 that heats the electrolysis stack 10. To reduce heat radiation, the hot module 61 has the electrolysis stack 10, vaporizer 62, heat exchanger 63, and heater 64 arranged inside a thermal insulator 65.

気化器62は、電解スタック10が生成した酸素を含む高温のガスと熱交換する熱交換器を含み、水を加熱して水蒸気を作る。気化器62が生成した水蒸気には、燃料極21に含まれる触媒の酸化を低減する水素が含まれる。水素を含む水蒸気は、熱交換器63により、電解スタック10が生成した水素および酸素と熱交換した後、ヒータ64により電解スタック10の運転温度まで加熱され、電解スタック10の燃料室33へ供給される。空気は、熱交換器63により、電解スタック10が生成した水素および酸素と熱交換した後、ヒータ64により電解スタック10の運転温度まで加熱され、電解スタック10の空気室35へ供給される。 The vaporizer 62 includes a heat exchanger that exchanges heat with the high-temperature oxygen-containing gas produced by the electrolysis stack 10, heating water to produce steam. The steam produced by the vaporizer 62 contains hydrogen, which reduces oxidation of the catalyst contained in the anode 21. The hydrogen-containing steam exchanges heat with the hydrogen and oxygen produced by the electrolysis stack 10 in the heat exchanger 63, is then heated to the operating temperature of the electrolysis stack 10 by the heater 64, and is supplied to the fuel chamber 33 of the electrolysis stack 10. The air exchanges heat with the hydrogen and oxygen produced by the electrolysis stack 10 in the heat exchanger 63, is then heated to the operating temperature of the electrolysis stack 10 by the heater 64, and is supplied to the air chamber 35 of the electrolysis stack 10.

断熱材65としては、セラミックウール、リフラクトリーセラミックファイバー(RCF)、生体溶解性繊維(AES)等の耐熱繊維、耐熱繊維で成形された耐熱容器が例示される。耐熱繊維は、電解スタック10、気化器62、熱交換器63およびヒータ64間の隙間を埋めている。凝縮器66は水素ガスを冷却する装置であり、液化した水は原料水として気化器62に供給される。 Examples of the insulating material 65 include heat-resistant fibers such as ceramic wool, refractory ceramic fiber (RCF), and biosoluble fiber (AES), as well as heat-resistant containers made from heat-resistant fibers. The heat-resistant fibers fill the gaps between the electrolysis stack 10, vaporizer 62, heat exchanger 63, and heater 64. The condenser 66 is a device that cools the hydrogen gas, and liquefied water is supplied to the vaporizer 62 as raw water.

(電解セル)
図2に示すように、電解セル20は、空気極29と、燃料極21と、空気極29と燃料極21との間に設けられた固体電解質層24と、を備える。本実施形態の電解セル20は、固体電解質層24と空気極29との間に反応防止層25を備えるが、反応防止層25は省略されていてもよい。また、本実施形態において、空気極29は、固体電解質層24から近い順に、空気極機能層26と、空気極集電層27と、を備える。電解セル20の厚みは、特に限定されないが、例えば、300μm~3mmであってもよい。電解セル20を上方からみた形状は、特に限定されないが、例えば、1辺が1~10cmの正方形、長辺が5~30cmで短辺が3~15cmの長方形、または直径が10cmの円形が挙げられる。複数の電解セル20がインターコネクタ16によって直列に接続されることによって、電解スタック10が形成される。
(Electrolytic cell)
As shown in FIG. 2 , the electrolysis cell 20 includes a cathode 29, an anode 21, and a solid electrolyte layer 24 disposed between the cathode 29 and the anode 21. The electrolysis cell 20 of this embodiment includes a reaction prevention layer 25 between the solid electrolyte layer 24 and the cathode 29, although the reaction prevention layer 25 may be omitted. Furthermore, in this embodiment, the cathode 29 includes, in order from the side closest to the solid electrolyte layer 24, a cathode functional layer 26 and a cathode current collecting layer 27. The thickness of the electrolysis cell 20 is not particularly limited, but may be, for example, 300 μm to 3 mm. The shape of the electrolysis cell 20 viewed from above is not particularly limited, but examples include a square with sides measuring 1 to 10 cm, a rectangle with long sides measuring 5 to 30 cm and short sides measuring 3 to 15 cm, or a circle with a diameter of 10 cm. A plurality of electrolysis cells 20 are connected in series by interconnectors 16 to form an electrolysis stack 10.

燃料極21は、酸化ニッケルと酸素イオン伝導性セラミックス粒子と、を材料として用いて形成されている。燃料極21の材料として用いられる酸化ニッケル(NiO)は、後述する還元工程を経ることによってニッケルとなる。本実施形態の燃料極21は、ニッケルとYSZ(イットリア安定化ジルコニア)とから構成される多孔質の薄板状の焼成体である。酸素イオン伝導性を有するセラミックス材料としては、YSZ(イットリア安定化ジルコニア:Yttria Stabilized Zirconia)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア:Scandia Stabilized Zirconia)、(Gd,Ce)OすなわちGDC(ガドリニウムドープセリア:Gadolinium doped Ceria)、(Sm,Ce)OすなわちSDC(サマリウムドープセリア:Samarium doped Ceria)、およびLaGaO(ランタンガレート)等が挙げられる。燃料極21に含有されるセラミックス材料は、1種類であってもよいし、2種類以上であってもよい。燃料極21の厚さは、特に限定されないが、例えば、0.3~3mmである。本実施形態では、電解セル20の各構成部材の厚さのうち燃料極21の厚さが最も大きく、燃料極21は、電解セル20の支持体(支持基板、最も剛性が高い部材)として機能している。 The anode 21 is formed using nickel oxide and oxygen ion conductive ceramic particles. The nickel oxide (NiO) used as the material for the anode 21 is converted to nickel through a reduction process described below. The anode 21 of this embodiment is a porous, thin-plate-shaped sintered body composed of nickel and YSZ (yttria-stabilized zirconia). Examples of ceramic materials having oxygen ion conductivity include YSZ (yttria-stabilized zirconia), ScSZ (scandia-stabilized zirconia), (Gd, Ce) O2 (i.e., GDC) (gadolinium-doped ceria), (Sm, Ce) O2 (i.e., SDC) (samarium-doped ceria), and LaGaO3 (lanthanum gallate). The anode 21 may contain one type of ceramic material or two or more types of ceramic materials. The thickness of the anode 21 is not particularly limited, but is, for example, 0.3 to 3 mm. In this embodiment, the anode 21 has the greatest thickness of all the components of the electrolysis cell 20, and functions as a support (support substrate, the member with the highest rigidity) for the electrolysis cell 20.

燃料極21は、電解セル20のカソードとして機能する。燃料極21は、固体電解質層24側から順に、燃料極機能層23と、燃料極基板層22と、を備える。本実施形態において、燃料極21は、固体電解質層24側から順に、燃料極機能層23と、燃料極機能層23よりも気孔率が大きい燃料極基板層22とを含んでいる。このようにすることにより、燃料極機能層23の強度を確保することができる。燃料極基板層22の厚みは、燃料極機能層23よりも厚いことが好ましい。燃料極機能層23の気孔率は特に限定されないが、例えば、30%以下が好ましく、25%以下がより好ましく、また、5%以上が好ましく、10%以上がより好ましい。燃料極基板層22の気孔率は特に限定されないが、例えば、50%以下が好ましく、40%以下がより好ましく、また、10%以上が好ましく、20%以上がより好ましい。なお、燃料極21は、燃料極機能層23および燃料極基板層22に代えて、一層によって形成されていてもよい。 The anode 21 functions as the cathode of the electrolysis cell 20. The anode 21 comprises, in order from the solid electrolyte layer 24 side, an anode functional layer 23 and an anode substrate layer 22. In this embodiment, the anode 21 comprises, in order from the solid electrolyte layer 24 side, an anode functional layer 23 and an anode substrate layer 22 having a higher porosity than the anode functional layer 23. This ensures the strength of the anode functional layer 23. The thickness of the anode substrate layer 22 is preferably thicker than that of the anode functional layer 23. The porosity of the anode functional layer 23 is not particularly limited, but is preferably, for example, 30% or less, more preferably 25% or less, and preferably 5% or more, and more preferably 10% or more. The porosity of the anode substrate layer 22 is not particularly limited, but is preferably, for example, 50% or less, more preferably 40% or less, and preferably 10% or more, and more preferably 20% or more. The anode 21 may be formed from a single layer instead of the anode functional layer 23 and the anode substrate layer 22.

