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JP7592986B2 - Electrochemical Cell - Google Patents

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JP7592986B2
JP7592986B2 JP2020105181A JP2020105181A JP7592986B2 JP 7592986 B2 JP7592986 B2 JP 7592986B2 JP 2020105181 A JP2020105181 A JP 2020105181A JP 2020105181 A JP2020105181 A JP 2020105181A JP 7592986 B2 JP7592986 B2 JP 7592986B2
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Description

本発明は、電気化学セルに関する。 The present invention relates to an electrochemical cell.

従来、酸素イオン伝導性を有する固体電解質層を用いた水電解セルや燃料電池セルなどの電気化学セルが知られている。例えば、特許文献1には、酸素極の内部に、電流を供給する酸素極給電体の一部を埋設した水電解セルが開示されている。同文献によれば、かかる構成により、酸素極と酸素極給電体との密着性を長期間にわたって持続することができ、酸素極に均一に電解電流を供給し、接触抵抗の増大を抑制することができるとされている。 Conventionally, electrochemical cells such as water electrolysis cells and fuel cells using a solid electrolyte layer with oxygen ion conductivity are known. For example, Patent Document 1 discloses a water electrolysis cell in which a part of an oxygen electrode power supply that supplies current is embedded inside the oxygen electrode. According to the document, this configuration makes it possible to maintain adhesion between the oxygen electrode and the oxygen electrode power supply for a long period of time, to supply electrolysis current uniformly to the oxygen electrode, and to suppress an increase in contact resistance.

特開2008-045152号公報JP 2008-045152 A

上述した従来技術では、酸素極と酸素極給電体との材質が異なる限り、熱膨張差などによって接触不良が生じることが避けられない。つまり、従来技術では、酸素極において、酸素極と酸素極給電体との間に、接触している部分と接触していない部分とが局所的に発生する。そのため、従来技術では、セル面内での均一反応を得ることができず、セル面内に反応ムラが生じやすい。 In the above-mentioned conventional technology, as long as the oxygen electrode and the oxygen electrode power supply are made of different materials, poor contact due to differences in thermal expansion and the like is unavoidable. In other words, in the conventional technology, there are localized areas of contact and areas of non-contact between the oxygen electrode and the oxygen electrode power supply in the oxygen electrode. Therefore, in the conventional technology, it is not possible to obtain a uniform reaction within the cell surface, and reaction unevenness is likely to occur within the cell surface.

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、セル面内の反応ムラを抑制することが可能な電気化学セルを提供しようとするものである。 The present invention was made in consideration of these problems, and aims to provide an electrochemical cell that can suppress uneven reactions within the cell surface.

本発明の一態様は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質層(2)と、上記固体電解質層の一方面側に配置され、燃料(F、F1、F2)が供給される第1電極(3)と、上記固体電解質層の他方面側に配置され、上記第1電極と対をなす第2電極(4)とを備え、
上記第2電極は、酸素不定比性を有する金属酸化物(41)と、上記酸素不定比性を有する金属酸化物の分解物(42)とを含み、
上記酸素不定比性を有する金属酸化物は、セル定常動作時であって、10 -1 bar~10 -0.5 bar未満の酸素分圧下で分解せず、セル定常動作時の温度かつ酸素分圧が10-6bar以下、または、10-0.5bar以上で分解する材料である、
電気化学セル(1)にある。
One aspect of the present invention is a fuel cell comprising: a solid electrolyte layer (2) having oxygen ion conductivity; a first electrode (3) disposed on one side of the solid electrolyte layer and supplied with fuels (F, F1, F2); and a second electrode (4) disposed on the other side of the solid electrolyte layer and paired with the first electrode;
The second electrode includes a metal oxide having oxygen non-stoichiometry (41) and a decomposition product of the metal oxide having oxygen non-stoichiometry (42),
The metal oxide having oxygen non-stoichiometry is a material that does not decompose under an oxygen partial pressure of 10 −1 bar to less than 10 −0.5 bar during steady-state cell operation , but decomposes at a temperature during steady-state cell operation and an oxygen partial pressure of 10 −6 bar or less, or 10 −0.5 bar or more.
Located in an electrochemical cell (1).

上記電気化学セルは、上記構成を有する。そのため、上記電解化学セルによれば、セル面内の反応ムラを抑制することができる。 The electrochemical cell has the above configuration. Therefore, the electrochemical cell can suppress uneven reaction within the cell surface.

なお、特許請求の範囲およ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。 The reference characters in parentheses in the claims and the means for solving the problems indicate the corresponding relationship with the specific means described in the embodiments described below, and do not limit the technical scope of the present invention.

図1は、実施形態1に係る電気化学セルの微構造を模式的に示した説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a schematic microstructure of an electrochemical cell according to the first embodiment. 図2は、第2電極内の局所的に電流が流れやすい部分において、酸素不定比性を有する金属酸化物の一部が、酸素不定比性を有する金属酸化物の分解物に変換され、他の反応場に反応が移る様子を模式的に示した図であり、(a)は酸素不定比性を有する金属酸化物の分解前、(b)は酸素不定比性を有する金属酸化物の分解後を示した図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing how a part of a metal oxide having oxygen non-stoichiometry is converted into a decomposition product of a metal oxide having oxygen non-stoichiometry in a portion of the second electrode where current flows easily locally, and the reaction shifts to another reaction field, in which (a) shows the state before the decomposition of a metal oxide having oxygen non-stoichiometry, and (b) shows the state after the decomposition of a metal oxide having oxygen non-stoichiometry. 図3は、実施形態1に係る電気化学セルを固体酸化物形電解セルとして動作させる場合(SOECモード)について説明するための説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining a case where the electrochemical cell according to the first embodiment is operated as a solid oxide electrolysis cell (SOEC mode). 図4は、実施形態1に係る電気化学セルを固体酸化物形燃料電池セルとして動作させる場合(SOFCモード)について説明するための説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining a case where the electrochemical cell according to the first embodiment is operated as a solid oxide fuel cell (SOFC mode). 図5は、実施形態2に係る電気化学セルの微構造を模式的に示した説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating a schematic microstructure of the electrochemical cell according to the second embodiment. 実験例において作製された電気化学セルが有する第2電極のXRD分析結果を示した図である。FIG. 13 is a diagram showing the results of an XRD analysis of a second electrode of an electrochemical cell fabricated in an experimental example.

本実施形態の電気化学セルは、酸素イオン伝導性を有する固体電解質層と、上記固体電解質層の一方面側に配置され、燃料が供給される第1電極と、上記固体電解質層の他方面側に配置され、上記第1電極と対をなす第2電極とを備え、
上記第2電極は、酸素不定比性を有する金属酸化物と、上記酸素不定比性を有する金属酸化物の分解物とを含む。
The electrochemical cell of the present embodiment includes a solid electrolyte layer having oxygen ion conductivity, a first electrode disposed on one side of the solid electrolyte layer and to which a fuel is supplied, and a second electrode disposed on the other side of the solid electrolyte layer and paired with the first electrode,
The second electrode includes a metal oxide having oxygen non-stoichiometry and a decomposition product of the metal oxide having oxygen non-stoichiometry.

酸素イオン伝導性を有する固体電解質層を用いる電気化学セルでは、燃料が供給される第1電極において三相界面にて生じる電気化学反応が用いられることが多く、何も対策がなされていないとセル面内での反応ムラが生じやすい。上記電解化学セルでは、第1電極の微構造の不均一などに起因して局所的に電解電流や発電電流が流れやすい部分が生じた場合に、第1電極と対をなす第2電極では、局所的な過負荷電解反応や過負荷発電反応(以下、まとめて過負荷反応ということがある。)により、局所的に高酸素濃度雰囲気や低酸素濃度雰囲気が生じる。第2電極においてこのような高酸素濃度雰囲気や低酸素濃度雰囲気が生じた部分では、酸素不定比性を有する金属化合物が分解し、活性が低下した分解物あるいは不活性の分解物が生じる。そのため、他の反応場に反応が移り、局所的な過負荷反応が抑制される。それ故、上記電解化学セルによれば、セル面内の反応ムラを抑制することができる。また、セル面内の反応ムラの抑制により、第1電極における微構造破壊による劣化も抑制され、信頼性の高い電気化学セルが得られる。 In electrochemical cells using a solid electrolyte layer with oxygen ion conductivity, electrochemical reactions occurring at the three-phase interface in the first electrode to which fuel is supplied are often used, and if no measures are taken, reaction unevenness is likely to occur within the cell surface. In the above electrochemical cell, when a portion where electrolysis current or generation current is likely to flow locally occurs due to unevenness in the microstructure of the first electrode, a high oxygen concentration atmosphere or a low oxygen concentration atmosphere is locally generated in the second electrode paired with the first electrode due to a local overload electrolysis reaction or overload generation reaction (hereinafter, collectively referred to as an overload reaction). In the portion of the second electrode where such a high oxygen concentration atmosphere or low oxygen concentration atmosphere occurs, a metal compound having oxygen non-stoichiometry decomposes, generating decomposition products with reduced activity or inactive decomposition products. Therefore, the reaction moves to another reaction field, and the local overload reaction is suppressed. Therefore, with the above electrochemical cell, reaction unevenness within the cell surface can be suppressed. In addition, by suppressing reaction unevenness within the cell surface, deterioration due to microstructural destruction in the first electrode is also suppressed, and a highly reliable electrochemical cell can be obtained.

以下、本実施形態の電気化学セルについて、図面を用いて詳細に説明する。なお、本実施形態の電気化学セルは、以下の例示によって限定されるものではない。 The electrochemical cell of this embodiment will be described in detail below with reference to the drawings. Note that the electrochemical cell of this embodiment is not limited to the following examples.

(実施形態1)
実施形態1の電気化学セルについて、図1~図4を用いて説明する。図1に例示されるように、本実施形態の電気化学セル1は、固体電解質層2と、第1電極3と、第2電極4とを備えている。第1電極3は、固体電解質層2の一方面側に配置されている。第2電極4は、固体電解質層2の他方面側に配置されている。図1では、具体的には、第1電極3、固体電解質層2、および、第2電極4がこの順に積層され、互いに接合されている例が示されている。
(Embodiment 1)
The electrochemical cell of the first embodiment will be described with reference to Figures 1 to 4. As illustrated in Figure 1, the electrochemical cell 1 of the present embodiment includes a solid electrolyte layer 2, a first electrode 3, and a second electrode 4. The first electrode 3 is disposed on one side of the solid electrolyte layer 2. The second electrode 4 is disposed on the other side of the solid electrolyte layer 2. Specifically, Figure 1 shows an example in which the first electrode 3, the solid electrolyte layer 2, and the second electrode 4 are stacked in this order and joined to each other.

