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公開番号2024143843
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-10-11
出願番号2023056751
出願日2023-03-30
発明の名称電解セル
出願人株式会社豊田中央研究所,株式会社デンソー
代理人個人
主分類C25B 11/032 20210101AFI20241003BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】高温の水蒸気に曝されても電極構造の変化が少ない燃料極を備えた電解セルを提供すること。
【解決手段】電解セルは、固体酸化物電解質Aを含む電解質層と、前記電解質層の一方の面に形成された燃料極と、前記電解質層の他方の面に形成された空気極と、前記電解質層と前記空気極との間に挿入された中間層とを備えている。前記燃料極は、Ni系粒子と、酸素吸蔵能を有する固体酸化物電解質Bからなる多孔質の電解質粒子とを備えている。前記燃料極の比表面積は、100m²/g以上である。
【選択図】図4
特許請求の範囲【請求項１】
以下の構成を備えた電解セル。
（１）前記電解セルは、
固体酸化物電解質Ａを含む電解質層と、
前記電解質層の一方の面に形成された燃料極と、
前記電解質層の他方の面に形成された空気極と、
前記電解質層と前記空気極との間に挿入された中間層と
を備えている。
（２）前記燃料極は、
Ｎｉ系粒子と、
酸素吸蔵能を有する固体酸化物電解質Ｂからなる多孔質の電解質粒子と
を備えている。
（３）前記燃料極の比表面積は、１００ｍ
2
／ｇ以上である。
続きを表示（約 1,200 文字）【請求項２】
前記電解セルは、
細孔径が０．１μｍ以上０．５μｍ以下であるマクロ孔Ａと、
細孔径が５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であるメソ孔Ａと
を含み
前記マクロ孔Ａの細孔容積は、０．０２ｃｃ／ｇ以上であり、
前記メソ孔Ａの細孔容積は、０．２ｃｃ／ｇ以上である
請求項１に記載の電解セル。
【請求項３】
前記燃料極は、
細孔径が０．１μｍ以上０．５μｍ以下であるマクロ孔Ｂと、
細孔径が５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であるメソ孔Ｂと
を含み、
前記マクロ孔Ｂの細孔容積は、０．０１ｃｃ／ｇ以上であり、
前記メソ孔Ｂの細孔容積は、０．２ｃｃ／ｇ以上である
請求項１に記載の電解セル。
【請求項４】
前記固体酸化物電解質Ｂは、次の式（１）で表される組成を有するＹＣＺからなる請求項１に記載の電解セル。
Ｙ
x
Ｃｅ
y
Ｚｒ
1-x-y
Ｏ
2-δ
（１）
但し、
０＜ｘ≦０．２、０＜ｙ≦０．２、
δは電気的中性が保たれる値。
【請求項５】
次の式（２）で表される反応抵抗（Ｒct2）増加率が２００％以下である請求項１に記載の電解セル。
反応抵抗（Ｒct2）増加率＝（Ｒ
2
－Ｒ
1
）×１００／Ｒ
1
…（２）
但し、
Ｒ
1
は、製造直後の前記燃料極の電気化学反応抵抗、
Ｒ
2
は、耐久試験後の前記燃料極の電気化学反応抵抗。
【請求項６】
前記電解質層は、前記固体酸化物電解質Ａとして、
イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、
スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、
サマリアドープトセリア（ＳＤＣ）、又は、
ランタンストロンチウムガリウムマグネシウム酸化物（ＬＳＧＭ）
を含む請求項１に記載の電解セル。
【請求項７】
前記空気極は、
ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）、
ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）、又は、
ランタンストロンチウムコバルタイト（ＬＳＣ）、
を含む請求項１に記載の電解セル。
【請求項８】
前記中間層は、ＧｄドープＣｅＯ
2
（ＧＤＣ）を含む請求項１に記載の電解セル。
【請求項９】
前記空気極の表面に形成された空気極側集電層、及び／又は、
前記燃料極の表面に形成された燃料極側集電層
をさらに備えている請求項１に記載の電解セル。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解セルに関し、さらに詳しくは、高温の水蒸気に曝されても電極構造の変化が少ない燃料極を備えた電解セルに関する。
続きを表示（約 2,500 文字）【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質として酸化物イオン伝導体を用いた燃料電池である。ＳＯＦＣのアノード（燃料極）に、Ｈ
2
、ＣＯ、ＣＨ
4
などの燃料ガスを供給し、カソード（酸素極）にＯ
2
を供給すると、電極反応が進行し、電力を取り出すことができる。電極反応により生成したＣＯ