燃料極基板層22は、遷移金属と酸素イオン伝導性物質とを含む多孔質の板状焼成体である。燃料極基板層22は、遷移金属として、ニッケル(Ni)を含んでもよい。燃料極基板層22は、酸素イオン伝導性物質として、イットリア安定化ジルコニア(8YSZ、10YSZなど)やスカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)などのジルコニア系材料や、ガドリニウムドープセリア(GDC:(Ce,Gd)O)やサマリウムドープセリア(SDC:(Ce, Sm)O)などのセリア系材料、或いはイットリア(Y)を含んでいてもよい。 The anode substrate layer 22 is a porous, plate-shaped sintered body containing a transition metal and an oxygen ion conductive material. The anode substrate layer 22 may contain nickel (Ni) as the transition metal. The anode substrate layer 22 may contain, as the oxygen ion conductive material, a zirconia-based material such as yttria-stabilized zirconia (8YSZ, 10YSZ, etc.) or scandia-stabilized zirconia (ScSZ), a ceria-based material such as gadolinium-doped ceria (GDC: (Ce, Gd)O 2 ) or samarium-doped ceria (SDC: (Ce, Sm) O 2 ), or yttria (Y 2 O 3 ).

燃料極基板層22の厚みは、例えば、0.2mm~5.0mmとすることができる。燃料極基板層22の厚みは、燃料極基板層22が基板として機能する場合には、電解セル20の各構成部材のうちで最も大きくてもよい。燃料極基板層22において、Niの体積比率は、例えば20~50体積%とすることができ、酸素イオン伝導性物質の体積比率は、例えば30~60体積%とすることができる。 The thickness of the anode substrate layer 22 can be, for example, 0.2 mm to 5.0 mm. When the anode substrate layer 22 functions as a substrate, the thickness of the anode substrate layer 22 may be the largest among the components of the electrolysis cell 20. In the anode substrate layer 22, the volume ratio of Ni can be, for example, 20 to 50 volume %, and the volume ratio of the oxygen ion conductive material can be, for example, 30 to 60 volume %.

燃料極機能層23は、燃料極基板層22および固体電解質層24の間に配置される。燃料極機能層23は、遷移金属と酸素イオン伝導性物質とを含む多孔質の板状焼成体である。燃料極機能層23は、遷移金属として、少なくともNiを含んでいる。燃料極機能層23は、遷移金属としてFe、あるいはCuをさらに含んでいてもよい。燃料極機能層23は、酸素イオン伝導性物質として、イットリア安定化ジルコニア(8YSZ、10YSZなど)やスカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)などのジルコニア系材料や、ガドリニウムドープセリア(GDC:(Ce,Gd)O)やサマリウムドープセリア(SDC:(Ce, Sm)O)などのセリア系材料を含む。 The anode functional layer 23 is disposed between the anode substrate layer 22 and the solid electrolyte layer 24. The anode functional layer 23 is a porous, sintered plate containing a transition metal and an oxygen ion conductive material. The anode functional layer 23 contains at least Ni as a transition metal. The anode functional layer 23 may further contain Fe or Cu as a transition metal. The anode functional layer 23 contains, as an oxygen ion conductive material, a zirconia-based material such as yttria-stabilized zirconia (8YSZ, 10YSZ, etc.) or scandia-stabilized zirconia (ScSZ), or a ceria-based material such as gadolinium-doped ceria (GDC: (Ce, Gd)O 2 ) or samarium-doped ceria (SDC: (Ce, Sm)O 2 ).

燃料極機能層23の厚みは、例えば、1.0μm~30μmとすることができる。燃料極機能層23において、Ni体積比率は、例えば30~60体積%とすることができ、酸素イオン伝導性物質の体積比率は、例えば40~70体積%とすることができる。 The thickness of the anode functional layer 23 can be, for example, 1.0 μm to 30 μm. In the anode functional layer 23, the Ni volume ratio can be, for example, 30 to 60 volume %, and the oxygen ion conductive material volume ratio can be, for example, 40 to 70 volume %.

固体電解質層24は、緻密な薄板状の焼成体である。固体電解質層24は、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、SDC(サマリウムドープセリア)、GDC(ガドリニウムドープセリア)、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。ペロブスカイト型酸化物としては、例えば、ペロブス力イト型構造を有するランタンガレート系酸化物が挙げられる。固体電解質層24の気孔率は、特に限定されないが、例えば、0~10%である。固体電解質層24の厚さは、特に限定されないが、例えば、0.5~30μmである。 The solid electrolyte layer 24 is a dense, thin-plate sintered body. The solid electrolyte layer 24 is formed from a solid oxide such as YSZ (yttria-stabilized zirconia), ScSZ (scandia-stabilized zirconia), SDC (samarium-doped ceria), GDC (gadolinium-doped ceria), or a perovskite-type oxide. Examples of perovskite-type oxides include lanthanum gallate-based oxides having a perovskite structure. The porosity of the solid electrolyte layer 24 is not particularly limited, but is, for example, 0 to 10%. The thickness of the solid electrolyte layer 24 is not particularly limited, but is, for example, 0.5 to 30 μm.

本実施形態では、固体電解質層24は、燃料極21と反応防止層25との間に配置される。固体電解質層24は、空気極29で生成される酸素イオンを透過させる機能を有する。固体電解質層24は、ジルコニウム(Zr)を含んでもよく、固体電解質層24は、Zrをジルコニア(ZrO)として含んでもよい。固体電解質層24は、ZrOを主成分として含んでいてもよい。また、固体電解質層24は、ZrOの他に、Y及び/又はSc等の添加剤を含んでいてもよい。これらの添加剤は、安定化剤として機能する。固体電解質層24において、安定化剤とZrOとのmol組成比(安定化剤:ZrO)は、3:97~20:80程度であることが好ましい。すなわち、固体電解質層24の材料としては、例えば、3YSZ、8YSZ及び10YSZなどのイットリア安定化ジルコニアや、ScSZなどのジルコニア系材料を挙げることができる。 In this embodiment, the solid electrolyte layer 24 is disposed between the anode 21 and the reaction prevention layer 25. The solid electrolyte layer 24 has a function of allowing oxygen ions generated at the cathode 29 to pass through. The solid electrolyte layer 24 may contain zirconium (Zr), or may contain Zr as zirconia (ZrO 2 ). The solid electrolyte layer 24 may contain ZrO 2 as a main component. In addition to ZrO 2 , the solid electrolyte layer 24 may also contain additives such as Y 2 O 3 and/or Sc 2 O 3. These additives function as stabilizers. In the solid electrolyte layer 24, the molar composition ratio of the stabilizer to ZrO 2 (stabilizer:ZrO 2 ) is preferably approximately 3:97 to 20:80. That is, examples of the material for the solid electrolyte layer 24 include yttria-stabilized zirconia such as 3YSZ, 8YSZ, and 10YSZ, and zirconia-based materials such as ScSZ.

空気極29は、反応防止層25上に配置される。空気極29は、電解セル20のアノードとして機能する。空気極29は、例えば、ランタン含有ペロブスカイト型複合酸化物を主成分として含有してもよい。ランタン含有ペロブスカイト型複合酸化物としては、LSCF(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)、ランタンマンガナイト、ランタンコバルタイト、ランタンフェライトが挙げられる。また、ランタン含有ペロブスカイト型複合酸化物には、ストロンチウム、カルシウム、クロム、コバルト、鉄、ニッケル、アルミニウムなどがドープされていてもよい。空気極29の厚みは、例えば5μm~300μmとすることができる。 The air electrode 29 is disposed on the reaction prevention layer 25. The air electrode 29 functions as the anode of the electrolysis cell 20. The air electrode 29 may contain, for example, a lanthanum-containing perovskite-type complex oxide as a primary component. Examples of lanthanum-containing perovskite-type complex oxides include LSCF (lanthanum strontium cobalt ferrite), lanthanum manganite, lanthanum cobaltite, and lanthanum ferrite. Lanthanum-containing perovskite-type complex oxides may also be doped with strontium, calcium, chromium, cobalt, iron, nickel, aluminum, or the like. The thickness of the air electrode 29 may be, for example, 5 μm to 300 μm.

空気極29は、ペロブスカイト構造を有する複合酸化物を含有する。複合酸化物の組成は、一般式ABOで表される。ただし、AとBとOとは厳密に1:1:3であることは要求されない。一般式ABOで表されるペロブスカイト構造を有する複合酸化物の理想的な単位格子は立方体であり、A元素は単位格子の角の位置に配置され、B元素は単位格子の体心位置に配置され、酸素元素は単位格子の面心位置に配置される。本開示では、A元素が配置される単位格子の角の位置を「Aサイト」と呼び、B元素が配置される単位格子の体心位置を「Bサイト」と呼ぶ。 The air electrode 29 contains a complex oxide having a perovskite structure. The composition of the complex oxide is expressed by the general formula ABO3 . However, the ratio of A, B, and O is not required to be strictly 1:1:3. The ideal unit lattice of a complex oxide having a perovskite structure expressed by the general formula ABO3 is a cube, with the A element located at a corner of the unit lattice, the B element located at the body center of the unit lattice, and the oxygen element located at the face center of the unit lattice. In the present disclosure, the corner position of the unit lattice where the A element is located is referred to as the "A site," and the body center position of the unit lattice where the B element is located is referred to as the "B site."