なお、電気化学セル1は、固体電解質層2と第2電極4との間に中間層(不図示)をさらに備えることができる。中間層は、主に、固体電解質層2の材料と第2電極4の材料との反応を抑制するための層である。この場合、電気化学セル1は、具体的には、第1電極3、固体電解質層2、中間層、および、第2電極4がこの順に積層され、互いに接合された構成とすることができる。また、電気化学セル1は、平板形のセル構造を有することができる。また、電気化学セル1は、第1電極3が支持体としての機能を兼ねるように構成されていてもよいし、固体電解質層2が支持体としての機能を兼ねるように構成されていてもよいし、金属部材等の他の支持体(不図示)によって支持される構成とされていてもよい。 The electrochemical cell 1 may further include an intermediate layer (not shown) between the solid electrolyte layer 2 and the second electrode 4. The intermediate layer is a layer for mainly suppressing a reaction between the material of the solid electrolyte layer 2 and the material of the second electrode 4. In this case, the electrochemical cell 1 may specifically have a configuration in which the first electrode 3, the solid electrolyte layer 2, the intermediate layer, and the second electrode 4 are stacked in this order and joined together. The electrochemical cell 1 may have a flat cell structure. The electrochemical cell 1 may be configured so that the first electrode 3 also functions as a support, or the solid electrolyte layer 2 also functions as a support, or may be configured to be supported by another support (not shown) such as a metal member.

固体電解質層2は、酸素イオン伝導性を有している。固体電解質層2は、具体的には、酸素イオン電導性を有する固体電解質より層状に構成されることができる。固体電解質層2は、ガス密性を確保するため、通常、緻密質に形成される。固体電解質層2を構成する固体電解質としては、例えば、強度、熱的安定性に優れるなどの観点から、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(ScSZ)などの酸化ジルコニウム系酸化物を好適に用いることができる。固体電解質層2を構成する固体電解質としては、酸素イオン伝導性、機械的安定性、他の材料との両立、酸化雰囲気から還元雰囲気まで化学的に安定であるなどの観点から、イットリア安定化ジルコニアなどが好適である。 The solid electrolyte layer 2 has oxygen ion conductivity. Specifically, the solid electrolyte layer 2 can be formed in layers from solid electrolytes having oxygen ion conductivity. The solid electrolyte layer 2 is usually formed to be dense in order to ensure gas tightness. As the solid electrolyte constituting the solid electrolyte layer 2, for example, zirconium oxide oxides such as yttria-stabilized zirconia (YSZ) and scandia-stabilized zirconia (ScSZ) can be preferably used from the viewpoints of excellent strength and thermal stability. As the solid electrolyte constituting the solid electrolyte layer 2, yttria-stabilized zirconia and the like are preferable from the viewpoints of oxygen ion conductivity, mechanical stability, compatibility with other materials, and chemical stability from oxidizing atmospheres to reducing atmospheres.

固体電解質層2を支持体として機能させない場合、固体電解質層2の厚みは、電気抵抗などの観点から、好ましくは、3~20μm、より好ましくは、3.5~15μm、さらに好ましくは、4~10μmとすることができる。固体電解質層2を支持体として機能させる場合、固体電解質層2の厚みは、強度、電気抵抗などの観点から、好ましくは、30~300μm、より好ましくは、50~200μm、さらに好ましくは、100~150μmとすることができる。 When the solid electrolyte layer 2 does not function as a support, the thickness of the solid electrolyte layer 2 can be preferably 3 to 20 μm, more preferably 3.5 to 15 μm, and even more preferably 4 to 10 μm, from the viewpoint of electrical resistance, etc. When the solid electrolyte layer 2 functions as a support, the thickness of the solid electrolyte layer 2 can be preferably 30 to 300 μm, more preferably 50 to 200 μm, and even more preferably 100 to 150 μm, from the viewpoint of strength, electrical resistance, etc.

第1電極3は、燃料が供給される部位である。第1電極3は、多孔質に形成されることができる。第1電極3は、層状に形成されることができ、単層から構成されていてもよいし、複数層から構成されていてもよい。図1では、第1電極3が単層から構成されている例が示されている。第1電極3が複数層から構成される場合、第1電極3は、具体的には、例えば、固体電解質層2側に配置される活性層(不図示)と、固体電解質層2側とは反対側に配置される拡散層(不図示)とを備える構成などとすることができる。なお、活性層は、第1電極3における電気化学反応を高めるための層である。また、拡散層は、供給される燃料Fを第1電極3の面内方向に拡散させることが可能な層である。 The first electrode 3 is a portion to which fuel is supplied. The first electrode 3 can be formed to be porous. The first electrode 3 can be formed in a layered form, and may be composed of a single layer or multiple layers. FIG. 1 shows an example in which the first electrode 3 is composed of a single layer. When the first electrode 3 is composed of multiple layers, the first electrode 3 can be specifically configured to include, for example, an active layer (not shown) arranged on the solid electrolyte layer 2 side and a diffusion layer (not shown) arranged on the opposite side to the solid electrolyte layer 2 side. The active layer is a layer for enhancing the electrochemical reaction in the first electrode 3. The diffusion layer is a layer that can diffuse the supplied fuel F in the in-plane direction of the first electrode 3.

第1電極3は、具体的には、図1に例示されるように、電子伝導性を有する電子伝導性材料31と、酸素イオン伝導性を有する酸素イオン伝導性材料32とを含む構成とすることができる。電子伝導性材料31としては、例えば、Ni、Ni合金等の触媒活性を有する金属材料などを例示することができる。これらは1種または2種以上併用することがきる。また、第1電極3に用いられる酸素イオン伝導性材料としては、例えば、イットリア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニアなどの酸化ジルコニウム系酸化物などを例示することができる。これらは1種または2種以上併用することがきる。本実施形態では、第1電極3は、具体的には、Niとイットリア安定化ジルコニアとの混合物より構成することができる。なお、図1中、符号30は、気孔である。また、第1電極3における電子伝導性材料31、酸素イオン伝導性材料32は、いずれも粒子状とすることができる。 1, the first electrode 3 can be configured to include an electron conductive material 31 having electron conductivity and an oxygen ion conductive material 32 having oxygen ion conductivity. Examples of the electron conductive material 31 include metal materials having catalytic activity such as Ni and Ni alloys. These can be used alone or in combination of two or more. Examples of the oxygen ion conductive material used in the first electrode 3 include zirconium oxides such as yttria-stabilized zirconia and scandia-stabilized zirconia. These can be used alone or in combination of two or more. In this embodiment, the first electrode 3 can be configured to include a mixture of Ni and yttria-stabilized zirconia. In FIG. 1, the reference numeral 30 denotes a pore. In addition, both the electron conductive material 31 and the oxygen ion conductive material 32 in the first electrode 3 can be in the form of particles.

第1電極3を支持体として機能させる場合、第1電極3の厚みは、強度、電気抵抗、ガス拡散性などの観点から、例えば、好ましくは、100~800μm、より好ましくは、150~700μm、さらに好ましくは、200~600μmとすることができる。第1電極3を支持体として機能させない場合、第1電極3の厚みは、電気抵抗、ガス拡散性などの観点から、例えば、好ましくは、10~40μm、より好ましくは、15~35μm、さらに好ましくは、20~30μmとすることができる。 When the first electrode 3 is made to function as a support, the thickness of the first electrode 3 can be, for example, preferably 100 to 800 μm, more preferably 150 to 700 μm, and even more preferably 200 to 600 μm, from the viewpoints of strength, electrical resistance, gas diffusibility, etc. When the first electrode 3 is not made to function as a support, the thickness of the first electrode 3 can be, for example, preferably 10 to 40 μm, more preferably 15 to 35 μm, and even more preferably 20 to 30 μm, from the viewpoints of electrical resistance, gas diffusibility, etc.

第2電極4は、第1電極3と対をなす電極である。第2電極4は、具体的には、図1に示されるように、固体電解質層2を挟んで第1電極3と対向するように配置されることができる。第2電極4の外形は、例えば、第1電極3の外形と同じ大きさとなるように形成されていてもよいし、第1電極3の外形よりも小さく形成されていてもよい。第2電極4は、多孔質に形成されることができる。第2電極4は、層状に形成されることができ、単層から構成されていてもよいし、複数層から構成されていてもよい。図1では、第2電極4が単層から構成されている例が示されている。 The second electrode 4 is an electrode that forms a pair with the first electrode 3. Specifically, as shown in FIG. 1, the second electrode 4 can be disposed so as to face the first electrode 3 with the solid electrolyte layer 2 interposed therebetween. The outer shape of the second electrode 4 can be formed, for example, to be the same size as the outer shape of the first electrode 3, or can be formed to be smaller than the outer shape of the first electrode 3. The second electrode 4 can be formed to be porous. The second electrode 4 can be formed in a layered shape, and can be composed of a single layer or multiple layers. FIG. 1 shows an example in which the second electrode 4 is composed of a single layer.

ここで、第2電極4は、酸素不定比性を有する金属酸化物41と、酸素不定比性を有する金属酸化物の分解物42とを含んでいる。酸素不定比性を有する金属酸化物41は、複合金属酸化物であって、価数の異なる金属元素を含むことにより、酸素位置に点欠陥を有することができる材料である。酸素不定比性を有する金属酸化物の分解物42は、酸素不定比性を有する金属酸化物41が分解して生じた物質である。酸素不定比性を有する金属酸化物41は、第2電極4中に1種または2種以上含まれていてもよい。また、酸素不定比性を有する金属酸化物の分解物42は、第2電極4中に1種または2種以上含まれていてもよい。 Here, the second electrode 4 contains a metal oxide 41 having oxygen non-stoichiometry and a decomposition product 42 of the metal oxide having oxygen non-stoichiometry. The metal oxide 41 having oxygen non-stoichiometry is a composite metal oxide that contains metal elements with different valences and can have point defects at oxygen positions. The decomposition product 42 of the metal oxide having oxygen non-stoichiometry is a substance produced by decomposition of the metal oxide 41 having oxygen non-stoichiometry. The metal oxide 41 having oxygen non-stoichiometry may be one or more types contained in the second electrode 4. Also, the decomposition product 42 of the metal oxide having oxygen non-stoichiometry may be one or more types contained in the second electrode 4.

