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公開番号2025016150
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-01-31
出願番号2023119239
出願日2023-07-21
発明の名称固体酸化物形電気化学セル及び固体酸化物形電気化学セルスタック
出願人東芝エネルギーシステムズ株式会社
代理人弁理士法人サクラ国際特許事務所
主分類C25B 1/042 20210101AFI20250124BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】主反応である水素極の反応性を向上させると共に、支持体として機能する水素極及びそれを用いたセルの強度を高めることを可能にした固体酸化物形電気化学セルを提供する。
【解決手段】実施形態の固体酸化物形電気化学セルは、水素極と、固体酸化物電解質層と、酸素極とを具備する。実施形態の固体酸化物形電気化学セルにおいて、水素極110は、酸化物電解質層と接するように配置される第1水素極層と、第1水素極層の酸化物電解質層と接する第1面とは反対側の第2面と接する第2水素極層112とを備える。第1水素極層は、第1金属粒子と、第1金属酸化物粒子とを有し、第2水素極層112は、第2金属粒子M2を担持する第2金属酸化物粒子OX3を有する。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
水素極と、固体酸化物電解質層と、酸素極とを具備する固体酸化物形電気化学セルであって、
前記水素極は、前記酸化物電解質層と接するように配置される第１水素極層と、前記第１水素極層の前記酸化物電解質層と接する第１面とは反対側の第２面と接する第２水素極層とを備え、
前記第１水素極層は、第１金属粒子と、第１金属酸化物粒子とを有し、
前記第２水素極層は、第２金属粒子を担持する第２金属酸化物粒子を有する、固体酸化物形電気化学セル。
続きを表示（約 990 文字）【請求項２】
前記第２水素極層は、さらに第３金属粒子と第３金属酸化物粒子とを有する、請求項１に記載の固体酸化物形電気化学セル。
【請求項３】
前記第１金属粒子は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、及びＦｅからなる群より選ばれる少なくとも１つを含み、第１金属酸化物粒子は、Ｙ及びＳｃから選ばれる少なくとも１つの酸化物で安定化されたジルコニア、Ｓｍ、Ｇｄ、及びＹから選ばれる少なくとも１つの酸化物がドープされたセリア、及びＹがドープされたチタン酸ストロンチウムからなる群より選ばれる少なくとも１つを含み、
前記第２金属粒子は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、及びＦｅからなる群より選ばれる少なくとも１つを含み、前記第２金属酸化物粒子は、アルミナ、マグネシア、及びシリカからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む、請求項１に記載の固体酸化物形電気化学セル。
【請求項４】
前記第３金属粒子は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、及びＦｅからなる群より選ばれる少なくとも１つを含み、前記第３金属酸化物粒子は、Ｙ及びＳｃから選ばれる少なくとも１つの酸化物で安定化されたジルコニア、Ｓｍ、Ｇｄ、及びＹから選ばれる少なくとも１つの酸化物がドープされたセリア、及びＹがドープされたチタン酸ストロンチウムからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む、請求項２に記載の固体酸化物形電気化学セル。
【請求項５】
前記第２水素極層は、前記第２金属粒子を担持する前記第２金属酸化物粒子を３体積％以上３０体積％以下の範囲で含有する、請求項１に記載の固体酸化物形電気化学セル。
【請求項６】
前記第２金属粒子は、２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の平均粒径を有する、請求項１に記載の固体酸化物形電気化学セル。
【請求項７】
前記第２金属粒子は、金属酸化物粒子の還元物である、請求項１に記載の固体酸化物形電気化学セル。
【請求項８】
前記固体酸化物形電気化学セルは、二酸化炭素を電解する電解セル、又は二酸化炭素及び水を共電解する電解セルである、請求項１に記載の固体酸化物形電気化学セル。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の固体酸化物形電気化学セルを、複数積層された状態で具備する固体酸化物形電気化学セルスタック。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、固体酸化物形電気化学セル及び固体酸化物形電気化学セルスタックに関する。