Aサイトには、LaとSrとの少なくとも一方の原子が含まれることが好ましい。Bサイトには、CoとFeとの少なくとも一方の原子が含まれることが好ましい。このような複合酸化物の具体例としては、例えば、空気極29の材料であれば、LSCFつまり(La,Sr)(Co,Fe)O、LSFつまり(La,Sr)FeO、LSCつまり(La,Sr)CoO、LNFつまりLa(Ni,Fe)O、SSCつまり(Sm,Sr)CoO等の材料が挙げられる。これらの複合酸化物は、酸素イオン伝導性と電子伝導性を併せ持つ物質であり、混合導電材料とも呼ばれる。本実施形態では、空気極29は、ランタンストロンチウムコバルトフェライトLSCF(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8)を含む材料から形成された多孔質の薄板状の焼成体である。 The A site preferably contains at least one of La and Sr atoms. The B site preferably contains at least one of Co and Fe atoms. Specific examples of such complex oxides, for example, for the material of the air electrode 29, include LSCF (i.e., (La,Sr)(Co,Fe)O 3 ) , LSF (i.e., (La,Sr)FeO 3 ), LSC (i.e., (La,Sr)CoO 3 ), LNF (i.e., La(Ni,Fe)O 3 ) , and SSC (i.e., (Sm,Sr)CoO 3 ). These complex oxides are substances that have both oxygen ion conductivity and electronic conductivity and are also called mixed conductive materials. In this embodiment, the air electrode 29 is a porous, thin-plate-shaped sintered body formed from a material containing lanthanum strontium cobalt ferrite LSCF (La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 ).

空気極29は、複合酸化物を「主成分」として含むことができる。組成物Xが物質Yを「主成分として含む」とは、組成物X全体のうち、物質Yが好ましくは60質量%以上を占め、より好ましくは70質量%以上を占め、さらに好ましくは90質量%以上を占めることを意味する。空気極29は、複合酸化物以外の成分を含んでいてもよい。また、空気極29の材料は、粉体(例えば平均粒径0.1μm~5μm程度)あるいは解砕物(例えば平均粒径5μm~500μm程度)であってもよいし、解砕物よりも大きな塊であってもよい。 The air electrode 29 can contain a complex oxide as its "main component." When composition X "contains substance Y as its main component," this means that substance Y preferably accounts for 60% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, and even more preferably 90% by mass or more of the entire composition X. The air electrode 29 may also contain components other than the complex oxide. Furthermore, the material for the air electrode 29 may be a powder (e.g., average particle size of approximately 0.1 μm to 5 μm) or a crushed material (e.g., average particle size of approximately 5 μm to 500 μm), or it may be a lump larger than the crushed material.

空気極集電層27は、一般式ABOで表されるペロブスカイト構造を有する複合酸化物を含む。このような複合酸化物としては、特に限定されないが、例えば、LSCF、LSF、LSC、LNF、SSC等が挙げられる。空気極機能層26は、空気極集電層27に含まれる複合酸化物以外の成分を含んでいてもよい。例えば、空気極機能層26は、後述する固体電解質層24の材料(セリアやジルコニア等)とコンポジット化されていてもよい。空気極集電層27の厚さは、特に限定されないが、例えば、5~300μmであってもよい。空気極機能層26の厚さは、特に限定されないが、例えば、5~30μmであってもよい。なお、空気極機能層26を備えなくてもよく、空気極機能層26はCeを含まなくてもよい。空気極集電層27の気孔率は、特に限定されないが、例えば、35~45%であってもよい。空気極機能層26の気孔率は、特に限定されないが、例えば、35~45%であってもよい。空気極集電層27を構成する材質の電気伝導率は、空気極機能層26を構成する材質の電気伝導率より大きくてもよい。 The cathode current collecting layer 27 contains a complex oxide having a perovskite structure represented by the general formula ABO3 . Examples of such complex oxides include, but are not limited to, LSCF, LSF, LSC, LNF, and SSC. The cathode functional layer 26 may contain a component other than the complex oxide contained in the cathode current collecting layer 27. For example, the cathode functional layer 26 may be composited with the material of the solid electrolyte layer 24 (e.g., ceria or zirconia), which will be described later. The thickness of the cathode current collecting layer 27 is not particularly limited, but may be, for example, 5 to 300 μm. The thickness of the cathode functional layer 26 is not particularly limited, but may be, for example, 5 to 30 μm. The cathode functional layer 26 may not be provided, and the cathode functional layer 26 may not contain Ce. The porosity of the cathode current collecting layer 27 is not particularly limited, but may be, for example, 35 to 45%. The porosity of the air electrode functional layer 26 is not particularly limited, but may be, for example, 35 to 45%. The electrical conductivity of the material constituting the air electrode current collecting layer 27 may be higher than the electrical conductivity of the material constituting the air electrode functional layer 26.

熱膨張率の差から、空気極29が固体電解質層24から剥離してしまう虞があり、その対策として、空気極29に電解質を混合したコンポジット材料を空気極29と固体電解質層24との間に備える技術がある。しかしながら、電解質材料としてZr系材料が用いられる場合、空気極29にSrを含んでいると、SrZrO(SZO)が生成される問題があるため、この場合、混合する電解質材料として、例えばGDC(ガドリニウムドープセリア)、SDC(サマリウムドープセリア)が用いられる。好ましくは、電解質と複合酸化物を混合された中間層を、空気極29と固体電解質層24の間に配置することもでき、この中間層が空気極機能層26である。しかしながら、空気極29は、空気極集電層27を備え、空気極機能層26を有さなくてもよい。また、実際の使用環境等により、空気極29は、空気極機能層26を備え、空気極集電層27を備えなくてもよい。 Due to the difference in thermal expansion coefficients, there is a risk that the air electrode 29 will peel off from the solid electrolyte layer 24. To address this issue, a technique exists in which a composite material containing an electrolyte mixed with the air electrode 29 is provided between the air electrode 29 and the solid electrolyte layer 24. However, when a Zr-based material is used as the electrolyte material, the presence of Sr in the air electrode 29 poses a problem of the generation of SrZrO 3 (SZO). In this case, for example, gadolinium-doped ceria (GDC) or samarium-doped ceria (SDC) is used as the mixed electrolyte material. Preferably, an intermediate layer containing a mixture of an electrolyte and a composite oxide can be disposed between the air electrode 29 and the solid electrolyte layer 24, and this intermediate layer is the air electrode functional layer 26. However, the air electrode 29 may include the air electrode current collecting layer 27 but not the air electrode functional layer 26. Furthermore, depending on the actual usage environment, the air electrode 29 may include the air electrode functional layer 26 but not the air electrode current collecting layer 27.

空気極29に含まれるSr(ストロンチウム)が固体電解質層24側に拡散し、この拡散したSrが固体電解質層24に含まれるZr(ジルコニウム)と反応すると、高抵抗な物質であるSrZrO(以下、「SZO」とも呼ぶ)が生成される。空気極29と固体電解質層24との間の領域において、SZOが層状に生成されると、電解性能が低下する。このようなSZOの生成を抑制するため、空気極29と固体電解質層24との間に、例えばGDC(ガドリニウムドープセリア)を含む反応防止層25を配置することが好ましい。このようにすることにより、空気極29から拡散したSrが固体電解質層24に含まれるZrと反応してSZOが生成されることが効果的に抑制される。しかしながら、電解セル20は、反応防止層25を備えなくてもよい。反応防止層25の材料としては、セリウム(Ce)及びCeに固溶した希土類金属酸化物を含むセリア系材料が挙げられる。反応防止層25は、特に限定されないが、例えば、セリアからなる緻密な薄板状の焼成体であることが好ましい。セリアとしては、特に限定されないが、例えば、GDC(ガドリニウムドープセリア)、SDC(サマリウムドープセリア)等が挙げられる。 When Sr (strontium) contained in the air electrode 29 diffuses toward the solid electrolyte layer 24 and reacts with Zr (zirconium) contained in the solid electrolyte layer 24, a highly resistive substance, SrZrO 3 (hereinafter also referred to as "SZO"), is generated. If a layer of SZO is generated in the region between the air electrode 29 and the solid electrolyte layer 24, electrolysis performance deteriorates. To suppress the generation of SZO, it is preferable to dispose a reaction prevention layer 25 containing, for example, gadolinium-doped ceria (GDC) between the air electrode 29 and the solid electrolyte layer 24. This effectively suppresses the reaction of Sr diffused from the air electrode 29 with Zr contained in the solid electrolyte layer 24 to generate SZO. However, the electrolysis cell 20 does not necessarily have to include the reaction prevention layer 25. Examples of materials for the reaction prevention layer 25 include ceria-based materials containing cerium (Ce) and rare earth metal oxides solid-dissolved in Ce. The reaction prevention layer 25 is preferably, but not limited to, a dense, thin-plate-shaped sintered body made of ceria. Examples of ceria include, but are not limited to, gadolinium-doped ceria (GDC) and samarium-doped ceria (SDC).