酸素不定比性を有する金属酸化物41は、酸素欠損型金属酸化物411を含む構成とすることができる。酸素欠損型金属酸化物411は、酸素空孔を伴う金属酸化物であり、上述の点欠陥位置が空席である。酸素欠損型金属酸化物411は、余剰に酸素が入ると不安定になり、より安定な酸化物等に変わろうとする。したがって、酸素不定比性を有する金属酸化物41が酸素欠損型金属酸化物411を含む構成によれば、以下の利点がある。すなわち、酸素欠損型金属酸化物411により高酸素濃度雰囲気に対する感度が高まり、図2(a)に示されるように、高酸素濃度雰囲気が生じた部分では、余剰に入り込んだ酸素によって酸素欠損型金属酸化物411が分解し、活性が低下した分解物あるいは不活性の分解物が生じる。つまり、図2(b)に示されるように、酸素欠損型金属酸化物の分解物421が生じる。酸素欠損型金属酸化物の分解物421は、電極活性に乏しいため、図2(a)、(b)に示されるように、反応が他の反応場44に移り、局所的な過負荷反応(後述するSOECモードでは局所的な過負荷水電解反応、後述するSOFCモードでは局所的な過負荷発電反応)が抑制され、セル面内の反応ムラが抑制される。 The metal oxide 41 having oxygen non-stoichiometry can be configured to include an oxygen-deficient metal oxide 411. The oxygen-deficient metal oxide 411 is a metal oxide with oxygen vacancies, and the above-mentioned point defect positions are vacant. The oxygen-deficient metal oxide 411 becomes unstable when excess oxygen enters, and tends to change into a more stable oxide or the like. Therefore, the configuration in which the metal oxide 41 having oxygen non-stoichiometry includes the oxygen-deficient metal oxide 411 has the following advantages. That is, the oxygen-deficient metal oxide 411 increases sensitivity to a high oxygen concentration atmosphere, and as shown in FIG. 2(a), in the part where a high oxygen concentration atmosphere occurs, the oxygen-deficient metal oxide 411 is decomposed by the excess oxygen that has entered, and a decomposition product with reduced activity or an inactive decomposition product is generated. That is, as shown in FIG. 2(b), a decomposition product 421 of the oxygen-deficient metal oxide is generated. Since the decomposition product 421 of the oxygen-deficient metal oxide has poor electrode activity, as shown in Figures 2(a) and (b), the reaction moves to another reaction field 44, suppressing local overload reactions (local overload water electrolysis reactions in the SOEC mode described below, and local overload power generation reactions in the SOFC mode described below), and suppressing reaction unevenness within the cell surface.

酸素不定比性を有する金属酸化物41は、ペロブスカイト構造またはダブルペロブスカイト構造を有する構成とすることができる。この構成によれば、価数の異なる金属元素が固定されるので、水電解セル(水蒸気電解セル含む、以下省略)等の固体酸化物形電解セル(Solid Oxide Electrochemical Cell:以下、SOECということがある。)や固体酸化物形燃料電池セル(Solid Oxide Fuel Cell:以下、SOFCということがある。)の定常動作環境下においては、酸素不定比性を有した構造体を維持しつつも、酸素濃度変動に対しては、構造を変化させ、安定した化合物を形成することができる。そのため、この構成によれば、電気化学セル1の定常動作時において、酸素濃度が異なる環境下に第2電極4が置かれた場合でも、電極活性の確保を図りやすくなる。酸素不定比性を有する金属酸化物41は、好ましくは、ペロブスカイト構造を有する構成とすることができる。この構成によれば、AサイトまたはBサイトの金属が酸素濃度変動に起因して、安定した化合物を形成することができる。そのため、この構成によれば、発電性能を維持しつつ、均一な電解反応の実現に有利である。 The metal oxide 41 having oxygen non-stoichiometry can be configured to have a perovskite structure or a double perovskite structure. According to this configuration, metal elements with different valences are fixed, so that in a steady-state operating environment of a solid oxide electrochemical cell (SOEC) such as a water electrolysis cell (including a steam electrolysis cell, omitted below) or a solid oxide fuel cell (SOFC), the structure can be changed in response to oxygen concentration fluctuations while maintaining the structure having oxygen non-stoichiometry, and a stable compound can be formed. Therefore, according to this configuration, even if the second electrode 4 is placed in an environment with a different oxygen concentration during steady-state operation of the electrochemical cell 1, it is easy to ensure electrode activity. The metal oxide 41 having oxygen non-stoichiometry can preferably be configured to have a perovskite structure. According to this configuration, the metal in the A site or B site can form a stable compound due to oxygen concentration fluctuations. Therefore, this configuration is advantageous for achieving a uniform electrolysis reaction while maintaining power generation performance.

酸素欠損型金属酸化物411としては、例えば、(La,Sr)CoO3-δ、(La,Sr)(Co,Fe)O3-δ、(La,Sr)(Mn,Fe)O3-δ、(La,Sr)FeO3-δ、(Sm,Sr)CoO3-δ、(La,Ca)CrO3-δ、(Ba,La)CoO3-δなどを例示することができる。これらは1種または2種以上併用することができる。なお、δは酸素不定比量を示す。また、上記(A,B)は、A元素およびB元素の少なくとも1つを含み、A元素とB元素の合計の化学組成が1となるようにA元素とB元素とが互いに一部置換可能であることを意味する(以下、同様である。)。上述した酸素欠損型金属酸化物411のうち、電気抵抗率、他の機能層への被毒性が低い、原材料コストなどの観点から、好ましくは、(La,Sr)CoO3-δ、(La,Sr)(Co,Fe)O3-δ、(Sm,Sr)CoO3-δなどであり、より好ましくは、(La,Sr)CoO3-δである。 Examples of oxygen-deficient metal oxide 411 include (La,Sr)CoO 3-δ , (La,Sr)(Co,Fe)O 3-δ , (La,Sr)(Mn,Fe)O 3-δ , (La,Sr)FeO 3-δ , (Sm,Sr)CoO 3-δ , (La,Ca)CrO 3-δ , (Ba,La)CoO 3-δ , and the like. These can be used alone or in combination of two or more. Here, δ indicates the oxygen non-stoichiometric amount. In addition, the above (A,B) means that at least one of element A and element B is included, and element A and element B can be partially substituted for each other so that the total chemical composition of element A and element B is 1 (the same applies below). Of the oxygen-deficient metal oxides 411 described above, from the viewpoints of electrical resistivity, low toxicity to other functional layers, raw material costs, etc., preferred are (La,Sr)CoO 3-δ , (La,Sr)(Co,Fe)O 3-δ , (Sm,Sr)CoO 3-δ , etc., and more preferably (La,Sr)CoO 3-δ .

(La,Sr)CoO3-δとしては、具体的には、La1-xSrCoO3-δ(0≦x≦1、好ましくは、0.1≦x≦0.5)、(La,Sr)(Co,Fe)O3-δとしては、具体的には、La1-xSrCo1-yFe3-δ(0≦x≦1、0≦y≦1、好ましくは、0.1≦x≦0.5、0.5≦y≦0.9)、(La,Sr)(Mn,Fe)O3-δとしては、具体的には、La1-xSrMn1-yFe3-δ(0≦x≦1、0≦y≦1、好ましくは、0.1≦x≦0.5、0.5≦y≦0.9)、(La,Sr)FeO3-δとしては、具体的には、La1-xSrFeO3-δ(0≦x≦1、好ましくは、0.1≦x≦0.5)、(Sm,Sr)CoO3-δとしては、具体的には、Sm1-xSrCoO3-δ(0≦x≦1、好ましくは、0.4≦x≦0.6)、(La,Ca)CrO3-δとしては、具体的には、La1-xCaCoO3-δ(0≦x≦1、好ましくは、0.1≦x≦0.5)、(Ba,La)CoO3-δとしては、具体的には、Ba1-xLaCoO3-δ(0≦x≦1、好ましくは、0.1≦x≦0.5)などを例示することができる。これらは1種または2種以上併用することができる。なお、これら金属酸化物は、ペロブスカイト構造を有する。 Specifically, (La,Sr)CoO 3-δ is La 1-x Sr x CoO 3-δ (0≦x≦1, preferably 0.1≦x≦0.5), specifically, (La,Sr)(Co,Fe)O 3-δ is La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3-δ (0≦x≦1, 0≦y≦1, preferably 0.1≦x≦0.5, 0.5≦y≦0.9), specifically, (La,Sr)(Mn,Fe)O 3-δ is La 1-x Sr x Mn 1-y Fe y O 3-δ. (0≦x≦1, 0≦y≦1, preferably 0.1≦x≦0.5, 0.5≦y≦0.9), (La,Sr)FeO 3-δ is specifically La 1-x Sr x FeO 3-δ (0≦x≦1, preferably 0.1≦x≦0.5), (Sm,Sr)CoO 3-δ is specifically Sm 1-x Sr x CoO 3-δ (0≦x≦1, preferably 0.4≦x≦0.6), (La,Ca)CrO 3-δ is specifically La 1-x Ca x CoO 3-δ (0≦x≦1, preferably 0.1≦x≦0.5), (Ba,La)CoO 3-δ is specifically Ba 1-x La x CoO 3-δ (0≦x≦1, preferably 0.1≦x≦0.5), etc. These may be used alone or in combination of two or more. These metal oxides have a perovskite structure.

酸素欠損型金属酸化物の分解物421としては、具体的には、上述した酸素欠損型金属酸化物411を構成する金属元素を1種または複数含む非活性な酸化物などを例示することができる。(La,Sr)CoO3-δの分解物としては、例えば、SrCo6.6、SrCo等のSrおよびCoを含む酸化物などを例示することができる。(La,Sr)(Co,Fe)O3-δの分解物としては、例えば、SrCo6.6、SrCo、SrFeO等のSrとCoおよび/またはFeとを含む酸化物などを例示することができる。(Sm,Sr)CoO3-δの分解物としては、例えば、SrCo6.6、SrCo等のSrおよびCoを含む酸化物などを例示することができる。 Specific examples of the decomposition product 421 of the oxygen-deficient metal oxide include inactive oxides containing one or more of the metal elements constituting the oxygen-deficient metal oxide 411. Examples of the decomposition product of (La,Sr)CoO 3-δ include oxides containing Sr and Co, such as Sr 3 Co 2 O 6.6 and Sr 2 Co 2 O 5. Examples of the decomposition product of (La,Sr)(Co,Fe)O 3-δ include oxides containing Sr and Co and/or Fe, such as Sr 3 Co 2 O 6.6 , Sr 2 Co 2 O 5 and SrFeO 2 . Examples of decomposition products of (Sm, Sr)CoO 3-δ include oxides containing Sr and Co, such as Sr 3 Co 2 O 6.6 and Sr 2 Co 2 O 5 .

図1では、酸素不定比性を有する金属酸化物41が、酸素欠損型金属酸化物411より構成されている例が示されている。したがって、本実施形態では、図1に例示されるように、第2電極4は、酸素欠損型金属酸化物411と、その酸素欠損型金属酸化物の分解物421とを含んでいる。酸素欠損型金属酸化物の分解物421は、第2電極4内に含まれる酸素欠損型金属酸化物411の一部が分解して生じた物質である。なお、上述した酸素不定比性を有する金属酸化物41、酸素不定比性を有する金属酸化物の分解物42、酸素欠損型金属酸化物411、酸素欠損型金属酸化物の分解物421は、いずれも粒子状とすることができる。 In FIG. 1, an example is shown in which the metal oxide 41 having oxygen non-stoichiometry is composed of an oxygen-deficient metal oxide 411. Therefore, in this embodiment, as illustrated in FIG. 1, the second electrode 4 contains the oxygen-deficient metal oxide 411 and a decomposition product 421 of the oxygen-deficient metal oxide. The decomposition product 421 of the oxygen-deficient metal oxide is a substance produced by decomposition of a part of the oxygen-deficient metal oxide 411 contained in the second electrode 4. Note that the above-mentioned metal oxide 41 having oxygen non-stoichiometry, the decomposition product 42 of the metal oxide having oxygen non-stoichiometry, the oxygen-deficient metal oxide 411, and the decomposition product 421 of the oxygen-deficient metal oxide can all be in the form of particles.