2
やＨ
2
Ｏは、ＳＯＦＣ外に排出される。
一方、固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）は、ＳＯＦＣと構造は同じであるが、ＳＯＦＣとは逆の反応を起こさせるものである。すなわち、ＳＯＥＣのカソード（燃料極）にＣＯ
2
やＨ
2
Ｏを供給し、電極間に電流を流すと、ＣＯやＨ
2
を生成させることができる。
【０００３】
ＳＯＥＣは、電解質の一方の面にアノード（空気極）が接合され、他方の面にカソード（燃料極）が接合された単セルを備えている。このようなＳＯＥＣを構成する部材の材料として、一般的には、以下のような材料が用いられている（非特許文献１～６参照）。
（ａ）電解質：イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、サマリアドープトセリア（ＳＤＣ）、ランタンストロンチウムガリウムマグネシウム酸化物（ＬＳＧＭ）など。
（ｂ）空気極：ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）、ランタンストロンチウムコバルタイト（ＬＳＣ）など。
（ｃ）燃料極：Ｎｉ／ＹＳＺ、Ｎｉ／ＳＤＣ、Ｎｉ－Ｆｅ／ＳＤＣなど。
【０００４】
ＳＯＥＣの燃料極には、一般に、Ｎｉ／ＹＳＺサーメットが用いられる。しかし、燃料極には、水素製造の原料となる水蒸気が高温下（７００℃以上）で供給される。そのため、燃料極に含まれるＮｉが容易に酸化され、電極構造が変化する。その結果、電解特性が低下する。
【０００５】
この問題を解決するために、特許文献１には、Ｎｉ含有粒子と、Ａ
2
Ｏ
3
（但し，Ａ＝Ｙ、Ｌａ、及び／又は、Ｓｃ）、ＣｅＯ
2
及びＺｒＯ
2
の複合酸化物（ＡＣＺ）からなるＡＣＺ粒子とを含む燃料極が提案されている。
また、特許文献２には、Ｎｉ含有粒子と、Ｙ、Ｓｃ、及びＣｅがドープされたＺｒＯ
2
からなるＹＳｃＣＺ粒子とを含むサーメットからなる活性層が提案されている。
しかしながら、燃料極に使用される材料の最適化のみによって、ＳＯＥＣの耐久性を向上させるのは限界がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特開２０２２－１８１９７６号公報
特開２０２２－０７４１８９号公報
【非特許文献】
【０００７】
Ebbesen, S. D.; Hansen, J. B.; Morgensen, M. B. ECS Trans. 2013, 57, 3217.
Jensen, S. H.; Larsen, P. H.; Mogensen, M. Int. J. Hydrogen Energy 2007, 32, 3253.
Katahira, K.; Kohchi, Y.; Shimura, T.; Iwahara, H. Solid State Ionics 2000, 138, 91.
Languna-Bercero, M. A.; Skinner, S. J.; Kilner, J. A. J. Power Sources 2009, 192, 126.
O'Brien, J. E.; Stoots, C. M.; Herring, J. S.; Lessing, P. A.; Hartvigsen, J. J.; Elangovan, S. J. Fuel Cell Sci. Technol. 2005, 2, 156.
Sune Dalgaard Ebbesen, Soren Hojgaard Jensen, Anne Hauch, and Morgens Bjerg Morgensen, Chem. Rev. 2014, 114, 1069
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、高温の水蒸気に曝されても電極構造の変化が少ない燃料極を備えた電解セルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明に係る電解セルは、以下の構成を備えている。
（１）前記電解セルは、
固体酸化物電解質Ａを含む電解質層と、
前記電解質層の一方の面に形成された燃料極と、
前記電解質層の他方の面に形成された空気極と、
前記電解質層と前記空気極との間に挿入された中間層と
を備えている。
（２）前記燃料極は、
Ｎｉ系粒子と、
酸素吸蔵能を有する固体酸化物電解質Ｂからなる多孔質の電解質粒子と
を備えている。
（３）前記燃料極の比表面積は、１００ｍ
2
／ｇ以上である。
【発明の効果】
【００１０】
電解セルの燃料極は、一般に、Ｎｉ系粒子と、電解質粒子とを含むサーメットからなる。電解質粒子には、通常、共沈法などの方法により製造された緻密な粒子（細孔の少ない粒子）が用いられる。緻密な電解質粒子を用いた燃料極は、低比表面積であり、燃料極の比表面積が１００ｍ
2
／ｇを超えることはない。
（【００１１】以降は省略されています）

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