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JP7755535B2 - Cermet layer and hydrogen electrode for steam electrolysis - Google Patents

Cermet layer and hydrogen electrode for steam electrolysis

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JP7755535B2
JP7755535B2 JP2022054617A JP2022054617A JP7755535B2 JP 7755535 B2 JP7755535 B2 JP 7755535B2 JP 2022054617 A JP2022054617 A JP 2022054617A JP 2022054617 A JP2022054617 A JP 2022054617A JP 7755535 B2 JP7755535 B2 JP 7755535B2
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ycz
cermet layer
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悟 藤田
彰 森川
卓磨 人見
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Denso Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
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Denso Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
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  • Powder Metallurgy (AREA)

Description

本発明は、サーメット層、及び、水蒸気電解用水素極に関し、さらに詳しくは、酸化物イオン伝導体、電子伝導体、又は、Ni酸化抑制材として、組成の異なる2種類の複合酸化物を含むサーメット層、及び、水蒸気電解用水素極に関する。 The present invention relates to a cermet layer and a hydrogen electrode for steam electrolysis, and more specifically to a cermet layer containing two types of composite oxides with different compositions as oxide ion conductors, electron conductors, or Ni oxidation inhibitors, and a hydrogen electrode for steam electrolysis.

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、H2、CO、CH4などの燃料ガスを供給し、カソード(酸素極)にO2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CO2やH2O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(水素極)にCO2やH2Oを供給し、電極間に電流を流すと、COやH2を生成させることができる。
A solid oxide fuel cell (SOFC) is a fuel cell that uses an oxide ion conductor as an electrolyte. When fuel gases such as H2 , CO, and CH4 are supplied to the anode (fuel electrode) of the SOFC and O2 is supplied to the cathode (oxygen electrode), an electrode reaction occurs and electricity can be generated. CO2 and H2O produced by the electrode reaction are discharged outside the SOFC.
On the other hand, solid oxide electrolysis cells (SOECs) have the same structure as SOFCs, but they operate in the opposite direction to the SOFCs: when CO2 or H2O is supplied to the cathode (hydrogen electrode) of an SOEC and a current is passed between the electrodes, CO and H2 are produced.

SOECは、電解質の一方の面にアノード(酸素極)が接合され、他方の面にカソード(水素極)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)酸素極: 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)水素極: Ni/YSZ、Ni/SDC、Ni-Fe/SDCなど。
An SOEC includes a single cell in which an anode (oxygen electrode) is bonded to one side of an electrolyte and a cathode (hydrogen electrode) is bonded to the other side. The following materials are generally used as materials for the components that make up such an SOEC (see Non-Patent Documents 1 to 6).
(a) Electrolyte: Yttria-stabilized zirconia (YSZ), scandia-stabilized zirconia (SSZ), samaria-doped ceria (SDC), lanthanum strontium gallium magnesium oxide (LSGM), etc.
(b) Oxygen electrode: lanthanum strontium manganite (LSM), lanthanum strontium cobalt ferrite (LSCF), lanthanum strontium cobaltite (LSC), etc.
(c) Hydrogen electrode: Ni/YSZ, Ni/SDC, Ni—Fe/SDC, etc.

SOECの水素極には、一般に、Ni/YSZサーメットが用いられる。また、水素極は、電解質側に設けられた活性層と、セパレータ側に設けられた拡散層との2層構造を備えている場合がある。しかし、水素極には、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、水素極に含まれるNiが容易に酸化され、NiOが形成される。NiOは絶縁体であるため、水素極中にNiOが形成されると、その部分では電子パスが途絶え、電解反応が進行しなくなる。その結果、電解特性が低下する。 Ni/YSZ cermet is generally used for the hydrogen electrode of an SOEC. The hydrogen electrode may also have a two-layer structure with an active layer on the electrolyte side and a diffusion layer on the separator side. However, water vapor, the raw material for hydrogen production, is supplied to the hydrogen electrode at high temperatures (above 700°C). This causes the Ni contained in the hydrogen electrode to easily oxidize, forming NiO. Because NiO is an insulator, when NiO forms in the hydrogen electrode, the electron path is interrupted in that area, preventing the electrolytic reaction from proceeding. As a result, the electrolytic characteristics deteriorate.