酸素不定比性を有する金属酸化物41は、セル定常動作時であって、10 -1 bar~10 -0.5 bar未満の酸素分圧下で分解せず、セル定常動作時の温度かつ酸素分圧が10-6bar以下、または、10-0.5bar以上で分解する材料である。通常、SOECやSOFCの定常動作時において、SOECの酸素極やSOFCの空気極(酸化剤極)が晒される酸素濃度は、10-1bar~10-0.5bar未満である。したがって、上記構成によれば、電気化学セル1を、SOECおよびSOFCの少なくとも一方として定常動作させる場合に、第2電極4が晒される酸素濃度雰囲気では、酸素不定比性を有する金属酸化物41が分解し難い。そのため、上記構成によれば、定常動作時に安定な出力を確保しやすい電気化学セル1が得られる。 The metal oxide 41 having oxygen non-stoichiometry is a material that does not decompose under an oxygen partial pressure of 10 −1 bar to less than 10 −0.5 bar during steady cell operation , but decomposes at the temperature during steady cell operation and an oxygen partial pressure of 10 −6 bar or less, or 10 −0.5 bar or more. Usually, during steady cell operation of SOEC or SOFC, the oxygen concentration to which the oxygen electrode of the SOEC or the air electrode (oxidizer electrode) of the SOFC is exposed is 10 −1 bar to less than 10 −0.5 bar. Therefore, according to the above configuration, when the electrochemical cell 1 is operated in steady state as at least one of the SOEC and the SOFC, the metal oxide 41 having oxygen non-stoichiometry is unlikely to decompose in the oxygen concentration atmosphere to which the second electrode 4 is exposed. Therefore, according to the above configuration, an electrochemical cell 1 that is easy to ensure stable output during steady operation can be obtained.

なお、例えば、上述した(La,Sr)CoO3-δ、(La,Sr)(Co,Fe)O3-δなどは、文献「K.Kendall, M.Kendall,“Chapter 6-Cathodes”High-temperature Solid Oxide Fuel Cells for the 21st Century,p166,Figure6.4(2015)」から理解されるように、10-8barの酸素濃度で分解が生じる。また、実施形態2にて後述する(La,Sr)MnO3+δは、文献「T.Ishihara“Perovskite Oxide for Cathode of SOFCs”Perovskite Oxide for Solid Oxide Fuel Cells,p160,Fig7.9(2009)」から理解されるように、10-7barの酸素濃度で分解が生じる。 For example, the above-mentioned (La,Sr)CoO 3-δ and (La,Sr)(Co,Fe)O 3-δ decompose at an oxygen concentration of 10 −8 bar, as understood from the literature "K.Kendall, M.Kendall, "Chapter 6-Cathodes" High-temperature Solid Oxide Fuel Cells for the 21st Century, p166, Figure 6.4 (2015)". Also, (La,Sr)MnO 3+δ , which will be described later in embodiment 2, decomposes at an oxygen concentration of 10 −7 bar, as understood from the literature "T.Ishihara "Perovskite Oxide for Cathode of SOFCs" Perovskite Oxide for Solid Oxide Fuel Cells, p160, Figure 7.9 (2009)".

第2電極4は、図1に例示されるように、他にも、酸素イオン伝導性を有する酸素イオン伝導性材料43を含むことができる。第2電極4に用いられる酸素イオン伝導性材料43としては、例えば、セリア(CeO)、Gd、Y、Sm、La、Nd、Yb、Ca、および、Hoから選択される1種または2種以上の元素等がドープされたセリア、Y、Ca、および、Scから選択される1種または2種以上の元素などがドープされたジルコニア、(La,Sr)(Ga,Mg)O、(La,Sr)(Sc,Mg)O、(La,Sr)(Al,Mg)Oなどを例示することができる。これらは1種または2種以上併用することができる。(La,Sr)(Ga,Mg)Oとしては、具体的には、La1-xSrGa1-yMg(0≦x≦1、0≦y≦1、好ましくは、0.1≦x≦0.3、0.1≦y≦0.3)、(La,Sr)(Sc,Mg)Oとしては、具体的には、La1-xSrSc1-yMg(0≦x≦1、0≦y≦1、好ましくは、0.1≦x≦0.5、0.1≦y≦0.3)、(La,Sr)(Al,Mg)Oとしては、La1-xSrAl1-yMg(0≦x≦1、0≦y≦1、好ましくは、0.1≦x≦0.5、0.1≦y≦0.5)などを例示することができる。 As illustrated in Fig. 1, the second electrode 4 may further include an oxygen ion conductive material 43 having oxygen ion conductivity. Examples of the oxygen ion conductive material 43 used in the second electrode 4 include ceria ( CeO2 ), ceria doped with one or more elements selected from Gd, Y, Sm, La, Nd, Yb, Ca, and Ho, zirconia doped with one or more elements selected from Y, Ca, and Sc, (La,Sr)(Ga,Mg) O3 , (La,Sr)(Sc,Mg) O3 , and (La,Sr)(Al,Mg) O3 . These may be used alone or in combination of two or more. Specifically, (La,Sr)(Ga,Mg) O3 is La1 -xSrxGa1 - yMgyO3 ( 0≦x≦1, 0≦y≦1, preferably 0.1≦x≦0.3, 0.1≦y 0.3), specifically, (La,Sr)(Sc, Mg ) O3 is La1 -xSrxSc1 - yMgyO3 ( 0≦x≦1, 0≦y≦1, preferably 0.1≦x≦0.5, 0.1≦y≦0.3), specifically, (La,Sr)(Al,Mg) O3 is La1- xSrxAl1 - yMgyO3 (0≦x≦1, 0≦y≦1, preferably 0.1≦x≦0.5, 0.1≦y≦0.5) and the like can be exemplified.

第2電極4に用いられる上述した酸素イオン伝導性材料43のうち、好ましくは、酸素イオン伝導の温度依存性が小さい、電子伝導性、他の機能層との反応抑制などの観点から、Gdがドープされたセリアが好適である。なお、図1中、符号40は、気孔である。また、第2電極4に用いられる酸素イオン伝導性材料43は、粒子状とすることができる。 Of the above-mentioned oxygen ion conductive materials 43 used in the second electrode 4, Gd-doped ceria is preferable from the viewpoints of small temperature dependence of oxygen ion conductivity, electronic conductivity, and suppression of reaction with other functional layers. In FIG. 1, the reference numeral 40 denotes pores. The oxygen ion conductive material 43 used in the second electrode 4 can be in the form of particles.

第2電極4において、酸素不定性を有する金属酸化物41および酸素不定性を有する金属酸化物の分解物42の合計に占める酸素不定性を有する金属酸化物41の量は、電解反応・発電反応の反応点量を十分なものとするなどの観点から、95体積%以上が好適である。なお、上記体積%の算出には、FIB-SEM-EDS(集束イオンビーム走査電子顕微鏡を用いたエネルギー分散型X線分光解析)などを用いた3D元素マッピング結果を用いて算出することができる。 In the second electrode 4, the amount of the metal oxide 41 having oxygen uncertainty in the total of the metal oxide 41 having oxygen uncertainty and the decomposition product 42 of the metal oxide having oxygen uncertainty is preferably 95% by volume or more, from the viewpoint of ensuring a sufficient number of reaction points for the electrolytic reaction and the power generation reaction. The above volume percentage can be calculated using the results of 3D elemental mapping using FIB-SEM-EDS (energy dispersive X-ray spectroscopy using a focused ion beam scanning electron microscope) or the like.

第2電極4の厚みは、5μm以上とすることができる。電気化学セル1では、第2電極4内に、酸素不定比性を有する金属酸化物41以外に、酸素不定比性を有する金属酸化物の分解物42を含んでいる。つまり、第2電極4は、酸素不定比性を有する金属酸化物41を含みかつ酸素不定比性を有する金属酸化物の分解物42を含んでいない電極に比べて、酸素不定比性を有する金属酸化物41の一部の分解により、電極活性が一部失われているといえる。そのため、第2電極4の厚みが上記範囲であれば、電極厚みの確保によって十分な反応が得られる反応点を確保しやすくなり、第2電極4の性能低下を抑制しやすくなる。 The thickness of the second electrode 4 can be 5 μm or more. In the electrochemical cell 1, in addition to the metal oxide 41 having oxygen non-stoichiometry, the second electrode 4 contains decomposition products 42 of the metal oxide having oxygen non-stoichiometry. In other words, the second electrode 4 loses some of its electrode activity due to the decomposition of a part of the metal oxide 41 having oxygen non-stoichiometry, compared to an electrode that contains the metal oxide 41 having oxygen non-stoichiometry and does not contain the decomposition products 42 of the metal oxide having oxygen non-stoichiometry. Therefore, if the thickness of the second electrode 4 is within the above range, it becomes easier to ensure reaction points where sufficient reaction can be obtained by ensuring the electrode thickness, and it becomes easier to suppress the performance deterioration of the second electrode 4.

第2電極4の厚みは、十分な反応点の確保などの観点から、好ましくは、10μm以上、より好ましくは、15μm以上、さらに好ましくは、20μm以上、さらにより好ましくは、25μm以上とすることができる。第2電極4の厚みは、ガス拡散性、電気抵抗などの観点から、好ましくは、100μm以下、より好ましくは、60μm以下、さらに好ましくは、50μm以下とすることができる。 The thickness of the second electrode 4 can be preferably 10 μm or more, more preferably 15 μm or more, even more preferably 20 μm or more, and even more preferably 25 μm or more, from the viewpoint of ensuring sufficient reaction sites. The thickness of the second electrode 4 can be preferably 100 μm or less, more preferably 60 μm or less, and even more preferably 50 μm or less, from the viewpoint of gas diffusion, electrical resistance, and the like.

電気化学セル1が中間層を有する場合、中間層は、具体的には、酸素イオン伝導性を有する固体電解質より層状に構成されることができる。中間層に用いられる固体電解質としては、例えば、セリア(CeO)、セリアにGd、Sm、Y、La、Nd、Yb、Ca、および、Hoから選択される1種または2種以上の元素などがドープされたセリアなどを例示することができる。これらは1種または2種以上併用することができる。中間層に用いられる固体電解質としては、Gdがドープされたセリアが好適である。 When the electrochemical cell 1 has an intermediate layer, the intermediate layer can be specifically formed in a layer shape from a solid electrolyte having oxygen ion conductivity. Examples of the solid electrolyte used in the intermediate layer include ceria (CeO 2 ) and ceria doped with one or more elements selected from Gd, Sm, Y, La, Nd, Yb, Ca, and Ho. These can be used alone or in combination. Gd-doped ceria is preferable as the solid electrolyte used in the intermediate layer.

