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公開番号2025150864
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-10-09
出願番号2024052004
出願日2024-03-27
発明の名称固体酸化物形電解セルおよびその利用
出願人日本特殊陶業株式会社
代理人個人,個人
主分類C25B 11/091 20210101AFI20251002BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】空気極へのクラックの発生を抑制できる技術を提供する。
【解決手段】固体酸化物形電解セルの空気極は、一般式A1_xA2_yBO_3-δ(ただし、0.9≦x+y<1、δは酸素欠損量)で表され、主成分としてのペロブスカイト構造を有する複合酸化物と、クロムを含有する第1の物質と、硫黄を含有する第2の物質と、前記複合酸化物とは異なる物質であって、コバルトと鉄との少なくとも一方を含有する第3の物質と、を含み、前記空気極の断面における前記第1の物質と前記第2の物質と前記第3の物質との面積占有率の合計は、0.02%以上10.5%以下である。
【選択図】図2

特許請求の範囲【請求項１】
固体酸化物形電解セルの空気極であって、
一般式Ａ１
ｘ
Ａ２
ｙ
ＢＯ
３－δ
（ただし、０．９≦ｘ＋ｙ＜１、δは酸素欠損量）で表され、主成分としてのペロブスカイト構造を有する複合酸化物と、
クロムを含有する第１の物質と、
硫黄を含有する第２の物質と、
前記複合酸化物とは異なる物質であって、コバルトと鉄との少なくとも一方を含有する第３の物質と、
を含み、
前記空気極の断面における前記第１の物質と前記第２の物質と前記第３の物質との面積占有率の合計は、０．０２％以上１０．５％以下である、
空気極。
続きを表示（約 1,200 文字）【請求項２】
請求項１に記載の空気極と、
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、
を備える、
固体酸化物形電解セル。
【請求項３】
請求項２に記載の固体酸化物形電解セルにおいて、
前記空気極の断面における前記第１の物質と前記第２の物質と前記第３の物質との面積占有率の合計は、前記固体電解質層側の界面から１０μｍ以内の界面領域よりも、前記固体電解質層側とは反対の表面から１０μｍ以内の表面領域の方が大きい、
固体酸化物形電解セル。
【請求項４】
請求項３に記載の固体酸化物形電解セルにおいて、
前記空気極の断面における前記第１の物質と前記第２の物質と前記第３の物質との面積占有率の合計は、
前記表面領域において、０．１％以上１０．５％以下であり、
前記界面領域において、０．０２％以上５．２％以下である、
固体酸化物形電解セル。
【請求項５】
請求項２から請求項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
２
）の流量で供給されて用いられる、
固体酸化物形電解セル。
【請求項６】
請求項２から請求項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、
前記空気極には、酸素を含むガスが、３０～５０リットル／（分・ｃｍ
２
）の流量で供給されて用いられる、
固体酸化物形電解セル。
【請求項７】
請求項２から請求項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、
前記空気極が面する空気室の容積が、９ｃｍ
３
～１１ｃｍ
３
である、
固体酸化物形電解セル。
【請求項８】
請求項２から請求項４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。
【請求項９】
請求項２から請求項４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。
【請求項１０】
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。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
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。
続きを表示（約 1,800 文字）【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開２０２３－０８０４５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般的に、ＳＯＦＣでは、使用時に燃料極で酸素が消費されるため、空気室側でガス圧力が下がるが、ＳＯＥＣでは、使用時に空気極側で酸素が発生するため、空気室側のガス圧力が上がったり、燃料ガスである水蒸気が気化する際の急激なガス圧力の上昇等により、ＳＯＦＣとは異なる応力がかかり空気極にクラックが発生する虞がある。また、一般的に、ＳＯＥＣでは、電流密度が低下することを抑制する技術が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示は、以下の形態として実現することができる。
【０００７】
（１）本開示の一形態によれば、固体酸化物形電解セルの空気極が提供される。この空気極は、一般式Ａ１
ｘ
Ａ２
ｙ
ＢＯ
３－δ
（ただし、０．９≦ｘ＋ｙ＜１、δは酸素欠損量）で表され、主成分としてのペロブスカイト構造を有する複合酸化物と、クロムを含有する第１の物質と、硫黄を含有する第２の物質と、前記複合酸化物とは異なる物質であって、コバルトと鉄との少なくとも一方を含有する第３の物質と、を含み、前記空気極の断面における前記第１の物質と前記第２の物質と前記第３の物質との面積占有率の合計は、０．０２％以上１０．５％以下である。この形態の固体酸化物形電解セルの空気極によれば、固体酸化物形電解セルの使用時において、空気極へのクラックの発生を抑制することができる。
【０００８】
（２）本開示の他の形態によれば、上記（１）に記載の空気極と、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、を備える、固体酸化物形電解セルが提供される。この形態の固体酸化物形電解セルによれば、空気極へのクラックの発生を抑制することができる。
【０００９】
（３）上記（２）に記載の固体酸化物形電解セルにおいて、前記空気極の断面における前記第１の物質と前記第２の物質と前記第３の物質との面積占有率の合計は、前記固体電解質層側の界面から１０μｍ以内の界面領域よりも、前記固体電解質層側とは反対の表面から１０μｍ以内の表面領域の方が大きくてもよい。この形態の固体酸化物形電解セルによれば、空気極へのクラックの発生を効果的に抑制することができる。
【００１０】
（４）上記（３）に記載の固体酸化物形電解セルにおいて、前記空気極の断面における前記第１の物質と前記第２の物質と前記第３の物質との面積占有率の合計は、前記表面領域において、０．１％以上１０．５％以下であってもよく、前記界面領域において、０．０２％以上５．２％以下であってもよい。この形態の固体酸化物形電解セルによれば、空気極へのクラックの発生を効果的に抑制することができる。
（【００１１】以降は省略されています）

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