本実施形態において、反応防止層25は、固体電解質層24および空気極29の間に配置される。反応防止層25は、固体電解質層24および空気極29の間に高抵抗層が形成されることを抑制する機能を有する。反応防止層25の厚みは、例えば3μm~20μmとすることができる。 In this embodiment, the reaction prevention layer 25 is disposed between the solid electrolyte layer 24 and the air electrode 29. The reaction prevention layer 25 has the function of preventing the formation of a high-resistance layer between the solid electrolyte layer 24 and the air electrode 29. The thickness of the reaction prevention layer 25 can be, for example, 3 μm to 20 μm.

本実施形態において、空気極29の周縁は、一部又は全周において、凹凸が交互に繰り返す凹凸部Vを有する。 In this embodiment, the periphery of the air electrode 29 has an uneven portion V with alternating concave and convex portions along part or the entire periphery.

図5は、凹凸部Vを説明するための概略図である。図5において、空気極29の周縁は、一部において凹凸部Vを有する。本実施形態では、凹凸部Vが空気極29の少なくとも1辺に存在し、凹凸部Vが1辺に2箇所以上に存在する辺と、凹凸部Vが1辺に1箇所存在する辺とを有する。 Figure 5 is a schematic diagram illustrating the uneven portion V. In Figure 5, the periphery of the air electrode 29 has an uneven portion V in part. In this embodiment, the uneven portion V exists on at least one side of the air electrode 29, and there are sides on which the uneven portion V exists in two or more places, and sides on which the uneven portion V exists in one place.

図5において、酸素を含むガスは、紙面左側から紙面右側に向かって流れている。この流れは、一定方向である。そして、本実施形態においては、凹凸部Vが、酸素を含むガスの流れに対し、少なくとも上流側の一辺に存在する。このようにすることにより、温度が変化しやすい上流側空気極29においてクラックの発生を効率的に抑制できる。 In Figure 5, the oxygen-containing gas flows from the left side of the page to the right side. This flow is in a fixed direction. In this embodiment, the uneven portion V exists on at least one side upstream of the flow of the oxygen-containing gas. This effectively prevents cracks from occurring in the upstream air electrode 29, where the temperature is prone to change.

図6は、凹凸部Vの形状を説明するための概略図である。本明細書において、凹凸部Vにおける頂部Tは、空気極29の中心から離れている部分を意味する。また、凹凸部Vにおける底部Bは、空気極29の中心に近い部分を意味する。凹凸部Vにおいて、頂部Tと底部Bはいずれも円弧状である。そして、底部Bの円弧半径R2に対する頂部Tの円弧半径R1の割合(R1/R2)は、3.0以上である。本発明者は、空気極29へのクラックの発生と、底部Bの円弧半径R2に対する頂部Tの円弧半径R1の割合(R1/R2)に強い相関があることを見出した。割合(R1/R2)は、3.0以上であれば特に限定されないが、上限としては、例えば、20以下であることが好ましく、18以下であることがより好ましく、17以下であることがさらに好ましい。具体的には、R1が大きくなれば(凸が小さくなれば)、R2が小さくなれば(極端に凹んだ部分があれば)、または、これらの組み合わせにより、割合(R1/R2)は大きくなる。凹凸部Vの凹凸のピッチPは、隣接する底部Bの間の距離を意味する。凹凸のピッチPは、特に限定されないが、例えば、0.2~2mmが挙げられる。高低差Hは、頂部Tのうちの最も中心から離れている点から底部Bのうちの最も中心から近い点までの高低差を意味する。高低差Hは、特に限定されないが、例えば、0.1以上4以下が好ましく、0.2以上3以下がより好ましく、0.25以上2.5以下がさらに好ましい。 Figure 6 is a schematic diagram illustrating the shape of the uneven portion V. In this specification, the apex T of the uneven portion V refers to the portion away from the center of the air electrode 29. Furthermore, the bottom B of the uneven portion V refers to the portion close to the center of the air electrode 29. In the uneven portion V, both the apex T and the bottom B are arc-shaped. The ratio (R1/R2) of the arc radius R1 of the apex T to the arc radius R2 of the bottom B is 3.0 or greater. The inventors have found a strong correlation between the occurrence of cracks in the air electrode 29 and the ratio (R1/R2) of the arc radius R1 of the apex T to the arc radius R2 of the bottom B. The ratio (R1/R2) is not particularly limited as long as it is 3.0 or greater, but the upper limit is preferably 20 or less, more preferably 18 or less, and even more preferably 17 or less. Specifically, the ratio (R1/R2) increases as R1 increases (the convexity decreases), as R2 decreases (if there are extremely concave portions), or as a combination of these. The pitch P of the concave-convex portion V refers to the distance between adjacent bottom portions B. There are no particular limitations on the pitch P, but examples include 0.2 to 2 mm. The height difference H refers to the height difference from the point on the top portion T farthest from the center to the point on the bottom portion B closest to the center. There are no particular limitations on the height difference H, but it is preferably 0.1 to 4, more preferably 0.2 to 3, and even more preferably 0.25 to 2.5.

このSOECの電解セル20に対して、燃料極21に水蒸気を、そして空気極29へ酸素を含むガス等を供給するとともに、燃料極21と空気極29との間に電流を流すことにより、下記(1)、(2)式に示す化学反応が起こる。これにより、燃料極21から水素が発生し、空気極29から酸素が発生する。
O+2e→H+O2- (於:燃料極21) …(1)
2-→(1/2)・O+2e (於:空気極29) …(2)
In this SOEC electrolysis cell 20, water vapor is supplied to the fuel electrode 21, and a gas containing oxygen is supplied to the air electrode 29. At the same time, a current is passed between the fuel electrode 21 and the air electrode 29, causing the chemical reactions shown in the following formulas (1) and (2). As a result, hydrogen is generated from the fuel electrode 21, and oxygen is generated from the air electrode 29.
H 2 O+2e →H 2 +O 2− (at fuel electrode 21) …(1)
O 2- → (1/2)・O 2 +2e - (Location: Air electrode 29) ...(2)

このSOECの電解セル20では、通常、燃料極21と空気極29とのそれぞれに集電用の導電性接続部材(インターコネクタ16)が接合剤により接合・固定され、それぞれのインターコネクタ16を介して電位差が印加され電流が流される。そして、燃料極21から発生した水素ガスが集められる。 In this SOEC electrolysis cell 20, a conductive connecting member (interconnector 16) for collecting current is typically joined and fixed to each of the fuel electrode 21 and air electrode 29 with a bonding agent, and a potential difference is applied via each interconnector 16 to allow current to flow. Hydrogen gas generated from the fuel electrode 21 is then collected.

燃料極21には、水蒸気を含む燃料ガスが、例えば、90~140リットル/(分・cm)の流量で供給されて用いられてもよく、100~130リットル/(分・cm)の流量で供給されて用いられてもよい。共電解の際は、燃料ガスとして、水蒸気とCOとを含むガスが供給されてもよい。なお、セルを多段に積層したスタックでは、当然積層した分だけ、ブロアー、ポンプ等により、投入する燃料ガスも増加する。 A fuel gas containing water vapor may be supplied to the fuel electrode 21 at a flow rate of, for example, 90 to 140 liters/(min·cm 2 ), or 100 to 130 liters/(min·cm 2 ). In the case of co-electrolysis, a gas containing water vapor and CO 2 may be supplied as the fuel gas. In a stack in which cells are stacked in multiple stages, the amount of fuel gas input by a blower, pump, etc. naturally increases in proportion to the number of layers.

空気極29には、酸素を含むガスが、例えば、20~60リットル/(分・cm)の流量で供給されて用いられてもよく、30~50リットル/(分・cm)の流量で供給されて用いられてもよい。酸素を含むガスとして、酸素ガスを用いてもよく、空気を用いてもよい。なお、セルを多段に積層したスタックでは、当然積層した分だけ、ブロアー、ポンプ等により、投入する空気極側のガスも増加する。 An oxygen-containing gas may be supplied to the air electrode 29 at a flow rate of, for example, 20 to 60 liters/(min. cm 2 ), or 30 to 50 liters/(min. cm 2 ). The oxygen-containing gas may be oxygen gas or air. In a stack in which cells are stacked in multiple stages, the amount of gas introduced to the air electrode side by a blower, pump, etc. naturally increases in proportion to the number of layers.