中間層の厚みは、オーミック抵抗の低減、第2電極からの元素拡散の抑制等の観点から、好ましくは、1~20μm、より好ましくは、2~10μmとすることができる。 The thickness of the intermediate layer can be preferably 1 to 20 μm, and more preferably 2 to 10 μm, from the viewpoints of reducing ohmic resistance and suppressing element diffusion from the second electrode.

なお、上述した電気化学セル1における各部位の厚みは、電気化学セル1のセル面に垂直な断面を走査型電子顕微鏡(SEM)にて観察して測定した各部位における10点の厚み測定値の算術平均値である。 The thickness of each portion of the electrochemical cell 1 described above is the arithmetic average of the thickness measurements of 10 points at each portion measured by observing a cross section perpendicular to the cell surface of the electrochemical cell 1 with a scanning electron microscope (SEM).

電気化学セル1は、例えば、以下のようにして製造することができる。 The electrochemical cell 1 can be manufactured, for example, as follows.

酸素イオン伝導性を有する固体電解質層2と、固体電解質層2の一方面側に配置される第1電極3と、固体電解質層2の他方面側に配置され、酸素不定比性を有する金属酸化物41を含みかつ酸素不定比性を有する金属酸化物の分解物42は含まない第2電極前駆体(不図示)とを有するセル(不図示)を作製する。本実施形態では、具体的には、例えば、酸素欠損型金属酸化物411を含み、かつ、酸素欠損型金属酸化物の分解物421は含まない第2電極前駆体を用いることができる。次いで、このセルに対して、電気化学セル1の定常動作時の電流密度よりも高い電流密度、つまり、不均一な反応がより顕在化する電流密度領域にて動作させる平準化処理を行う。これにより、第2電極前駆体中における局所的に電流が流れやすい部分において、酸素不定比性を有する金属酸化物41が分解し、酸素不定比性を有する金属酸化物の分解物42が生じる。一方、第2電極前駆体中における局所的な電流の流れが生じない部分では、酸素不定比性を有する金属酸化物41の分解はほとんど進行しない。上記平準化処理により、第2電極前駆体が、酸素不定比性を有する金属酸化物41と、酸素不定比性を有する金属酸化物の分解物421とを含む第2電極4に変換され、上述した電気化学セル1が得られる。つまり、この電気化学セル1の製造方法では、上記セルに対して平準化処理を行い、セルの状態において、酸素不定比性を有する金属酸化物41の一部をあえて分解させることにより、得られる電気化学セル1のセル面内の反応分布を緩和させる。つまり、電気化学セル1のセル面内の反応を平準化させる。なお、平準化処理としては、例えば、第1電極3にHとHOとの混合ガスを供給し、第2電極前駆体に空気を供給し、平準化温度650℃~850℃にて、定常動作時の電流密度よりも高い電流密度領域にて動作させる処理などを例示することができる。定常動作時の電流密度よりも高い電流密度領域としては、例えば、電気化学セル1を定常発電動作させる際の電流密度(後述する)の2倍以上4倍以下の電流密度の範囲などを例示することができる。また、発電動作による処理時間は、例えば、2時間~10時間とすることができる。なお、上記処理は1回実施してもよいし、同じ条件または異なる条件にて複数回実施することもできる。このようにして得られる電気化学セル1は、上記平準化処理時の電流密度以下の電流密度にて定常動作させることが好ましい。 A cell (not shown) is prepared, which includes a solid electrolyte layer 2 having oxygen ion conductivity, a first electrode 3 disposed on one side of the solid electrolyte layer 2, and a second electrode precursor (not shown) disposed on the other side of the solid electrolyte layer 2, which includes a metal oxide 41 having oxygen non-stoichiometry but does not include a decomposition product 42 of the metal oxide having oxygen non-stoichiometry. In this embodiment, specifically, for example, a second electrode precursor containing an oxygen-deficient metal oxide 411 but not a decomposition product 421 of the oxygen-deficient metal oxide can be used. Next, a leveling process is performed on this cell, which is operated at a current density higher than the current density during steady operation of the electrochemical cell 1, that is, in a current density region in which non-uniform reactions are more evident. As a result, in a portion in the second electrode precursor where current is likely to flow locally, the metal oxide 41 having oxygen non-stoichiometry decomposes, and a decomposition product 42 of the metal oxide having oxygen non-stoichiometry is generated. On the other hand, in a portion in the second electrode precursor where local current does not flow, decomposition of the metal oxide 41 having oxygen non-stoichiometry hardly progresses. The leveling process converts the second electrode precursor into the second electrode 4 containing the metal oxide 41 having oxygen non-stoichiometry and the decomposition product 421 of the metal oxide having oxygen non-stoichiometry, and the electrochemical cell 1 described above is obtained. That is, in the manufacturing method of the electrochemical cell 1, the leveling process is performed on the cell, and a part of the metal oxide 41 having oxygen non-stoichiometry is intentionally decomposed in the cell state, thereby mitigating the reaction distribution in the cell surface of the electrochemical cell 1 obtained. That is, the reaction in the cell surface of the electrochemical cell 1 is leveled. Note that, as the leveling process, for example, a process of supplying a mixed gas of H 2 and H 2 O to the first electrode 3, supplying air to the second electrode precursor, and operating at a leveling temperature of 650° C. to 850° C. in a current density region higher than the current density during steady operation can be exemplified. As the current density region higher than the current density during steady operation, for example, a current density range of 2 to 4 times the current density (described later) when the electrochemical cell 1 is operated for steady power generation can be exemplified. The treatment time for the power generation operation can be, for example, 2 to 10 hours. The above treatment can be carried out once, or can be carried out multiple times under the same or different conditions. The electrochemical cell 1 thus obtained is preferably operated in a steady state at a current density equal to or lower than the current density during the above-mentioned leveling treatment.

電気化学セル1は、SOECおよびSOFCの少なくとも一方として用いられることができる。つまり、電気化学セル1は、SOECとして動作させてもよいし、また、SOFCとして動作させてもよいし、さらには、SOECとして動作させるSOECモードとSOFCとして動作させるSOFCモードとに切り替え可能に構成し、SOECおよびSOFCとして動作させてもよい。以下、電気化学セル1の動作例について説明する。 The electrochemical cell 1 can be used as at least one of an SOEC and an SOFC. That is, the electrochemical cell 1 may be operated as an SOEC, or may be operated as an SOFC, or may be configured to be switchable between an SOEC mode in which the electrochemical cell 1 is operated as an SOEC and an SOFC mode in which the electrochemical cell 1 is operated as an SOEC and an SOFC. An example of the operation of the electrochemical cell 1 will be described below.

先ず、電気化学セル1をSOECとして動作させる一例について、図3を用いて説明する。この場合、第1電極3は、水素極とされ、第2電極4は、酸素極として用いられる。第1電極3には、燃料Fとして、例えば、水蒸気ガスなどの水(HO)含有ガスF1を供給することができる。第2電極4には、空気などのガスA1を供給してもよいし、ガスA1を供給しなくてもよい。なお、図3では、第2電極4にガスA1を供給する例が示されている。第1電極3側には、第1電極3に接して第1電極側ガス流路5を配置することができる。第2電極4側には、第2電極4に接して第2電極側ガス流路6を配置することができる。第1電極3と第2電極4との間には、図3に例示されるように、電源7が接続される。SOECモードにおいて、第1電極側ガス流路5の供給口51から供給された燃料Fは、第1電極側ガス流路5を通り、第1電極3に到達する。第1電極3では、HO+2e→H+O2-の電極反応が生じる。余った燃料Fは、生成した水素ガス(H)とともに第1電極側ガス流路5を通って排出口52から排出される。一方、第2電極4では、O2-→1/2O+2e→の電極反応が生じる。生成した酸素ガス(O)は、排出口62から排出される。なお、第2電極4にガスA1を供給しない場合には、生成した酸素ガスは、外部との酸素濃度差によって排出口62より排出される。第2電極4にガスA1を供給する場合には、生成した酸素ガスは、その濃度がガスA1により薄められて外部に排出される利点がある。固体電解質層2では、第1電極3側から第2電極4側に向かって酸素イオン(O2-)が移動する。このようにして、電気化学セル1は、SOECとして動作させることができる。なお、第1電極3には、燃料Fとしての水含有ガスF1に、水素ガスなどの調整ガス(還元性ガス)(不図示)を混合することもできる。この場合には、SOEC動作時に、第1電極3に含まれうる金属材料の酸化を抑制することができる。 First, an example of operating the electrochemical cell 1 as an SOEC will be described with reference to FIG. 3. In this case, the first electrode 3 is used as a hydrogen electrode, and the second electrode 4 is used as an oxygen electrode. The first electrode 3 can be supplied with a water (H 2 O)-containing gas F1, such as water vapor gas, as the fuel F. The second electrode 4 can be supplied with a gas A1, such as air, or no gas A1. FIG. 3 shows an example of supplying the gas A1 to the second electrode 4. A first electrode side gas flow passage 5 can be arranged in contact with the first electrode 3 on the first electrode 3 side. A second electrode side gas flow passage 6 can be arranged in contact with the second electrode 4 on the second electrode 4 side. A power source 7 is connected between the first electrode 3 and the second electrode 4, as illustrated in FIG. 3. In the SOEC mode, the fuel F supplied from the supply port 51 of the first electrode side gas flow passage 5 passes through the first electrode side gas flow passage 5 and reaches the first electrode 3. At the first electrode 3, an electrode reaction of H 2 O+2e - →H 2 +O 2- occurs. The remaining fuel F is discharged from the outlet 52 together with the generated hydrogen gas (H 2 ) through the first electrode side gas flow passage 5. On the other hand, at the second electrode 4, an electrode reaction of O 2- →1/2O 2 +2e - → occurs. The generated oxygen gas (O 2 ) is discharged from the outlet 62. When the gas A1 is not supplied to the second electrode 4, the generated oxygen gas is discharged from the outlet 62 due to the difference in oxygen concentration with the outside. When the gas A1 is supplied to the second electrode 4, the generated oxygen gas has an advantage that its concentration is diluted by the gas A1 and discharged to the outside. In the solid electrolyte layer 2, oxygen ions (O 2- ) move from the first electrode 3 side toward the second electrode 4 side. In this way, the electrochemical cell 1 can be operated as an SOEC. In addition, in the first electrode 3, a conditioning gas (reducing gas) (not shown) such as hydrogen gas can be mixed with the water-containing gas F1 as the fuel F. In this case, oxidation of the metal material that may be contained in the first electrode 3 can be suppressed during the SOEC operation.