Ebbesen, S. D.; Hansen, J. B.; Morgensen, M. B. ECS Trans. 2013, 57, 3217.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.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.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.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.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, 1069Sune Dalgaard Ebbesen, Soren Hojgaard Jensen, Anne Hauch, and Morgens Bjerg Morgensen, Chem. Rev. 2014, 114, 1069

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子伝導性の低下が少ないサーメット層を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、高温の水蒸気に曝されても電子伝導性の低下が少ない水蒸気電解用水素極を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a cermet layer that exhibits little decrease in electronic conductivity even when exposed to high-temperature water vapor.
Another object of the present invention is to provide a hydrogen electrode for steam electrolysis that exhibits little decrease in electronic conductivity even when exposed to high-temperature steam.

上記課題を解決するために本発明に係るサーメット層は、以下の構成を備えている。
(1)前記サーメット層は、
Ni含有粒子と、
23、CeO2及びZrO2の複合酸化物からなる第1YCZ粒子と、
23、CeO2及びZrO2の複合酸化物からなる第2YCZ粒子と、
を含むサーメットからなる。
(2)前記第2YCZ粒子に含まれるCeの含有量は、前記第1YCZ粒子に含まれるCeの含有量より少ない。
In order to solve the above problems, the cermet layer according to the present invention has the following configuration.
(1) The cermet layer is
Ni-containing particles;
first YCZ particles made of a composite oxide of Y2O3 , CeO2 , and ZrO2 ;
second YCZ particles made of a composite oxide of Y2O3 , CeO2 , and ZrO2 ;
The cermet comprises:
(2) The Ce content in the second YCZ particles is less than the Ce content in the first YCZ particles.

本発明に係る水蒸気電解用水素極は、本発明に係るサーメット層を備えている。 The hydrogen electrode for steam electrolysis according to the present invention is equipped with the cermet layer according to the present invention.

サーメット層を製造するための原料として、Ni含有粒子の原料、第1YCZ粒子の原料(例えば、所定の組成を有する第3YCZ粉末)、及び、第2YCZ粒子の原料(例えば、所定の組成を有するYSZ粉末)を用い、これらを含む原料混合物を焼成すると、第1YCZ粒子の原料(例えば、第3YCZ粉末)に含まれるCeの一部が第2YCZ粒子の原料(例えば、YSZ粉末)に拡散する。その結果、相対的に多量のCeを含む第1YCZ粒子(第3YCZ粉末に由来するYCZ粒子)と、相対的に少量のCeを含む第2YCZ粒子(YSZ粉末に由来するYCZ粒子)が生成する。 When the raw material mixture containing the Ni-containing particles, the first YCZ particles (e.g., third YCZ powder having a predetermined composition), and the second YCZ particles (e.g., YSZ powder having a predetermined composition) is fired as raw materials for producing the cermet layer, some of the Ce contained in the first YCZ particle raw material (e.g., third YCZ powder) diffuses into the second YCZ particle raw material (e.g., YSZ powder). As a result, first YCZ particles (YCZ particles derived from the third YCZ powder) containing a relatively large amount of Ce and second YCZ particles (YCZ particles derived from the YSZ powder) containing a relatively small amount of Ce are produced.