空気極29が面する空気室35の容積は、特に限定されないが、8cm~13cmであることが好ましく、9cm~11cmであることがより好ましい。ここで、空気極29が面する空気室35の容積とは、1つのセル当りの容積であり、集電部材等が空間を占める部分を除いた容積を意味する。 The volume of the air chamber 35 facing the air electrode 29 is not particularly limited, but is preferably 8 cm 3 to 13 cm 3 , and more preferably 9 cm 3 to 11 cm 3. Here, the volume of the air chamber 35 facing the air electrode 29 refers to the volume per cell, excluding the space occupied by current collecting members and the like.

(製造方法)
次に、電解セル20の製造方法の一例について説明する。以下に述べる材料、粒径、温度、及び塗布方法等の各種条件は、適宜変更することができる。以下の説明において、「成形体」とは、焼成前の状態を指すものとする。
(Manufacturing method)
Next, an example of a method for manufacturing the electrolysis cell 20 will be described. Various conditions such as the material, particle size, temperature, and application method described below can be changed as appropriate. In the following description, the term "molded body" refers to the state before firing.

(燃料極基板層用グリーンシートの作製)
NiO粉末とYSZ粉末との混合粉末に対して、造孔材である有機ビーズと、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合してスラリーを調製する。有機ビーズは、例えば、ポリメタクリル酸メチルやポリスチレンなどの高分子により形成された球状粒子である。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、所定の厚さ(例えば200μm~300μm)の燃料極基板層用グリーンシートを作製する。なお、燃料極用グリーンシートを作製する際のNiO粉末とYSZ粉末との混合比率は、その性能を満足する限りにおいて適宜設定することができる。NiO粉末とYSZ粉末との混合割合は、例えば、NiOが20~50体積%であり、YSZが30~60体積%であってもよい。
(Preparation of green sheet for fuel electrode substrate layer)
A mixture of NiO powder and YSZ powder is mixed with organic beads (pore former), butyral resin, DOP (plasticizer), a dispersant, and a mixed solvent of toluene and ethanol in a ball mill to prepare a slurry. The organic beads are spherical particles formed from a polymer such as polymethyl methacrylate or polystyrene. The resulting slurry is thinned using a doctor blade method to produce a green sheet for an anode substrate layer with a predetermined thickness (e.g., 200 μm to 300 μm). The mixing ratio of NiO powder and YSZ powder when producing the anode green sheet can be appropriately set as long as the performance is satisfied. The mixing ratio of NiO powder and YSZ powder may be, for example, 20 to 50 volume % NiO and 30 to 60 volume % YSZ.

(燃料極機能層用グリーンシートの作製)
NiO粉末とYSZ粉末との混合粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合してスラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、所定の厚さ(例えば5μm~50μm)の燃料極機能層用グリーンシートを作製する。なお、燃料極機能層用グリーンシートを作製する際のNiO粉末とYSZ粉末との混合比率は、その性能を満足する限りにおいて適宜設定することができる。NiO粉末とYSZ粉末との混合割合は、例えば、NiOが30~60体積%であり、YSZが40~70体積%であってもよい。
(Preparation of green sheet for fuel electrode functional layer)
A butyral resin, a plasticizer (DOP), a dispersant, and a mixed solvent of toluene and ethanol are added to a mixed powder of NiO powder and YSZ powder, and the mixture is mixed in a ball mill to prepare a slurry. The resulting slurry is thinned using a doctor blade method to produce a green sheet for an anode functional layer having a predetermined thickness (e.g., 5 μm to 50 μm). The mixing ratio of the NiO powder and the YSZ powder when producing the green sheet for an anode functional layer can be appropriately set as long as the performance is satisfied. The mixing ratio of the NiO powder and the YSZ powder may be, for example, 30 to 60 volume % NiO and 40 to 70 volume % YSZ.

(固体電解質層用グリーンシートの作製)
YSZ粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合してスラリーを調整する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、所定の厚さ(例えば10μm)の固体電解質層用グリーンシートを作製する。
(Preparation of Green Sheet for Solid Electrolyte Layer)
Butyral resin, DOP (a plasticizer), a dispersant, and a mixed solvent of toluene and ethanol are added to the YSZ powder and mixed in a ball mill to prepare a slurry. The resulting slurry is thinned by a doctor blade method to produce a green sheet for the solid electrolyte layer of a predetermined thickness (e.g., 10 μm).

(固体電解質層24と燃料極機能層23と燃料極基板層22との積層体の作製)
燃料極基板層用グリーンシートと燃料極機能層用グリーンシートと固体電解質層用グリーンシートとを貼り付けて所定の温度(例えば約280℃)で脱脂する。さらに、脱脂後のグリーンシートの積層体を所定の温度(例えば約1350℃)で焼成する。これにより、固体電解質層24と燃料極機能層23と燃料極基板層22との積層体を得る。焼成時における最高温度は、例えば、1500℃以下とするのが好ましく、1450℃以下とするのがより好ましく、1400℃以下とするのがさらに好ましい。また、焼成時における最高温度は、例えば、1100℃以上とするのが好ましく、1200℃以上とするのがより好ましく、1300℃以上とするのがさらに好ましい。高温での保持時間は、例えば、420分以下とするのが好ましく、360分以下とするのがより好ましく、300分以下とするのがさらに好ましい。また、高温での保持時間は、例えば、30分以上とするのが好ましく、40分以上とするのがより好ましく、50分以上とするのがさらに好ましい。例えば、昇温速度は、3℃/分以下とするのが好ましく、2℃/分以下とするのがより好ましく、1.5℃/分以下とするのがさらに好ましく、1.3℃/分以下とするのがより一層好ましい。また、昇温速度は、例えば、0.3℃/分以上とするのが好ましく、0.5℃/分以上とするのがより好ましく、0.8℃/分以上とするのがさらに好ましく、1.0℃/分以上とするのがより一層好ましい。降温速度は、例えば、2℃/分以下とするのが好ましく、1.5℃/分以下とするのがより好ましく、1.3℃/分以下とするのがさらに好ましい。また、降温速度は、例えば、0.3℃/分以上とするのが好ましく、0.5℃/分以上とするのがより好ましく、0.8℃/分以上とするのがさらに好ましい。
(Fabrication of a Laminate of Solid Electrolyte Layer 24, Anode Functional Layer 23, and Anode Substrate Layer 22)
The green sheet for the anode substrate layer, the green sheet for the anode functional layer, and the green sheet for the solid electrolyte layer are attached together and degreased at a predetermined temperature (e.g., about 280°C). The laminate of the degreased green sheets is then fired at a predetermined temperature (e.g., about 1350°C). This results in a laminate of the solid electrolyte layer 24, the anode functional layer 23, and the anode substrate layer 22. The maximum temperature during firing is preferably, for example, 1500°C or less, more preferably 1450°C or less, and even more preferably 1400°C or less. The maximum temperature during firing is preferably, for example, 1100°C or more, more preferably 1200°C or more, and even more preferably 1300°C or more. The holding time at high temperature is, for example, preferably 420 minutes or less, more preferably 360 minutes or less, and even more preferably 300 minutes or less. Furthermore, the holding time at high temperature is, for example, preferably 30 minutes or more, more preferably 40 minutes or more, and even more preferably 50 minutes or more. For example, the temperature increase rate is preferably 3°C/min or less, more preferably 2°C/min or less, even more preferably 1.5°C/min or less, and even more preferably 1.3°C/min or less. For example, the temperature increase rate is preferably 0.3°C/min or more, more preferably 0.5°C/min or more, even more preferably 0.8°C/min or more, and even more preferably 1.0°C/min or more. For example, the temperature decrease rate is preferably 2°C/min or less, more preferably 1.5°C/min or less, and even more preferably 1.3°C/min or less. For example, the temperature decrease rate is preferably 0.3°C/min or more, more preferably 0.5°C/min or more, and even more preferably 0.8°C/min or more.