次に、電気化学セル1をSOFCとして動作させる一例について、図4を用いて説明する。この場合、第1電極3は、燃料極とされ、第2電極4は、空気極(酸化剤極)として用いられる。第1電極3には、燃料Fとして、例えば、水素ガスなどの水素含有ガスF2を供給することができる。第2電極4には、酸化剤として、空気、酸素ガスなどの酸素含有ガスA2を供給することができる。第1電極3側には、第1電極3に接して第1電極側ガス流路5を配置することができる。第2電極4側には、第2電極4に接して第2電極側ガス流路6を配置することができる。第1電極3と第2電極4との間には、図4に例示されるように、負荷8が接続される。SOFCモードにおいて、第1電極側ガス流路5の供給口51から供給された燃料Fは、第1電極側ガス流路5を通り、第1電極3に到達する。第1電極3では、H+O2-→HO+2eの電極反応が生じる。余った燃料Fは、生成した水蒸気(HO)とともに第1電極側ガス流路5を通って排出口52から排出される。一方、第2電極側ガス流路6の供給口61から供給された酸素含有ガスA2は、第2電極側ガス流路6を通り、第2電極4に到達する。第2電極4では、1/2O+2e→O2-の電極反応が生じる。余った酸素含有ガスA2は、第2電極側ガス流路6を通って排出口62から排出される。固体電解質層2では、第2電極4側から第1電極3側に向かって酸素イオン(O2-)が移動する。このようにして、電気化学セル1は、SOFCとして動作させることができる。なお、第1電極3には、燃料Fとしての水素含有ガスF2に水蒸気など(不図示)を混合することもできる。 Next, an example of operating the electrochemical cell 1 as an SOFC will be described with reference to FIG. 4. In this case, the first electrode 3 is used as a fuel electrode, and the second electrode 4 is used as an air electrode (oxidizer electrode). The first electrode 3 can be supplied with a hydrogen-containing gas F2 such as hydrogen gas as a fuel F. The second electrode 4 can be supplied with an oxygen-containing gas A2 such as air or oxygen gas as an oxidizer. A first electrode side gas flow passage 5 can be arranged in contact with the first electrode 3 on the first electrode 3 side. A second electrode side gas flow passage 6 can be arranged in contact with the second electrode 4 on the second electrode 4 side. As illustrated in FIG. 4, a load 8 is connected between the first electrode 3 and the second electrode 4. In the SOFC mode, the fuel F supplied from the supply port 51 of the first electrode side gas flow passage 5 passes through the first electrode side gas flow passage 5 and reaches the first electrode 3. At the first electrode 3, an electrode reaction of H 2 +O 2− →H 2 O+2e occurs. The remaining fuel F is discharged from the exhaust port 52 through the first electrode side gas flow passage 5 together with the generated water vapor (H 2 O). On the other hand, the oxygen-containing gas A2 supplied from the supply port 61 of the second electrode side gas flow passage 6 passes through the second electrode side gas flow passage 6 and reaches the second electrode 4. At the second electrode 4, an electrode reaction of 1/2O 2 +2e - →O 2- occurs. The remaining oxygen-containing gas A2 is discharged from the exhaust port 62 through the second electrode side gas flow passage 6. At the solid electrolyte layer 2, oxygen ions (O 2- ) move from the second electrode 4 side toward the first electrode 3 side. In this way, the electrochemical cell 1 can be operated as a SOFC. Note that the hydrogen-containing gas F2 as the fuel F can also be mixed with water vapor or the like (not shown) at the first electrode 3.

次に、電気化学セル1をSOECおよびSOFCとして動作させる(電気化学セル1をリバーシブル動作させる)一例について説明する。この場合、電気化学セル1を、上述したようにSOECおよびSOFCとして動作可能に構成すればよい。この構成によれば、余剰電力、再生可能エネルギー等による電気を使用し、電気化学セル1をSOECとして動作させ、生成した水素ガスを別途貯留しておくとともに、貯留しておいた水素ガスを燃料として使用し、電気化学セル1をSOFCとして動作させ、発電させることが可能な、電解・発電装置を得ることができる。 Next, an example of operating the electrochemical cell 1 as both an SOEC and an SOFC (operating the electrochemical cell 1 reversibly) will be described. In this case, the electrochemical cell 1 may be configured to operate as both an SOEC and an SOFC as described above. With this configuration, it is possible to obtain an electrolysis/power generation device that uses electricity from surplus power, renewable energy, etc., operates the electrochemical cell 1 as an SOEC, stores the generated hydrogen gas separately, and uses the stored hydrogen gas as fuel to operate the electrochemical cell 1 as an SOFC to generate electricity.

電気化学セル1の定常動作温度は、例えば、SOECとして機能させる場合、400℃以上800℃以下、SOFCとして機能させる場合、SOECと同様に400℃以上800℃以下などを例示することができる。また、電気化学セル1の定常動作時の電流密度は、具体的には、SOECとして機能させる場合、0.4A/cm以上2.0A/cm以下、SOFCとして機能させる場合、0.2A/cm以上1.0A/cm以下とすることができる。 The steady-state operating temperature of the electrochemical cell 1 can be, for example, 400° C. or more and 800° C. or less when functioning as an SOEC, and 400° C. or more and 800° C. or less when functioning as an SOFC, similar to the SOEC. The current density during steady-state operation of the electrochemical cell 1 can be, specifically, 0.4 A/cm 2 or more and 2.0 A/cm 2 or less when functioning as an SOEC, and 0.2 A/cm 2 or more and 1.0 A/cm 2 or less when functioning as an SOFC.

(実施形態2)
実施形態2の電気化学セルについて、図5を用いて説明する。なお、実施形態2以降において用いられる符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
(Embodiment 2)
The electrochemical cell of the second embodiment will be described with reference to Fig. 5. Of the symbols used in the second and subsequent embodiments, those that are the same as those used in the previous embodiments represent the same components, etc., as those in the previous embodiments, unless otherwise specified.

図5に例示されるように、本実施形態の電気化学セル1は、実施形態1の電気化学セル1と比べ、第2電極4の構成が異なっている。具体的には、本実施形態において、第2電極4における酸素不定比性を有する金属酸化物41は、さらに、酸素過剰型金属酸化物412を含む構成とすることができる。 As illustrated in FIG. 5, the electrochemical cell 1 of this embodiment is different from the electrochemical cell 1 of embodiment 1 in the configuration of the second electrode 4. Specifically, in this embodiment, the metal oxide 41 having oxygen non-stoichiometry in the second electrode 4 can be configured to further include an oxygen-excess metal oxide 412.

酸素過剰型金属酸化物412は、格子間酸素を伴う金属酸化物であり、上述の点欠陥位置が過剰に埋まっている。酸素過剰型金属酸化物412は、格子間酸素が抜けると不安定になり、より安定な酸化物等に変わろうとする。したがって、酸素不定比性を有する金属酸化物41が、酸素欠損型金属酸化物411のみならず、さらに、酸素過剰型金属酸化物412を含む構成によれば、以下の利点がある。すなわち、第2電極4内に局所的に高酸素濃度雰囲気が生じた場合に、第2電極4内に含まれる酸素欠損型金属酸化物411が過度に分解してしまったときでも、酸素過剰型金属酸化物412は分解しない。また逆に、第2電極4内に局所的に低酸素濃度雰囲気が生じた場合に、第2電極4内に含まれる酸素過剰型金属酸化物412が過度に分解してしまったときでも、酸素欠損型金属酸化物411は分解しない。そのため、上記構成によれば、第2電極4内の触媒活性物質の量が過度に少なくなることを抑制することができ、第2電極4の電極活性の低下を抑制することができる。つまり、上記構成によれば、第2電極4内に、局所的に高酸素濃度雰囲気または低酸素濃度雰囲気のどちらが生じた場合でも、触媒活性を発揮する酸素不定性を有する金属酸化物41の過度な分解を抑制することができる。 The oxygen-excess metal oxide 412 is a metal oxide with interstitial oxygen, and the above-mentioned point defect positions are excessively filled. When the interstitial oxygen is removed, the oxygen-excess metal oxide 412 becomes unstable and tries to change into a more stable oxide. Therefore, according to a configuration in which the metal oxide 41 having oxygen non-stoichiometry includes not only the oxygen-deficient metal oxide 411 but also the oxygen-excess metal oxide 412, there are the following advantages. That is, when a high oxygen concentration atmosphere is locally generated in the second electrode 4, even if the oxygen-deficient metal oxide 411 contained in the second electrode 4 is excessively decomposed, the oxygen-excess metal oxide 412 does not decompose. Conversely, when a low oxygen concentration atmosphere is locally generated in the second electrode 4, even if the oxygen-excess metal oxide 412 contained in the second electrode 4 is excessively decomposed, the oxygen-deficient metal oxide 411 does not decompose. Therefore, according to the above configuration, it is possible to suppress the amount of catalytically active material in the second electrode 4 from being excessively reduced, and it is possible to suppress a decrease in the electrode activity of the second electrode 4. In other words, with the above configuration, even if a high oxygen concentration atmosphere or a low oxygen concentration atmosphere occurs locally within the second electrode 4, excessive decomposition of the metal oxide 41 having oxygen instability that exerts catalytic activity can be suppressed.

酸素過剰型金属酸化物412としては、例えば、(La,Sr)MnO3+δ、PrBaCo5+δ、PrBaFe5+δなどを例示することができる。これらは1種または2種以上併用することができる。なお、δは酸素不定比量を示す。上述した酸素過剰型金属酸化物412のうち、電気抵抗率、材料精製にかかるコストなどの観点から、好ましくは、(La,Sr)MnO3+δ、PrBaCo5+δなどであり、より好ましくは、(La,Sr)MnO3+δである。 Examples of the oxygen-excess metal oxide 412 include (La, Sr) MnO3+δ , PrBaCo2O5 , and PrBaFe2O5 . These may be used alone or in combination of two or more. Here, δ indicates the non-stoichiometric amount of oxygen. Among the above-mentioned oxygen-excess metal oxides 412, from the viewpoints of electrical resistivity, costs required for material purification, and the like, preferred are (La, Sr) MnO3+δ , PrBaCo2O5 , and the like, and more preferred is (La, Sr)MnO3 .

(La,Sr)MnO3+δとしては、具体的には、La1-xSrMnO3+δ(0≦x≦1、好ましくは、0.1≦x≦0.4)などを例示することができる。これらは1種または2種以上併用することができる。なお、これら金属酸化物は、ペロブスカイト構造もしくはダブルペロブスカイト構造を有する。 Specific examples of (La,Sr)MnO 3+δ include La 1-x Sr x MnO 3+δ (0≦x≦1, preferably 0.1≦x≦0.4). These can be used alone or in combination of two or more. These metal oxides have a perovskite structure or a double perovskite structure.