このようなサーメット層を含む水蒸気電解用水素極(特に、活性層がこのようなサーメット層からなる水蒸気電解用水素極)を備えたSOECを用いて水蒸気電解を行うと、水素極の電極性能の低下が抑制される。これは、
(a)水蒸気雰囲気において、Ni含有粒子は酸化されるが、Ni上に吸着した酸素を第1YCZ粒子及び/又は第2YCZ粒子が吸蔵(トラップ)して除去することで、Ni含有粒子の酸化を抑制するため、及び、
(b)相対的に多量のCeを含む第1YCZ粒子が電子/イオン混合伝導体としても機能するために、Ni含有粒子が酸化しても、第1YCZ粒子を介して電子及び酸化物イオンが伝導するため
と考えられる。
さらに、第2YCZ粒子は、サーメット層の強度低下を抑制する機能も備えている。そのため、このようなサーメット層をSOECの水素極に用いると、電子伝導性及び酸化物イオン伝導性の低下が抑制されることに加えて、SOECの耐久性も向上する。
When steam electrolysis is performed using an SOEC equipped with a hydrogen electrode for steam electrolysis that includes such a cermet layer (particularly, a hydrogen electrode for steam electrolysis whose active layer is made of such a cermet layer), the deterioration of the electrode performance of the hydrogen electrode is suppressed.
(a) In a water vapor atmosphere, the Ni-containing particles are oxidized, but the first YCZ particles and/or the second YCZ particles occlude (trap) and remove oxygen adsorbed on Ni, thereby suppressing the oxidation of the Ni-containing particles; and
(b) This is thought to be because the first YCZ particles, which contain a relatively large amount of Ce, also function as mixed electron/ion conductors, and therefore electrons and oxide ions are conducted via the first YCZ particles even when the Ni-containing particles are oxidized.
Furthermore, the second YCZ particles also have the function of suppressing a decrease in the strength of the cermet layer, so that when such a cermet layer is used in the hydrogen electrode of an SOEC, the decrease in electronic conductivity and oxide ion conductivity is suppressed and the durability of the SOEC is improved.

Ni/{YCZ(1)+YCZ(2)}を活性層に用いた固体酸化物形電解セルの模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a solid oxide electrolysis cell using Ni/{YCZ(1)+YCZ(2)} as the active layer. Ni/YSZを活性層に用いた従来の固体酸化物形電解セルの模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a conventional solid oxide electrolysis cell using Ni/YSZ as an active layer. YCZ(1)及びYCZ(2)を含むサーメット層を備えた水素極においてNi酸化が抑制されるメカニズムの模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram of the mechanism by which Ni oxidation is suppressed in a hydrogen electrode having a cermet layer containing YCZ(1) and YCZ(2). 実施例1で得られた活性層のSEM/EDX分析により得られたCeの元素マッピングである。1 shows elemental mapping of Ce obtained by SEM/EDX analysis of the active layer obtained in Example 1. 実施例1及び比較例1で得られた電解セルの電解電流劣化率である。1 shows the electrolysis current deterioration rates of the electrolysis cells obtained in Example 1 and Comparative Example 1.

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. サーメット層]
本発明に係るサーメット層は、
Ni含有粒子と、
23、CeO2及びZrO2の複合酸化物からなる第1YCZ粒子と、
23、CeO2及びZrO2の複合酸化物からなる第2YCZ粒子と、
を含むサーメットからなる。
An embodiment of the present invention will be described in detail below.
[1. Cermet layer]
The cermet layer according to the present invention comprises:
Ni-containing particles;
first YCZ particles made of a composite oxide of Y2O3 , CeO2 , and ZrO2 ;
second YCZ particles made of a composite oxide of Y2O3 , CeO2 , and ZrO2 ;
The cermet comprises:

サーメット層は、特に、
(a)Ni含有粒子の原料と、所定の組成を有する第3YCZ粉末と、所定の組成を有するYSZ粉末とを含む原料混合物を用いて成形体を作製し、
(b)成形体を大気雰囲気下において1000℃以上1400℃以下の温度で焼結させ、
(c)得られた焼結体をさらに水素還元雰囲気下において600℃以上800℃以下の温度で加熱する
ことにより得られたものが好ましい。
The cermet layer is particularly
(a) producing a compact using a raw material mixture including a raw material of Ni-containing particles, a third YCZ powder having a predetermined composition, and a YSZ powder having a predetermined composition;
(b) sintering the compact in an air atmosphere at a temperature of 1000°C or higher and 1400°C or lower;
(c) The sintered body is preferably further heated at a temperature of 600° C. or more and 800° C. or less in a hydrogen reducing atmosphere.

[1.1. Ni含有粒子]
「Ni含有粒子」とは、サーメット層に含まれるNiを含む粒子であって、粒子に含まれる金属元素の総質量に対するNiの質量割合が90mass%以上である金属粒子をいう。Ni含有粒子に含まれるNiの質量割合は、好ましくは、95mass%以上である。
Ni含有粒子は、サーメット層中において、電極触媒及び電子伝導体としての機能を有する。Ni含有粒子の組成は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。
[1.1. Ni-containing particles]
The "Ni-containing particles" refer to particles containing Ni contained in a cermet layer, in which the mass ratio of Ni to the total mass of metal elements contained in the particles is 90 mass% or more. The mass ratio of Ni contained in the Ni-containing particles is preferably 95 mass% or more.
The Ni-containing particles function as an electrode catalyst and an electron conductor in the cermet layer. The composition of the Ni-containing particles is not particularly limited as long as they exhibit these functions.