続きを表示（約 2,500 文字）【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形電気化学セル（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＣｅｌｌ：ＳＯＣ）は、その高い作動温度（６００～１０００℃）から、高価な貴金属触媒を用いなくても十分な反応速度を得ることができるため、固体酸化物形燃料電池（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ：ＳＯＦＣ）や固体酸化物形電解セル（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＥｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓＣｅｌｌ：ＳＯＥＣ）として使用されている。ＳＯＦＣは他のタイプの燃料電池と比較して発電効率が高く、ＣＯ
２
の発生も少ないため、次世代のクリーンな発電システムとして期待されている。ＳＯＥＣは、その高い動作温度により原理的に低い電解電圧で水素を製造することが可能であるため、高効率水素製造装置として期待されている。また、その高い作動温度から、水蒸気だけでなく、ＣＯ
２
も電解することが可能であり、ＣＯ
２
電解装置もしくはＣＯ
２
／Ｈ
２
Ｏ共電解装置としても作動させることができる。さらに、ＳＯＦＣ／ＳＯＥＣを用いた電力貯蔵システムとしての利用も検討されている。
【０００３】
ＳＯＦＣやＳＯＥＣ等として用いられるＳＯＣは、固体酸化物電解質層の片側に水素極（ＳＯＦＣ：水素消費極、ＳＯＥＣ：水素発生極）を配置し、反対側に酸素極（ＳＯＦＣ：酸素消費極、ＳＯＥＣ：酸素発生極）を配置した構造を有する。両電極には、反応ガスが十分に拡散できるように多孔質な構造を有すると共に、電気伝導性を有する構成が適用される。ＳＯＣの電解質には、高い導電率を持つ安定化ジルコニア系やランタン－ガリウム系酸化物（ＬａＧａＯ
３
系）が一般的に用いられる。セルの特性は電極触媒の活性と、端子間のオーム抵抗に依存する抵抗損失により決定され、電解反応時には特に水素極側の触媒活性が重要になる。また、セルの強度を担保するために、水素極側を支持体とする構造を有することが多い。このため、水素極にはセルを支持する強度と、触媒活性、電気伝導性及び反応ガスの拡散性が求められる。さらに、ＣＯ
２
電解もしくはＣＯ
２
／Ｈ
２
Ｏ共電解では、水素極上でＣＯ
２
→ＣＯ＋１／２Ｏ
２
の主反応の他に、好ましくないＣ析出の副反応（ＣＯ
２
→Ｃ＋Ｏ
２
やＣＯ→Ｃ＋１／２Ｏ
２
）が起こる可能性がある。
【０００４】
上記したように、ＳＯＣの主反応である水素極の反応性を向上させると共に、支持体として機能する水素極の強度、ひいてはＳＯＣのセル強度を向上させることが求められている。さらに、水蒸気電解で反応させるＨ
２
Ｏよりも、安定なＣＯ
２
電解もしくはＣＯ
２
／Ｈ
２
Ｏ共電解の水素極で起こる、ＣＯ
２
→ＣＯ＋１／２Ｏ
２
の主反応を優位に進めると共に、好ましくないＣが析出する副反応（ＣＯ
２
→Ｃ＋Ｏ
２
やＣＯ→Ｃ＋１／２Ｏ
２
）を抑制することが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特開２０１８－１５４８６４号公報
特開２０１６－０７１９８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、ＳＯＣの主反応である水素極の反応性を向上させると共に、支持体として機能する水素極及びそれを用いたセルの強度を高めることを可能にした固体酸化物形電気化学セル及び固体酸化物形電気化学セルスタックを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の固体酸化物形電気化学セルは、水素極と、固体酸化物電解質層と、酸素極とを具備する。実施形態の固体酸化物形電気化学セルにおいて、前記水素極は、前記酸化物電解質層と接するように配置される第１水素極層と、前記第１水素極層の前記酸化物電解質層と接する第１面とは反対側の第２面と接する第２水素極層とを備える。前記第１水素極層は、第１金属粒子と、第１金属酸化物粒子とを有し、前記第２水素極層は、第２金属粒子を担持する第２金属酸化物粒子を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
実施形態の固体酸化物形電気化学セルを示す断面図である。
図１に示す固体酸化物形電気化学セルの第２水素極層の構成を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態の固体酸化物形電気化学セルについて、図面を参照して説明する。以下に示す各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。なお、以下の説明における“～”の記号は、それぞれの数値の上限値と下限値の間の範囲を示すものである。その場合、各数値範囲は上限値及び下限値を含むものである。
【００１０】
図１は実施形態による固体酸化物形電気化学セルの断面を示している。図１に示す固体酸化物形電気化学セルは、水素極支持型の平板型電気化学セル１００であり、多孔質の水素極１１０と、固体酸化物電解質１２０と、酸素極１３０との積層構造を具備している。水素極１１０は、固体酸化物電解質１２０と接するように配置される水素極活性層としての第１水素極層１１０と、第１水素極層１１０の固体酸化物電解質１２０と接する第１面とは反対側の第２面と接する水素極支持層としての第２水素極層１１２とを備えている。固体酸化物電解質１２０と酸素極１３０との間に反応防止層１３１を配置してもよい。
（【００１１】以降は省略されています）

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