酸素過剰型金属酸化物の分解物422としては、具体的には、上述した酸素過剰型金属酸化物412を構成する金属元素を1種または複数含む非活性な酸化物などを例示することができる。(La,Sr)MnO3+δの分解物としては、例えば、SrMn、SrMnO等のSrおよびMnを含む酸化物などを例示することができる。 Specific examples of the decomposition product 422 of the oxygen-excess metal oxide include inactive oxides containing one or more metal elements constituting the above-mentioned oxygen-excess metal oxide 412. Examples of the decomposition product of (La,Sr) MnO3 include oxides containing Sr and Mn, such as Sr2Mn2O5 and Sr2MnO4 .

本実施形態において、第2電極4は、酸素欠損型金属酸化物411と、その酸素欠損型金属酸化物の分解物421と、酸素過剰型金属酸化物412とを含んでいてもよいし、酸素欠損型金属酸化物411と、その酸素欠損型金属酸化物の分解物421と、酸素過剰型金属酸化物412と、その酸素過剰型金属酸化物の分解物422とを含んでいてもよい。酸素過剰型金属酸化物の分解物422は、第2電極4内に含まれる酸素過剰型金属酸化物412の一部が分解して生じた物質である。なお、上述した酸素不定比性を有する金属酸化物41、酸素不定比性を有する金属酸化物の分解物42、酸素欠損型金属酸化物411、酸素欠損型金属酸化物の分解物421、酸素過剰型金属酸化物412、酸素過剰型金属酸化物の分解物422は、いずれも粒子状とすることができる。また、本実施形態における第2電極4を有する電気化学セル1は、例えば、次のようにして製造することができる。具体的には、実施形態1にて上述した第2電極前駆体として、酸素欠損型金属酸化物411および酸素過剰型金属酸化物412を含み、かつ、酸素欠損型金属酸化物の分解物421および酸素過剰型金属酸化物の分解物422は含まない構成とする。そして、実施形態1にて上述したように、電気化学セル1を定常発電動作させる際の電流密度の2倍以上4倍以下の電流密度の範囲にて動作させた後、さらに、電気化学セル1を定常電解動作させる際の電流密度の2倍以上4倍以下の電流密度の範囲にて動作させる処理などを例示することができる。なお、電解動作による処理時間は、例えば、2時間~10時間とすることができる。 In this embodiment, the second electrode 4 may include an oxygen-deficient metal oxide 411, a decomposition product 421 of the oxygen-deficient metal oxide, and an oxygen-excess metal oxide 412, or may include an oxygen-deficient metal oxide 411, a decomposition product 421 of the oxygen-deficient metal oxide, an oxygen-excess metal oxide 412, and a decomposition product 422 of the oxygen-excess metal oxide. The decomposition product 422 of the oxygen-excess metal oxide is a substance produced by decomposition of a part of the oxygen-excess metal oxide 412 contained in the second electrode 4. The metal oxide 41 having oxygen non-stoichiometry, the decomposition product 42 of the metal oxide having oxygen non-stoichiometry, the oxygen-deficient metal oxide 411, the decomposition product 421 of the oxygen-deficient metal oxide, the oxygen-excess metal oxide 412, and the decomposition product 422 of the oxygen-excess metal oxide can all be particulate. In addition, the electrochemical cell 1 having the second electrode 4 in this embodiment can be manufactured, for example, as follows. Specifically, the second electrode precursor described in the first embodiment includes an oxygen-deficient metal oxide 411 and an oxygen-excess metal oxide 412, but does not include a decomposition product 421 of the oxygen-deficient metal oxide and a decomposition product 422 of the oxygen-excess metal oxide. As described in the first embodiment, the electrochemical cell 1 is operated at a current density in the range of 2 to 4 times the current density during steady-state power generation, and then the electrochemical cell 1 is further operated at a current density in the range of 2 to 4 times the current density during steady-state electrolysis. The treatment time for the electrolysis operation can be, for example, 2 to 10 hours.

第2電極4は、他にも、実施形態1にて上述したような、酸素イオン伝導性を有する酸素イオン伝導性材料43を含むことができる。図5では、第2電極4が、酸素欠損型金属酸化物411と、酸素欠損型金属酸化物の分解物421と、酸素過剰型金属酸化物412と、酸素過剰型金属酸化物の分解物422と、酸素イオン伝導性材料43とを含む例が示されている。 The second electrode 4 may also include an oxygen ion conductive material 43 having oxygen ion conductivity as described above in embodiment 1. FIG. 5 shows an example in which the second electrode 4 includes an oxygen-deficient metal oxide 411, a decomposition product of the oxygen-deficient metal oxide 421, an oxygen-excess metal oxide 412, a decomposition product of the oxygen-excess metal oxide 422, and an oxygen ion conductive material 43.

その他の構成および作用効果は、実施形態1と同様である。 The other configurations and effects are the same as those of embodiment 1.

(実験例)
<材料準備>
NiO粉末(平均粒子径:1.0μm)と、8mol%のYを含むイットリア安定化ジルコニア(以下、YSZ)粉末(平均粒子径:0.5μm)と、カーボン(造孔剤)と、ポリビニルブチラールと、酢酸イソアミルと、1-ブタノールとを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。NiO粉末とYSZ粉末との質量比は、65:35とした。ドクターブレード法を用いて、樹脂シート上に上記スラリーを層状に塗工し、乾燥させた後、樹脂シートを剥離することにより、第1電極形成用シートを準備した。なお、上記平均粒子径は、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である(以下、同様)。
(Experimental Example)
<Material preparation>
NiO powder (average particle size: 1.0 μm), yttria-stabilized zirconia (hereinafter, YSZ) powder (average particle size: 0.5 μm) containing 8 mol% Y 2 O 3 , carbon (pore former), polyvinyl butyral, isoamyl acetate, and 1-butanol were mixed in a ball mill to prepare a slurry. The mass ratio of NiO powder to YSZ powder was 65:35. The slurry was applied in layers on a resin sheet using a doctor blade method, dried, and then the resin sheet was peeled off to prepare a sheet for forming a first electrode. The average particle size is the particle size (diameter) d50 when the cumulative frequency distribution based on the volume measured by the laser diffraction/scattering method shows 50% (hereinafter the same).

YSZ粉末(平均粒子径:0.5μm)と、ポリビニルブチラールと、酢酸イソアミルと、1-ブタノールとを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。以降は、第1電極形成用シートの作製と同様にして、固体電解質層形成用シートを準備した。 A slurry was prepared by mixing YSZ powder (average particle size: 0.5 μm), polyvinyl butyral, isoamyl acetate, and 1-butanol in a ball mill. Thereafter, a sheet for forming a solid electrolyte layer was prepared in the same manner as the sheet for forming the first electrode.

GdがドープされたCeO(以下、GDC)粉末(平均粒子径:0.3μm)と、ポリビニルブチラールと、酢酸イソアミルと、2-ブタノールと、エタノールとを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、本実験例では、GDCとして、CeOに10mol%のGdがドープされたものを用いた。以降は、第1電極形成用シートの作製と同様にして、中間層形成用シートを準備した。 A slurry was prepared by mixing Gd-doped CeO 2 (hereinafter, GDC) powder (average particle size: 0.3 μm), polyvinyl butyral, isoamyl acetate, 2-butanol, and ethanol in a ball mill. In this experimental example, CeO 2 doped with 10 mol % Gd was used as the GDC. Thereafter, an intermediate layer-forming sheet was prepared in the same manner as in the production of the first electrode-forming sheet.

酸素欠損型金属酸化物としての(La,Sr)CoO3-δ粉末(平均粒子径:1.5μm)と、酸素イオン伝導性材料としてのGDC粉末(平均粒子径:2.0μm)とを混合し、これを分散剤とともに、溶媒としてのテルピネオール中に分散させた。得られた分散液に、バインダーとしてのエチルセルロースを加え、混合することにより、第2電極形成用ペーストを準備した。なお、上記(La,Sr)CoO3-δ粉末には、具体的には、La0.6Sr0.4CoO3-δ粉末を用いた。また、(La,Sr)CoO3-δ粉末とGDC粉末との質量比は、50:50とした。 (La, Sr)CoO 3-δ powder (average particle size: 1.5 μm) as an oxygen-deficient metal oxide and GDC powder (average particle size: 2.0 μm) as an oxygen ion conductive material were mixed and dispersed in terpineol as a solvent together with a dispersant. Ethyl cellulose as a binder was added to the obtained dispersion and mixed to prepare a paste for forming a second electrode. Specifically, La 0.6 Sr 0.4 CoO 3-δ powder was used as the (La, Sr)CoO 3-δ powder. The mass ratio of the (La, Sr)CoO 3-δ powder to the GDC powder was 50:50.

<電気化学セルの作製>
複数枚の第1電極形成用シートと、固体電解質層形成用シートと、中間層形成用シートとをこの順に積層し、静水圧プレス(WIP)成形法を用いて圧着した。なお、WIP成形条件は、温度85℃、加圧力50MPa、加圧時間10分という条件とした。また、得られた成形体は、脱脂した。
<Preparation of electrochemical cell>
A plurality of sheets for forming the first electrode, a sheet for forming the solid electrolyte layer, and a sheet for forming the intermediate layer were laminated in this order and pressed together using a hydrostatic press (WIP) molding method. The WIP molding conditions were a temperature of 85° C., a pressure of 50 MPa, and a pressing time of 10 minutes. The obtained molded body was degreased.

次いで、得られた成形体を、大気雰囲気中にて、1350℃で2時間焼成した。これにより、層状の第1電極(厚み400μm)、固体電解質層(3.5μm)、および、中間層(3μm)がこの順に積層された焼成体を得た。 The resulting molded body was then sintered in an air atmosphere at 1,350°C for 2 hours. This resulted in a sintered body in which a layered first electrode (thickness 400 μm), a solid electrolyte layer (3.5 μm), and an intermediate layer (3 μm) were laminated in this order.

次いで、上記焼成体における中間層の表面に、第2電極形成用ペーストをスクリーン印刷法により塗布し、大気雰囲気中にて、950℃で2時間焼成(焼付け)することにより、層状の第2電極前駆体(厚み50μm)を形成した。なお、第2電極前駆体の外形は、第1電極の外形よりも小さく形成した。これにより平板形のセルを形成した。なお、形成したセルは、通常、金属製のスタック部材に組付け、システムとして動作可能とされる。本実験例では、金属部材から飛散する被毒物質や大型化に伴う温度分布などの様々な環境因子を除外するため、小型にセルを形成し、このセルのみを用い、要素評価用ベンチを用いて以下の処理および評価を行った。 Next, a paste for forming a second electrode was applied to the surface of the intermediate layer of the fired body by screen printing, and fired (baked) in an air atmosphere at 950°C for 2 hours to form a layered second electrode precursor (thickness 50 μm). The outer shape of the second electrode precursor was smaller than that of the first electrode. This resulted in a flat cell. The formed cell is usually assembled to a metal stack member and can be operated as a system. In this experimental example, in order to eliminate various environmental factors such as poisonous substances scattered from metal members and temperature distribution due to large size, a small cell was formed, and only this cell was used to perform the following processing and evaluation using an element evaluation bench.