Ni含有粒子としては、例えば、Ni、Ni-Fe合金、Ni-Co合金などがある。これらの中でも、Ni含有粒子は、Ni又はNi-Fe合金が好ましい。 Examples of Ni-containing particles include Ni, Ni-Fe alloys, and Ni-Co alloys. Of these, Ni or Ni-Fe alloys are preferred as Ni-containing particles.

[1.2. 第1YCZ粒子、第2YCZ粒子]
[1.2.1. 定義]
「第1YCZ粒子」とは、Y23、CeO2及びZrO2の複合酸化物からなる粒子であって、第2YCZ粒子よりもCe含有量が多い粒子をいう。
「第2YCZ粒子」とは、Y23、CeO2及びZrO2の複合酸化物からなる粒子であって、第1YCZ粒子よりもCe含有量が少ない粒子をいう。
[1.2. 1st YCZ particle, 2nd YCZ particle]
[1.2.1. Definition]
The "first YCZ particles" refer to particles made of a composite oxide of Y2O3 , CeO2 , and ZrO2 , and having a higher Ce content than the second YCZ particles.
The "second YCZ particles" refer to particles made of a composite oxide of Y2O3 , CeO2 , and ZrO2 , and having a lower Ce content than the first YCZ particles.

サーメット層を作製する場合、第1YCZ粒子の原料は、
(a)目的とする組成を有する第1YCZ粒子と同一の組成を有する粉末(=第1YCZ粉末)、又は、
(b)固相反応により目的とする組成を有する第1YCZ粒子を生成させることが可能な粉末(例えば、第3YCZ粉末)
のいずれであっても良い。この点は、第2YCZ粒子も同様である。
When producing a cermet layer, the raw material of the first YCZ particles is
(a) a powder having the same composition as the first YCZ particles having the target composition (=first YCZ powder), or
(b) a powder capable of producing first YCZ particles having a desired composition by solid-state reaction (e.g., a third YCZ powder);
This also applies to the second YCZ particles.

後者の方法を用いてサーメット層を作製した場合、第1YCZ粒子は、サーメット層を製造するための出発原料として添加される第1YCZ粒子の原料(例えば、第3YCZ粉末)に由来する粒子である。一方、第2YCZ粒子は、サーメット層を製造するための出発原料として添加される第2YCZ粒子の原料(例えば、YSZ粉末)に由来する粒子である。 When the latter method is used to produce a cermet layer, the first YCZ particles are particles derived from the raw material for the first YCZ particles (e.g., third YCZ powder) added as a starting material for producing the cermet layer. On the other hand, the second YCZ particles are particles derived from the raw material for the second YCZ particles (e.g., YSZ powder) added as a starting material for producing the cermet layer.

[1.2.2. 酸素吸蔵・放出能]
YCZ粒子は、Y及びCeがドープされたZrO2からなる。一般に、YCZ粒子に含まれるCe量が多くなるほど、酸素吸蔵量は増加し、酸化物イオン伝導性は低下し、電子伝導性は向上し、強度は低下する傾向がある。
そのため、相対的に多量のCeを含む第1YCZ粒子は、サーメット層中において、主として、Ni含有粒子に含まれるNiの酸化を抑制する機能と、電子伝導体としての機能とを持つ。
一方、相対的に少量のCeを含む第2YCZ粒子は、サーメット層中において、主として、Ni含有粒子に含まれるNiの酸化を抑制する機能と、酸化物イオン伝導体としての機能と、サーメット層の強度を維持する機能とを持つ。
[1.2.2. Oxygen storage and release capacity]
The YCZ particles are made of ZrO2 doped with Y and Ce. Generally, as the amount of Ce contained in the YCZ particles increases, the oxygen storage capacity increases, the oxide ion conductivity decreases, the electronic conductivity improves, and the strength decreases.
Therefore, the first YCZ particles containing a relatively large amount of Ce have the main function of suppressing oxidation of Ni contained in the Ni-containing particles and functioning as an electron conductor in the cermet layer.
On the other hand, the second YCZ particles containing a relatively small amount of Ce have, in the cermet layer, mainly the functions of suppressing the oxidation of Ni contained in the Ni-containing particles, the function of acting as an oxide ion conductor, and the function of maintaining the strength of the cermet layer.