なお、セルの製造方法は本方法に限らず、以下の方法でもよい。NiO粉末とYSZ粉末との混合物にバインダとしてポリビニルアルコール(PVA)を添加してスラリーを作製し、このスラリーをスプレードライヤーで乾燥・造粒し、金型プレス成形法によって、燃料極21の成形体が形成する。次いで、YSZ粉末に水とバインダを加え、この混合物をボールミルで24時間混合してスラリーを作製し、燃料極21の成形体上に塗布・成形し、固体電解質層24の成形体を積層・形成する。この成形体の積層体が、電気炉(酸素含有雰囲気中)で空気中にて例えば1350℃で共焼結されて、燃料極21および固体電解質層24の積層体が形成された。なお、燃料極21の上に後に固体電解質層24となる膜を形成するに際し、テープ積層法、印刷法等が用いられてもよい。 The cell manufacturing method is not limited to this method, and the following method may also be used. A slurry is prepared by adding polyvinyl alcohol (PVA) as a binder to a mixture of NiO powder and YSZ powder. This slurry is then dried and granulated using a spray dryer, and a green body for the anode 21 is formed using a mold press molding method. Next, water and a binder are added to the YSZ powder, and the mixture is mixed in a ball mill for 24 hours to prepare a slurry. This slurry is then applied and molded onto the green body for the anode 21, forming a green body for the solid electrolyte layer 24. This stack of green bodies is then co-sintered in air in an electric furnace (in an oxygen-containing atmosphere) at a temperature of, for example, 1350°C, to form a stack of the anode 21 and the solid electrolyte layer 24. Note that tape lamination, printing, and other methods may also be used to form the film that will later become the solid electrolyte layer 24 on the anode 21.

(反応防止層25の形成)
次に、反応防止層25を形成する。具体的には、GDC粉末に、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを加えて混合し、粘度を調整して反応防止層用ペーストを調製する。得られた反応防止層用ペーストを、上述した固体電解質層24と燃料極21との積層体における固体電解質層24側の表面に例えばスクリーン印刷によって塗布し、例えば1180℃にて焼成を行う。これにより、反応防止層25が形成され、燃料極21と固体電解質層24と反応防止層25との積層体(以下、「中間積層体」という)が作製される。
(Formation of reaction prevention layer 25)
Next, the reaction prevention layer 25 is formed. Specifically, polyvinyl alcohol as an organic binder and butyl carbitol as an organic solvent are added to and mixed with GDC powder, and the viscosity is adjusted to prepare a paste for the reaction prevention layer. The obtained paste for the reaction prevention layer is applied by, for example, screen printing to the surface of the solid electrolyte layer 24 side of the laminate of the solid electrolyte layer 24 and the anode 21, and then fired at, for example, 1180°C. This forms the reaction prevention layer 25, and a laminate of the anode 21, solid electrolyte layer 24, and reaction prevention layer 25 (hereinafter referred to as the "intermediate laminate") is produced.

(空気極機能層26の形成)
次に、空気極機能層26を形成する。はじめに、LSCF粉末と、GDC粉末を質量比1:1で混合し、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールと、を混合し、粘度を調整することにより、空気極機能層用ペーストを調製する。次に、準備された空気極機能層用ペーストを、中間積層体における反応防止層25側の表面に例えばスクリーン印刷によって塗布して乾燥させる。このとき、空気極29の周縁に凹凸部Vが形成されるようなスクリーンマスクを用いる。スクリーンマスクとしては、例えば、メッシュマスク、メタルマスク等が挙げられる。
(Formation of the air electrode functional layer 26)
Next, the air electrode functional layer 26 is formed. First, LSCF powder and GDC powder are mixed in a mass ratio of 1:1, and polyvinyl alcohol as an organic binder and butyl carbitol as an organic solvent are mixed. The viscosity is adjusted to prepare a paste for the air electrode functional layer. Next, the prepared paste for the air electrode functional layer is applied to the surface of the intermediate laminate on the side of the reaction prevention layer 25 by, for example, screen printing, and then dried. At this time, a screen mask is used that forms an uneven portion V on the periphery of the air electrode 29. Examples of the screen mask include a mesh mask and a metal mask.

(空気極集電層27の形成)
次に、空気極集電層27を形成する。はじめに、LSCF粉末と、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールと、造孔材である有機ビーズとを混合し、粘度を調整して、空気極用集電層ペーストを調製する。次に、準備された空気極集電層用ペーストを、中間積層体における空気極機能層26側の表面に、例えばスクリーン印刷によって塗布して乾燥させる。このとき、空気極29の周縁に凹凸部Vが形成されるようなスクリーンマスクを用いる。スクリーンマスクとしては、例えば、メッシュマスク、メタルマスク等が挙げられる。その後、集電層用ペーストが塗布された中間積層体を所定の焼成温度(例えば1100℃)で焼成する。この焼成工程により、空気極集電層27が形成され、燃料極21と固体電解質層24と反応防止層25と空気極機能層26と空気極集電層27との積層体、すなわち、単電解セル20が作製される。
(Formation of Air Electrode Current Collecting Layer 27)
Next, the cathode current collecting layer 27 is formed. First, LSCF powder, polyvinyl alcohol as an organic binder, butyl carbitol as an organic solvent, and organic beads as a pore-forming material are mixed, and the viscosity is adjusted to prepare an cathode current collecting layer paste. Next, the prepared cathode current collecting layer paste is applied to the surface of the intermediate laminate facing the cathode functional layer 26 by, for example, screen printing, and then dried. At this time, a screen mask is used that forms an uneven portion V on the periphery of the cathode 29. Examples of the screen mask include a mesh mask and a metal mask. Then, the intermediate laminate to which the current collecting layer paste is applied is fired at a predetermined firing temperature (for example, 1100°C). This firing process forms the cathode current collecting layer 27, and a laminate of the anode 21, the solid electrolyte layer 24, the reaction prevention layer 25, the cathode functional layer 26, and the cathode current collecting layer 27, i.e., the single electrolytic cell 20, is produced.

その後、電解セル20を水素製造運転可能な状態とするため、燃料極21を還元する(すなわち、燃料極21に含まれるNiOをNiに還元する)還元工程が実行される。還元工程は、例えば、燃料極21を、所定の温度の水素雰囲気に所定の時間だけ晒すことにより実現される。なお、還元工程に利用される還元ガスは、水素に限定されず、メタンガス等の他のガスでもよく、また還元ガスの濃度も限定されない。還元剤の濃度が100体積%未満である還元ガスとしては、例えば、水素ガス等に加えて窒素ガスが含まれていてもよい。 Then, a reduction process is carried out to reduce the fuel electrode 21 (i.e., reduce the NiO contained in the fuel electrode 21 to Ni) so that the electrolysis cell 20 is ready for hydrogen production operation. The reduction process is achieved, for example, by exposing the fuel electrode 21 to a hydrogen atmosphere at a predetermined temperature for a predetermined period of time. The reducing gas used in the reduction process is not limited to hydrogen, but may be other gases such as methane gas, and the concentration of the reducing gas is not limited. A reducing gas with a reducing agent concentration of less than 100% by volume may contain, for example, nitrogen gas in addition to hydrogen gas.

(効果の説明)
以上の説明のとおり、上記形態の空気極29の周縁は、凹凸が交互に繰り返す凹凸部Vを有する。凹凸部Vにおいて、頂部Tと底部Bはいずれも円弧状である。そして、底部Bの円弧半径R2に対する頂部Tの円弧半径R1の割合(R1/R2)は、3.0以上である。熱中立点到達後の一般的な環境下においてSOECを稼働させる場合には、空気極の周縁にクラックが発生することは稀である。しかしながら、SOECの起動時など熱中立点に到達する前においては、電解セル20は過酷な環境下での稼働となるため、空気極29の周縁にクラックが発生する虞がある。つまり、一般に、空気極29の周縁には温度下降に起因する収縮が起こることによって、空気極29に応力が発生する結果として、空気極29にクラックが発生する虞がある。しかしながら、上記形態の空気極29は、上述のとおり凹凸部Vを有するため、空気極29への応力が分散することにより、応力の集中が抑制される結果として、空気極29へのクラックの発生を抑制できる。この結果として、空気極29へのクラックの発生に起因する空気極29の剥がれを抑制できる。また、上記形態の空気極29を備えるホットモジュール61は、ヒータ64や熱交換器63等の加熱源を有することにより、電解スタック10や電解セル20への供給ガス温度を高温化できるため、温度降下時における空気極29へのクラックの発生を効果的に抑制できる。
(Explanation of effects)
As described above, the periphery of the air electrode 29 in the above-described embodiment has an uneven portion V in which concave and convex portions alternate with each other. In the uneven portion V, both the top portion T and the bottom portion B are arc-shaped. The ratio (R1/R2) of the arc radius R1 of the top portion T to the arc radius R2 of the bottom portion B is 3.0 or greater. When an SOEC is operated in a typical environment after reaching thermal neutrality, cracks rarely occur on the periphery of the air electrode. However, before reaching thermal neutrality, such as during startup of the SOEC, the electrolysis cell 20 operates in a harsh environment, which may result in cracks on the periphery of the air electrode 29. In other words, shrinkage due to a temperature drop generally occurs on the periphery of the air electrode 29, generating stress in the air electrode 29 and potentially resulting in cracks on the air electrode 29. However, because the air electrode 29 of the above configuration has the uneven portion V as described above, stress on the air electrode 29 is dispersed, suppressing stress concentration and thereby suppressing the occurrence of cracks in the air electrode 29. As a result, peeling of the air electrode 29 due to the occurrence of cracks in the air electrode 29 can be suppressed. Furthermore, the hot module 61 including the air electrode 29 of the above configuration has a heat source such as the heater 64 or the heat exchanger 63, and is therefore able to increase the temperature of the gas supplied to the electrolysis stack 10 and the electrolysis cell 20, thereby effectively suppressing the occurrence of cracks in the air electrode 29 when the temperature drops.