次いで、得られたセルの端面に封止用ガラスを塗布した。このセルを、大気雰囲気中にて850℃まで昇温し、第1電極と燃料配管とをガラスによりシールし、ガスシール構造を形成した。次いで、第1電極を還元処理した。還元処理条件は、還元温度:800℃、還元処理ガス:水素ガス、還元時間:3時間とした。 Next, sealing glass was applied to the end faces of the obtained cell. The cell was heated to 850°C in an air atmosphere, and the first electrode and the fuel pipe were sealed with glass to form a gas seal structure. Next, the first electrode was subjected to a reduction treatment. The reduction treatment conditions were as follows: reduction temperature: 800°C, reduction treatment gas: hydrogen gas, reduction time: 3 hours.

次いで、上記還元処理後、少し温度を下げて発電温度とし、セルに対して、定常発電動作時の電流密度の倍の電流密度(具体的には、1.5A/cm)にて、4時間発電動作させるという処理を実施した。この際、第1電極には、HとHOとの混合ガス(体積比でH:HO=6:4)を供給し、第2電極前駆体には、空気を供給した。また、発電温度は、700℃とした。本実験例では、さらに、上記発電動作させたセルに対して、上記と同じ電流密度にて、4時間電解動作させる処理を実施した。この際、第1電極には、HとHOとの混合ガス(体積比でH:HO=6:4)を供給し、第2電極前駆体には、空気を供給した。また、水電解温度は、700℃とした。その後、第1電極の雰囲気を保ったまま、降温した。これにより、本実験例に係る電気化学セルを作製した。なお、本実験例では、平準化処理として、上記発電動作による処理と上記電解動作による処理の両方を行った。これは、セルの面内での空隙の不均一性などから生じる反応分布が発電動作時は水素の供給の律速部があると反応し難い箇所ができるのに対し、電解動作時には、水蒸気の供給の律速部があると反応し難い箇所ができるため、どちらのモードにおいても均一な反応が得られることを確実なものとするためである。 Next, after the reduction treatment, the temperature was slightly lowered to the power generation temperature, and the cell was operated for 4 hours at a current density (specifically, 1.5 A/cm 2 ) twice the current density during steady power generation. At this time, a mixed gas of H 2 and H 2 O (H 2 :H 2 O=6:4 in volume ratio) was supplied to the first electrode, and air was supplied to the second electrode precursor. The power generation temperature was set to 700° C. In this experimental example, the cell operated for power generation was further operated for 4 hours at the same current density as above. At this time, a mixed gas of H 2 and H 2 O (H 2 :H 2 O=6:4 in volume ratio) was supplied to the first electrode, and air was supplied to the second electrode precursor. The water electrolysis temperature was set to 700° C. Thereafter, the temperature was lowered while maintaining the atmosphere of the first electrode. In this manner, an electrochemical cell according to this experimental example was produced. In this experimental example, both the process by the power generation operation and the process by the electrolysis operation were performed as the leveling process. This is to ensure that a uniform reaction is obtained in both modes, because the reaction distribution caused by the unevenness of the voids in the cell plane, etc., creates areas that are difficult to react if there is a rate-limiting part for the hydrogen supply during power generation operation, whereas creates areas that are difficult to react if there is a rate-limiting part for the water vapor supply during electrolysis operation.

<第2電極のXRD分析>
要素評価用ベンチから取り出した上記電気化学セルについて、X線回折装置(RIGAKU社製、全自動多目的X線回折装置「SmartLab」)を用いて、第2電極の構造を分析した。ここで、本実験例では、電気化学セルの作製時に様々な環境因子を除外するため、小型セルのみを用いて平準化処理を行っている。そのため、第2電極に含まれうる物質は、基本的には、第2電極の原料に用いた(La,Sr)CoO3-δおよびGDC(原料中の不純物も含む)と、それ以外の物質、つまり、製造時に形成された化合物とに大別することができる。
<XRD analysis of second electrode>
The electrochemical cell was taken out of the element evaluation bench and the structure of the second electrode was analyzed using an X-ray diffraction apparatus (RIGAKU Corporation, fully automated multipurpose X-ray diffraction apparatus "SmartLab"). In this experimental example, in order to exclude various environmental factors during the production of the electrochemical cell, the leveling process was performed using only a small cell. Therefore, the substances that can be contained in the second electrode can be basically broadly divided into (La, Sr)CoO 3-δ and GDC (including impurities in the raw materials) used as the raw materials for the second electrode, and other substances, that is, compounds formed during production.

図6に第2電極のXRD分析結果を示す。図6によれば、上記電気化学セルの第2電極では、第2電極の原料に用いた(La,Sr)CoO3-δおよびGDCのピーク以外に、La、SrCoのピークが検出された。La、SrCoのピークが検出されたのは、酸素不定比性の金属酸化物である(La,Sr)CoO3-δが、上記平準化処理によって分解し、La、SrCoが生じたためである。また、比較のため、上記平準化処理を行っていないセルにおける第2電極前駆体について、同様にXRD分析を行ったところ、第2電極前駆体では、La、SrCoのピークが検出されなかった。 FIG. 6 shows the XRD analysis result of the second electrode. According to FIG. 6, in the second electrode of the electrochemical cell, in addition to the peaks of (La, Sr) CoO 3-δ and GDC used as the raw material of the second electrode, the peaks of La 2 O 3 and Sr 2 Co 2 O 5 were detected. The reason why the peaks of La 2 O 3 and Sr 2 Co 2 O 5 were detected is because (La, Sr) CoO 3-δ , which is an oxygen non-stoichiometric metal oxide, was decomposed by the above-mentioned leveling treatment to produce La 2 O 3 and Sr 2 Co 2 O 5. For comparison, the second electrode precursor in the cell that was not subjected to the above-mentioned leveling treatment was subjected to the XRD analysis in the same manner, and the peaks of La 2 O 3 and Sr 2 Co 2 O 5 were not detected in the second electrode precursor.

上記電気化学セルと、上記平準化処理を行っていないセルとを、SOFCとして用い、700℃、電流密度0.5A/cmで定常動作させた。その結果、上記電気化学セルは、上記平準化処理を行っていないセルに比べ、セル面内の反応温度分布が低減された。なお、上記電気化学セルをSOFCとして機能させ、セル面内の反応温度分布を確認したのは、SOFCは発電反応が生じるため、SOECに比べ、セル面内の反応温度分布が確認しやすいことによる。この結果から、上記電気化学セルによれば、セル面内の反応ムラを抑制することができることが確認された。 The electrochemical cell and a cell that had not been subjected to the leveling treatment were used as SOFCs and were operated steadily at 700°C and a current density of 0.5 A/ cm2 . As a result, the electrochemical cell had a reduced reaction temperature distribution within the cell surface compared to the cell that had not been subjected to the leveling treatment. The electrochemical cell was operated as an SOFC to confirm the reaction temperature distribution within the cell surface because the SOFC generates electricity and the reaction temperature distribution within the cell surface is easier to confirm than with an SOEC. From these results, it was confirmed that the electrochemical cell can suppress reaction unevenness within the cell surface.

本発明は、上記各実施形態、各実験例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変更が可能である。また、各実施形態、各実験例に示される各構成は、それぞれ任意に組み合わせることができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and experimental examples, and various modifications are possible without departing from the spirit of the invention. Furthermore, the configurations shown in the embodiments and experimental examples can be combined in any manner.

1 電気化学セル
2 固体電解質層
3 第1電極
4 第2電極
F 燃料
F1 水含有ガス
F2 水素含有ガス
1 Electrochemical cell 2 Solid electrolyte layer 3 First electrode 4 Second electrode F Fuel F1 Water-containing gas F2 Hydrogen-containing gas

Claims (6)

酸素イオン伝導性を有する固体電解質層(2)と、上記固体電解質層の一方面側に配置され、燃料(F、F1、F2)が供給される第1電極(3)と、上記固体電解質層の他方面側に配置され、上記第1電極と対をなす第2電極(4)とを備え、
上記第2電極は、酸素不定比性を有する金属酸化物(41)と、上記酸素不定比性を有する金属酸化物の分解物(42)とを含み、
上記酸素不定比性を有する金属酸化物は、セル定常動作時であって、10 -1 bar~10 -0.5 bar未満の酸素分圧下で分解せず、セル定常動作時の温度かつ酸素分圧が10-6bar以下、または、10-0.5bar以上で分解する材料である、
電気化学セル(1)。
a solid electrolyte layer (2) having oxygen ion conductivity, a first electrode (3) disposed on one side of the solid electrolyte layer and supplied with fuels (F, F1, F2), and a second electrode (4) disposed on the other side of the solid electrolyte layer and paired with the first electrode;
The second electrode includes a metal oxide having oxygen non-stoichiometry (41) and a decomposition product of the metal oxide having oxygen non-stoichiometry (42),
The metal oxide having oxygen non-stoichiometry is a material that does not decompose under an oxygen partial pressure of 10 −1 bar to less than 10 −0.5 bar during steady-state cell operation , but decomposes at a temperature during steady-state cell operation and an oxygen partial pressure of 10 −6 bar or less, or 10 −0.5 bar or more.
Electrochemical cell (1).
上記酸素不定比性を有する金属酸化物は、酸素欠損型金属酸化物(411)を含む、
請求項1に記載の電気化学セル。
The metal oxide having oxygen non-stoichiometry includes an oxygen-deficient metal oxide (411),
10. The electrochemical cell of claim 1.
上記酸素不定比性を有する金属酸化物は、さらに、酸素過剰型金属酸化物(412)を含む、
請求項2に記載の電気化学セル。
The metal oxide having oxygen non-stoichiometry further includes an oxygen-excess metal oxide (412),
3. The electrochemical cell of claim 2.
上記酸素不定比性を有する金属酸化物は、ペロブスカイト構造を有する、
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電気化学セル。
The metal oxide having oxygen non-stoichiometry has a perovskite structure.
4. An electrochemical cell according to any one of claims 1 to 3.
上記第2電極の厚みは、5μm以上である、
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電気化学セル。
The thickness of the second electrode is 5 μm or more.
5. An electrochemical cell according to any one of claims 1 to 4.
固体酸化物形電解セルおよび固体酸化物形燃料電池セルの少なくとも一方として用いられる、
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電気化学セル。
Used as at least one of a solid oxide electrolysis cell and a solid oxide fuel cell,
6. An electrochemical cell according to any one of claims 1 to 5.
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