ZrO2にドープされたYは、主として、ZrO2に高いイオン伝導性を付与する作用がある。ZrO2にドープされたCeは、主として、ZrO2に酸素吸蔵・放出能を付与する作用と、ZrO2に電子伝導性を付与する作用とがある。
そのため、Ni含有粒子を含む水素極に第1YCZ粒子及び第2YCZ粒子を添加すると、高い電極活性を維持したまま、Ni含有粒子に含まれるNiの酸化が格段に抑制される。また、仮にNi含有粒子が酸化したとしても、第1YCZ粒子を介して電子が伝導する。
Ni含有粒子がNi以外の金属元素を含む場合であっても、少なくともNiの酸化を抑制することができれば、電極内に三相界面(TPB)を確保することができる。
The Y doped in ZrO2 mainly has the function of imparting high ionic conductivity to ZrO2 . The Ce doped in ZrO2 mainly has the function of imparting oxygen storage/release capacity to ZrO2 and the function of imparting electronic conductivity to ZrO2 .
Therefore, when the first YCZ particles and the second YCZ particles are added to a hydrogen electrode containing Ni-containing particles, oxidation of Ni contained in the Ni-containing particles is significantly suppressed while maintaining high electrode activity. Furthermore, even if the Ni-containing particles are oxidized, electrons are conducted via the first YCZ particles.
Even when the Ni-containing particles contain a metal element other than Ni, if the oxidation of Ni can be suppressed at least, a three-phase boundary (TPB) can be ensured in the electrode.

次の式(a)に、CeO2がドープされたZrO2(CZ)の酸素吸蔵・放出反応の反応式を示す。式(a)中、右側に進む反応は酸化反応を表し、左側に進む反応は還元反応を表す。
CeO2-x-ZrO2+(x/2)O2 ⇔ CeO2-ZrO2 …(a)
The following formula (a) shows the oxygen storage and release reaction of CeO2 -doped ZrO2 (CZ): In formula (a), the reaction proceeding to the right represents an oxidation reaction, and the reaction proceeding to the left represents a reduction reaction.
CeO 2-x −ZrO 2 +(x/2)O 2 ⇔ CeO 2 −ZrO 2 …(a)

ZrO2中に固溶しているCeイオンは、周囲の雰囲気中の酸素分圧に応じて、可逆的に3価の状態(還元状態)と、4価の状態(酸化状態)とを取ることができる。そのため、CZが酸化雰囲気に曝される時には、CZは雰囲気中にある酸素イオンを結晶格子内に取り込む。一方、CZが還元雰囲気に曝される時には、CZは結晶格子内にある酸素イオンを雰囲気中に放出する。この点は、YCZも同様である。 The Ce ions dissolved in ZrO2 can reversibly take on a trivalent state (reduced state) or a tetravalent state (oxidized state) depending on the oxygen partial pressure in the surrounding atmosphere. Therefore, when CZ is exposed to an oxidizing atmosphere, it incorporates oxygen ions from the atmosphere into its crystal lattice. On the other hand, when CZ is exposed to a reducing atmosphere, it releases oxygen ions from the crystal lattice into the atmosphere. This is also true for YCZ.

[1.2.3. 第1YCZ粒子の組成]
第1YCZ粒子は、次の式(1)で表される組成を有するものが好ましい。
xCeyZr1-x-y2-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。
[1.2.3. Composition of first YCZ particles]
The first YCZ particles preferably have a composition represented by the following formula (1):
Y x Ce y Zr 1-xy O 2-δ …(1)
however,
0<x≦0.2, 0<y≦0.2,
δ is the value at which electrical neutrality is maintained.