以下、上記形態の空気極29により空気極29へのクラックの発生が抑制されることを確認した試験について説明する。 Below, we will explain the tests that confirmed that the above-described configuration of the air electrode 29 suppresses the occurrence of cracks in the air electrode 29.

(試験)
この試験では、上記実施形態に係るSOEC(電解セル20)について、空気極集電層27の材質と、空気極集電層27の周縁に形成された凹凸部Vの高低差Hと、頂部Tの円弧半径R1と、底部Bの円弧半径R2との組み合わせが異なる複数種類の試験品(焼成体)を用いた。具体的には、表1に示すように、6種類の水準が準備され、各水準に対して10個の試験品が作製された。表1におけるH、R1、R2の値は、それぞれ平均値を示す。評価結果の中の括弧書きにおいて、分母は試験品の全数を示し、分子はクラックがあった試験品の数を示す。
(test)
In this test, for the SOEC (electrolysis cell 20) according to the above embodiment, multiple types of test specimens (sintered bodies) were used, each of which had different combinations of the material of the cathode current collecting layer 27, the height difference H of the uneven portion V formed on the periphery of the cathode current collecting layer 27, the arc radius R1 of the top portion T, and the arc radius R2 of the bottom portion B. Specifically, as shown in Table 1, six levels were prepared, and 10 test specimens were produced for each level. The values of H, R1, and R2 in Table 1 each indicate an average value. In the parentheses within the evaluation results, the denominator indicates the total number of test specimens, and the numerator indicates the number of test specimens that had cracks.

これらの試験品において、空気極機能層26の厚さは5~30μmとされ、空気極集電層27の厚さは80~300μmとされた。凹凸のピッチPは0.2~2mmとされた。高低差Hは0.05~1mmとされた。空気極機能層26の気孔率は35~45%とされた。各層の気孔率は、スラリーないの粉末の粒径や造孔材の添加量等により調整された。空気極29(空気極機能層26と空気極集電層27)の共焼成温度は、900~1100℃の範囲内で調整された。共焼成時間は1~10時間の範囲内で調整された。還元処理温度は、800~1000℃の範囲内で調整された。還元処理時間は1~10時間の範囲内で調整された。 In these test samples, the thickness of the air electrode functional layer 26 was 5 to 30 μm, and the thickness of the air electrode current collecting layer 27 was 80 to 300 μm. The pitch P of the irregularities was 0.2 to 2 mm. The height difference H was 0.05 to 1 mm. The porosity of the air electrode functional layer 26 was 35 to 45%. The porosity of each layer was adjusted by the particle size of the powder in the slurry and the amount of pore-forming material added. The co-firing temperature of the air electrode 29 (air electrode functional layer 26 and air electrode current collecting layer 27) was adjusted within the range of 900 to 1100°C. The co-firing time was adjusted within the range of 1 to 10 hours. The reduction treatment temperature was adjusted within the range of 800 to 1000°C. The reduction treatment time was adjusted within the range of 1 to 10 hours.

そして、これらの試験品に対して、以下の熱サイクル電解試験を行った。具体的には、各試験品について、燃料極21に還元性の燃料ガスを流通させた状態において、雰囲気温度を常温(25℃)から750℃まで8時間かけて上昇させた後に、750℃から常温(25℃)まで2時間かけて下降させるという一連の流れを10回繰り返した。そして、そして、この熱サイクル電解試験を行った試験品において、空気極集電層27の周縁(つまり、空気極集電層27において凹凸が形成される部分)におけるクラックの有無が確認された。この確認は、目視と顕微鏡での観察によってなされた。 The following thermal cycle electrolysis test was then performed on these test specimens. Specifically, for each test specimen, with a reducing fuel gas flowing through the anode 21, the ambient temperature was increased from room temperature (25°C) to 750°C over 8 hours, and then decreased from 750°C to room temperature (25°C) over 2 hours. This series of steps was repeated 10 times. For test specimens that underwent this thermal cycle electrolysis test, the presence or absence of cracks was confirmed around the periphery of the cathode current collecting layer 27 (i.e., the portion of the cathode current collecting layer 27 where irregularities are formed). This confirmation was made by visual inspection and observation with a microscope.

(結果)
評価結果を表1に示す。
(result)
The evaluation results are shown in Table 1.

この熱サイクル電解試験は、熱応力的に過酷な試験であるが、表1に示すように、R1/R2が3.0以上であると、理由は不明であるが、クラックの発生は確認されなかった。一方、R1/R2が3.0未満であるとクラックの発生が確認された。なお、一般的な使用条件及び使用環境下において、本実施形態の電解セル20を使用した場合、R1/R2が3.0以上であると、空気極集電層27の周縁にクラックが発生しないことを発明者は別途確認している。 This thermal cycle electrolysis test is a severe test in terms of thermal stress, but as shown in Table 1, when R1/R2 is 3.0 or greater, no cracks were observed, although the reason is unclear. On the other hand, when R1/R2 is less than 3.0, cracks were observed. The inventors have separately confirmed that when the electrolytic cell 20 of this embodiment is used under typical usage conditions and environments, when R1/R2 is 3.0 or greater, no cracks occur around the periphery of the air electrode current collecting layer 27.

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be realized in various configurations without departing from the spirit of the present invention. For example, the technical features in the embodiments corresponding to the technical features in each aspect described in the Summary of the Invention section can be replaced or combined as appropriate to solve some or all of the above-described problems or achieve some or all of the above-described effects. Furthermore, if a technical feature is not described as essential in this specification, it can be deleted as appropriate.

電解セル20は、燃料極21と、固体電解質層24と、空気極29とを有すればよく、その他の構成要素の有無、各構成要素の形状、材料、寸法等は、変更可能である。例えば、電解セル20の構成は、以下のように変更されてもよい。
(1)電解セル20の形状は、例えば、燃料極支持型、平板形、円筒形、扁平型、縦縞型、横縞型、片端保持型スタック用、両端保持型スタック用等であってもよい。また、セルの断面は楕円形状であってもよい。
(2)異なる形態として挙げた構成は、互いに組み合わせ可能である。
(3)上記実施形態において、空気極29の周縁は、一部において凹凸部Vを有する。上記実施形態には、凹凸部Vが、空気極29の少なくとも1辺に存在し、凹凸部Vが1辺に1箇所または2箇所以上に存在する。しかしながら、これに限られない。空気極29の周縁は、例えば、全周において凹凸部Vを有していてもよく(図7)、対向する2辺において凹凸部Vを有してもよく(図8)、凹凸部Vが1辺に3箇所以上形成されていてもよく、酸素を含むガスの流れに対して下流側の辺に凹凸部Vを有していてもよく、酸素を含むガスの流れに平行な辺に凹凸部Vを有していてもよい。
The electrolysis cell 20 only needs to have the anode 21, the solid electrolyte layer 24, and the cathode 29, and the presence or absence of other components, as well as the shape, material, dimensions, etc. of each component, can be modified. For example, the configuration of the electrolysis cell 20 may be modified as follows.
(1) The shape of the electrolysis cell 20 may be, for example, anode-supported, flat, cylindrical, oblate, vertically striped, horizontally striped, for a single-end-supported stack, or for a double-end-supported stack. The cross section of the cell may also be elliptical.
(2) The configurations listed as different embodiments can be combined with each other.
(3) In the above embodiment, the periphery of the air electrode 29 has a concave-convex portion V in part. In the above embodiment, the concave-convex portion V is present on at least one side of the air electrode 29, and the concave-convex portion V is present in one or more locations on one side. However, this is not limited to this. For example, the periphery of the air electrode 29 may have the concave-convex portion V around the entire periphery ( FIG. 7 ), may have the concave-convex portion V on two opposing sides ( FIG. 8 ), may have the concave-convex portion V in three or more locations on one side, may have the concave-convex portion V on a side downstream of the flow of the oxygen-containing gas, or may have the concave-convex portion V on a side parallel to the flow of the oxygen-containing gas.