式(1)中、xは、第1YCZ粒子に含まれるY、Ce、及びZrの総モル数に対するYのモル数の割合を表す。xが小さくなりすぎると、第1YCZ粒子の酸化物イオン伝導性が低下する場合がある。従って、xは、0超である必要がある。xは、好ましくは、0.04以上、さらに好ましくは、0.08以上である。
一方、xが大きくなりすぎると、酸化物イオン伝導性が低下する場合がある。従って、xは、0.2以下が好ましい。xは、さらに好ましくは、0.15以下、さらに好ましくは、0.1以下である。
In formula (1), x represents the ratio of the number of moles of Y to the total number of moles of Y, Ce, and Zr contained in the first YCZ particles. If x is too small, the oxide ion conductivity of the first YCZ particles may decrease. Therefore, x must be greater than 0. x is preferably 0.04 or greater, and more preferably 0.08 or greater.
On the other hand, if x is too large, the oxide ion conductivity may decrease. Therefore, x is preferably 0.2 or less, more preferably 0.15 or less, and even more preferably 0.1 or less.

式(1)中、yは、第1YCZ粒子に含まれるY、Ce、及びZrの総モル数に対するCeのモル数の割合を表す。yが小さくなりすぎると、酸素吸蔵量が低下し、Ni含有粒子に含まれるNiの酸化抑制機能が低下する場合がある。また、yが小さくなりすぎると、第1YCZ粒子の電子伝導性が低下する場合がある。従って、yは、0超である必要がある。yは、好ましくは、0.04以上、さらに好ましくは、0.08以上である。
一方、yが大きくなりすぎると、サーメット層の酸化物イオン伝導性が低下するだけでなく、サーメット層の機械的強度も低下する場合がある。従って、yは、0.2以下が好ましい。yは、さらに好ましくは、0.15以下、あるいは、0.1以下である。
In formula (1), y represents the ratio of the number of moles of Ce to the total number of moles of Y, Ce, and Zr contained in the first YCZ particles. If y is too small, the oxygen storage capacity decreases, and the oxidation inhibitory function of Ni contained in the Ni-containing particles may decrease. Furthermore, if y is too small, the electronic conductivity of the first YCZ particles may decrease. Therefore, y must be greater than 0. y is preferably 0.04 or more, more preferably 0.08 or more.
On the other hand, if y is too large, not only the oxide ion conductivity of the cermet layer decreases, but also the mechanical strength of the cermet layer may decrease. Therefore, y is preferably 0.2 or less. y is more preferably 0.15 or less, or 0.1 or less.

第1YCZ粒子は、特に、0.08≦x≦0.1、及び、0.08≦y≦0.1を満たすものが好ましい。 It is particularly preferable that the first YCZ particles satisfy the conditions 0.08≦x≦0.1 and 0.08≦y≦0.1.

[1.2.4. 第2YCZ粒子の組成]
第2YCZ粒子は、次の式(2)で表される組成を有するものが好ましい。
x'Cey'Zr1-x'-y'2-δ' …(2)
但し、
0<x'≦0.2、0<y'≦0.02、y'<y
δ'は電気的中性が保たれる値。
[1.2.4. Composition of second YCZ particles]
The second YCZ particles preferably have a composition represented by the following formula (2).
Y x' Ce y' Zr 1-x'-y' O 2-δ' ...(2)
however,
0<x'≦0.2, 0<y'≦0.02, y'<y
δ' is the value at which electrical neutrality is maintained.

式(2)中、x'は、第2YCZ粒子に含まれるY、Ce、及びZrの総モル数に対するYのモル数の割合を表す。x'が小さくなりすぎると、第2YCZ粒子の酸化物イオン伝導性が低下する場合がある。従って、x'は、0超である必要がある。x'は、好ましくは、0.05以上、さらに好ましくは、0.09以上である。
一方、x'が大きくなりすぎると、酸化物イオン伝導性が低下する場合がある。従って、x'は、0.2以下が好ましい。x'は、さらに好ましくは、0.15以下、さらに好ましくは、0.12以下である。
In formula (2), x' represents the ratio of the number of moles of Y to the total number of moles of Y, Ce, and Zr contained in the second YCZ particles. If x' is too small, the oxide ion conductivity of the second YCZ particles may decrease. Therefore, x' must be greater than 0. x' is preferably 0.05 or greater, and more preferably 0.09 or greater.
On the other hand, if x' is too large, the oxide ion conductivity may decrease. Therefore, x' is preferably 0.2 or less, more preferably 0.15 or less, and even more preferably 0.12 or less.

式(2)中、y'は、第2YCZ粒子に含まれるY、Ce、及びZrの総モル数に対するCeのモル数の割合を表す。y'が小さくなりすぎると、酸素吸蔵量が低下し、Ni含有粒子に含まれるNiの酸化抑制機能が低下する場合がある。従って、y'は、0超である必要がある。yは、好ましくは、0.005以上、さらに好ましくは、0.009以上である。
一方、y'が大きくなりすぎると、サーメット層の酸化物イオン伝導性が低下するだけでなく、サーメット層の機械的強度も低下する場合がある。従って、y'は、0.02以下が好ましい。y'は、さらに好ましくは、0.017以下、さらに好ましくは、0.015以下である。
In formula (2), y' represents the ratio of the number of moles of Ce to the total number of moles of Y, Ce, and Zr contained in the second YCZ particles. If y' is too small, the oxygen storage capacity decreases, and the oxidation inhibitory function of Ni contained in the Ni-containing particles may decrease. Therefore, y' must be greater than 0. y is preferably 0.005 or more, more preferably 0.009 or more.
On the other hand, if y' is too large, not only the oxide ion conductivity of the cermet layer decreases, but also the mechanical strength of the cermet layer may decrease. Therefore, y' is preferably 0.02 or less. y' is more preferably 0.017 or less, and even more preferably 0.015 or less.

第2YCZ粒子は、特に、0.09≦x'≦0.12、及び、0.009≦y'≦0.015を満たすものが好ましい。 The second YCZ particles preferably satisfy the conditions 0.09≦x'≦0.12 and 0.009≦y'≦0.015.

[1.3. サーメット層の組成]
サーメット層は、次の式(3)~式(5)を満たすものが好ましい。
30mass%≦X≦70mass% …(3)
1mass%≦Y≦20mass% …(4)
X+Y+Z=100mass% …(5)
但し、
X(mass%)は、前記Ni含有粒子、前記第1YCZ粒子、及び、前記第2YCZ粒子の総質量に対する、前記Ni含有粒子の質量の割合、
Y(mass%)は、前記Ni含有粒子、前記第1YCZ粒子、及び、前記第2YCZ粒子の総質量に対する、前記第1YCZ粒子の質量の割合、
Z(mass%)は、前記Ni含有粒子、前記第1YCZ粒子、及び、前記第2YCZ粒子の総質量に対する、前記第2YCZ粒子の質量の割合。
[1.3. Composition of cermet layer]
The cermet layer preferably satisfies the following formulas (3) to (5).
30mass%≦X≦70mass%…(3)
1mass%≦Y≦20mass%…(4)
X+Y+Z=100mass%...(5)
however,
X (mass%) is the ratio of the mass of the Ni-containing particles to the total mass of the Ni-containing particles, the first YCZ particles, and the second YCZ particles;
Y (mass %) is the ratio of the mass of the first YCZ particles to the total mass of the Ni-containing particles, the first YCZ particles, and the second YCZ particles;
Z (mass %) is the ratio of the mass of the second YCZ particles to the total mass of the Ni-containing particles, the first YCZ particles, and the second YCZ particles.

Ni含有粒子の含有量Xが少なくなりすぎると、セル全抵抗が高くなり、電極反応の効率も低下する場合がある。従って、Xは、30mass%以上が好ましい。Xは、さらに好ましくは、40mass%以上である。
一方、Xが過剰になると、第1YCZ粒子及び第2YCZ粒子の含有量が少なくなる。その結果、Ni含有粒子に含まれるNiの酸化抑制機能が低下し、あるいは、サーメット層の強度が低下する場合がある。従って、Xは、70mass%以下が好ましい。
If the content X of the Ni-containing particles is too small, the total cell resistance may increase and the efficiency of the electrode reaction may decrease. Therefore, X is preferably 30 mass% or more. X is more preferably 40 mass% or more.
On the other hand, if X is excessive, the content of the first YCZ particles and the second YCZ particles will decrease. As a result, the oxidation suppression function of Ni contained in the Ni-containing particles may decrease, or the strength of the cermet layer may decrease. Therefore, X is preferably 70 mass% or less.