また、上記実施形態では、空気極29のうち、空気極機能層26と空気極集電層27との両方の周縁に凹凸部Vを有するが、空気極機能層26と空気極集電層27とのうちの一方の周縁に凹凸部Vを有してもよい。平面視で空気極集電層27の方が、空気極機能層26よりも大きい場合には、空気極機能層26の凹凸部Vが省略されて、空気極集電層27の周縁のみに凹凸部Vを有してもよい。一方、平面視で空気極機能層26の方が、空気極集電層27よりも大きい場合には、空気極集電層27の凹凸部Vが省略されて、空気極機能層26の周縁のみに凹凸部Vを有してもよい。上記実施形態では、空気極29は空気極機能層26と空気極集電層27とを有するが、これに限られず、空気極29は一層により形成されていてもよい。また、上記実施形態では、空気極機能層26の上面のみに空気極集電層27が接しているが、これに限られず、空気極集電層27が空気極機能層26の上面及び側面を覆っていてもよい。この場合、空気極機能層26の凹凸部Vが省略されて、空気極集電層27の周縁のみに凹凸部Vを有してもよい。 In addition, in the above embodiment, the air electrode 29 has the uneven portion V on the periphery of both the air electrode functional layer 26 and the air electrode current collecting layer 27. However, the uneven portion V may also be on the periphery of one of the air electrode functional layer 26 or the air electrode current collecting layer 27. If the air electrode current collecting layer 27 is larger than the air electrode functional layer 26 in a planar view, the uneven portion V of the air electrode functional layer 26 may be omitted, and the uneven portion V may be on the periphery of the air electrode current collecting layer 27 only. On the other hand, if the air electrode functional layer 26 is larger than the air electrode current collecting layer 27 in a planar view, the uneven portion V of the air electrode current collecting layer 27 may be omitted, and the uneven portion V may be on the periphery of the air electrode functional layer 26 only. In the above embodiment, the air electrode 29 has the air electrode functional layer 26 and the air electrode current collecting layer 27, but this is not limited thereto, and the air electrode 29 may be formed of a single layer. Furthermore, in the above embodiment, the air electrode current collecting layer 27 is in contact only with the upper surface of the air electrode functional layer 26, but this is not limited thereto, and the air electrode current collecting layer 27 may cover the upper and side surfaces of the air electrode functional layer 26. In this case, the uneven portion V of the air electrode functional layer 26 may be omitted, and the uneven portion V may be present only on the periphery of the air electrode current collecting layer 27.

10…電解スタック、11…反応単位、12,13…エンドプレート、14…ボルト、15a,15b,15c,15d…通路、16…インターコネクタ、17…燃料極フレーム、19…空気極フレーム、20…電解セル、21…燃料極、22…燃料極基板層、23…燃料極機能層、24…固体電解質層、24a…表面、25…反応防止層、26…空気極機能層、27…空気極集電層、29…空気極、30…セパレータ、31…ろう材、32…集電体、33…燃料室、34…集電体、35…空気室、37…開口、47…セパレータ付きセル、52,53…ターミナルプレート、60…水素製造装置、61…ホットモジュール、62…気化器、63…熱交換器、64…ヒータ、65…断熱材、66…凝縮器、B…底部、H…高低差、P…ピッチ、R1…円弧半径、R2…円弧半径、T…頂部、V…凹凸部 10...Electrolytic stack, 11...Reaction unit, 12, 13...End plates, 14...Bolt, 15a, 15b, 15c, 15d...Passageway, 16...Interconnector, 17...Anode frame, 19...Cathode frame, 20...Electrolytic cell, 21...Anode, 22...Anode substrate layer, 23...Anode functional layer, 24...Solid electrolyte layer, 24a...Surface, 25...Reaction prevention layer, 26...Cathode functional layer, 27...Cathode current collecting layer, 29...Cathode 30...Separator, 31...Brazing material, 32...Current collector, 33...Fuel chamber, 34...Current collector, 35...Air chamber, 37...Opening, 47...Cell with separator, 52, 53...Terminal plate, 60...Hydrogen production device, 61...Hot module, 62...Vaporizer, 63...Heat exchanger, 64...Heater, 65...Insulating material, 66...Condenser, B...Bottom, H...Height difference, P...Pitch, R1...Arc radius, R2...Arc radius, T...Top, V...Uneven portion

Claims (11)

空気極と、
燃料極と、
前記空気極と前記燃料極との間に配置された固体電解質層と、
を備え、
前記空気極の周縁は、一部又は全周において、凹凸が交互に繰り返す凹凸部を有し、
前記凹凸部において、頂部と底部はいずれも円弧状であり、
前記底部の円弧半径R2に対する前記頂部の円弧半径R1の割合(R1/R2)は、3.0以上であ
前記燃料極には、水蒸気を含む燃料ガスが供給され、
運転開始時から熱中立点に到達する間において温度が下降する、
固体酸化物形電解セル。
an air electrode;
a fuel electrode;
a solid electrolyte layer disposed between the air electrode and the fuel electrode;
Equipped with
The periphery of the air electrode has an uneven portion in which unevenness alternates over a part or the entire periphery,
In the concave-convex portion, both the top and bottom are arc-shaped,
a ratio (R1/R2) of the arc radius R1 of the top portion to the arc radius R2 of the bottom portion is 3.0 or more;
A fuel gas containing water vapor is supplied to the fuel electrode,
The temperature drops from the start of operation until it reaches the thermal neutral point .
Solid oxide electrolysis cell.
請求項1に記載の固体酸化物形電解セルにおいて、
前記凹凸部が、前記空気極の少なくとも1辺に存在する、
固体酸化物形電解セル。
2. The solid oxide electrolysis cell according to claim 1,
The uneven portion is present on at least one side of the air electrode.
Solid oxide electrolysis cell.
請求項2に記載の固体酸化物形電解セルにおいて、
前記凹凸部が、前記1辺に2箇所以上に存在する、
固体酸化物形電解セル。
3. The solid oxide electrolysis cell according to claim 2,
The uneven portion is present at two or more locations on the one side.
Solid oxide electrolysis cell.
請求項1または請求項2に記載の固体酸化物形電解セルにおいて、
前記凹凸部が、酸素を含むガスの流れに対し、少なくとも上流側の1辺に存在する、
固体酸化物形電解セル。
The solid oxide electrolysis cell according to claim 1 or 2,
The uneven portion is present on at least one side on the upstream side with respect to the flow of the oxygen-containing gas.
Solid oxide electrolysis cell.
請求項1または請求項2に記載の固体酸化物形電解セルにおいて、
前記燃料極には、水蒸気を含む燃料ガスが、100~130リットル/(分・cm)の流量で供給されて用いられる、
固体酸化物形電解セル。
The solid oxide electrolysis cell according to claim 1 or 2,
A fuel gas containing water vapor is supplied to the fuel electrode at a flow rate of 100 to 130 liters/(min·cm 2 ).
Solid oxide electrolysis cell.
請求項1または請求項2に記載の固体酸化物形電解セルにおいて、
前記空気極には、酸素を含むガスが、30~50リットル/(分・cm)の流量で供給されて用いられる、
固体酸化物形電解セル。
The solid oxide electrolysis cell according to claim 1 or 2,
An oxygen-containing gas is supplied to the air electrode at a flow rate of 30 to 50 liters/(min·cm 2 ).
Solid oxide electrolysis cell.
請求項1または請求項2に記載の固体酸化物形電解セルにおいて、
前記空気極が面する空気室の容積が、9cm~11cmである、
固体酸化物形電解セル。
The solid oxide electrolysis cell according to claim 1 or 2,
The volume of the air chamber facing the air electrode is 9 cm 3 to 11 cm 3 .
Solid oxide electrolysis cell.
請求項1または請求項2に記載の固体酸化物形電解セルと、
前記固体電解質層に配置される、中央が開口したセパレータと、を備える、
セパレータ付きセル。
The solid oxide electrolysis cell according to claim 1 or 2; and
a separator having an opening in the center and disposed on the solid electrolyte layer;
Cell with separator.
請求項1または請求項2に記載の固体酸化物形電解セルを複数積層した電解スタック。 An electrolysis stack comprising multiple stacked solid oxide electrolysis cells according to claim 1 or claim 2. 請求項9に記載の電解スタックと、
前記電解スタックに供給される水蒸気を生成する気化器と、
前記電解スタックに供給されるガスとの間で熱交換を行う熱交換器と、
前記電解スタックを加熱するためのヒータと、
前記電解スタック、前記気化器、前記熱交換器および前記ヒータが内部に配置された断熱材と、を備える、
ホットモジュール。
10. The electrolytic stack of claim 9;
a vaporizer that generates water vapor that is supplied to the electrolysis stack;
a heat exchanger that exchanges heat with the gas supplied to the electrolysis stack;
a heater for heating the electrolysis stack;
a thermal insulator in which the electrolysis stack, the vaporizer, the heat exchanger, and the heater are disposed,
Hot module.
請求項10に記載のホットモジュールを備える水素製造装置。
A hydrogen production device comprising the hot module according to claim 10.
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