第1YCZ粒子の含有量Yが少なくなりすぎると、Ni含有粒子に含まれるNiの酸化抑制機能が低下し、あるいは、サーメット層の酸化物イオン伝導性が低下する場合がある。従って、Yは、1mass%以上が好ましい。Yは、さらに好ましくは、3mass%以上、さらに好ましくは、5mas%以上である。
一方、Yが過剰になると、第2YCZ粒子の含有量が相対的に少なくなり、サーメット層の強度が低下する場合がある。従って、Yは、20mass%以下が好ましい。Yは、さらに好ましくは、18mass%以下、さらに好ましくは、15mass%以下である。
If the content Y of the first YCZ particles is too small, the oxidation suppression function of Ni contained in the Ni-containing particles may be reduced, or the oxide ion conductivity of the cermet layer may be reduced. Therefore, Y is preferably 1 mass% or more. Y is more preferably 3 mass% or more, and even more preferably 5 mass% or more.
On the other hand, if Y is excessive, the content of the second YCZ particles becomes relatively small, which may result in a decrease in the strength of the cermet layer. Therefore, Y is preferably 20 mass% or less, more preferably 18 mass% or less, and even more preferably 15 mass% or less.

[1.4. 用途]
本発明に係るサーメット層は、種々の用途に用いることができる。サーメット層の用途としては例えば、
(a)水蒸気電解用水素極の活性層、
(b)水蒸気電解用水素極の拡散層、
(c)固体酸化物形燃料電池の燃料極の活性層、
(d)固体酸化物形燃料電池の燃料極の拡散層、
などがある。
[1.4. Use]
The cermet layer according to the present invention can be used for various purposes. Examples of the uses of the cermet layer include:
(a) an active layer of a hydrogen electrode for steam electrolysis;
(b) a diffusion layer of a hydrogen electrode for steam electrolysis;
(c) an active layer of an anode of a solid oxide fuel cell;
(d) a diffusion layer of an anode of a solid oxide fuel cell;
etc.

[1.5. 気孔率]
サーメット層の気孔率は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な気孔率を選択することができる。
1.5. Porosity
The porosity of the cermet layer is not particularly limited, and an optimum porosity can be selected depending on the purpose.

例えば、本発明に係るサーメット層を水蒸気電解用水素極の活性層として用いる場合、活性層の気孔率は、電解特性に影響を与える。活性層の気孔率が小さすぎると、ガスの拡散性が低下し、電極反応の効率が低下する。従って、活性層の気孔率は、15%以上が好ましい。気孔率は、好ましくは、20%以上、さらに好ましくは、25%以上である。
一方、活性層の気孔率が大きくなりすぎると、三相界面が相対的に少なくなり、かえって電極反応の効率が低下する。従って、活性層の気孔率は、40%以下が好ましい。気孔率は、好ましくは、35%以下、さらに好ましくは、30%以下である。
For example, when the cermet layer according to the present invention is used as an active layer of a hydrogen electrode for steam electrolysis, the porosity of the active layer affects the electrolytic characteristics. If the porosity of the active layer is too small, the gas diffusibility decreases, and the efficiency of the electrode reaction decreases. Therefore, the porosity of the active layer is preferably 15% or more. The porosity is preferably 20% or more, and more preferably 25% or more.
On the other hand, if the porosity of the active layer is too high, the number of three-phase interfaces becomes relatively small, which in turn reduces the efficiency of the electrode reaction. Therefore, the porosity of the active layer is preferably 40% or less. The porosity is preferably 35% or less, and more preferably 30% or less.

また、例えば、本発明に係るサーメット層を水蒸気電解用水素極の拡散層として用いる場合、拡散層の気孔率は、水素極のガス拡散性、強度、電子伝導性などに影響を与える。一般に、拡散層の気孔率が小さすぎると、ガス拡散性が低下する。従って、拡散層の気孔率は、40%以上が好ましい。気孔率は、さらに好ましくは、45%以上、さらに好ましくは、50%以上である。
一方、拡散層の気孔率が大きくなりすぎると、強度及び電子伝導性が低下する。従って、拡散層の気孔率は、60%以下が好ましい。気孔率は、好ましくは、58%以下、さらに好ましくは、55%以下である。
Furthermore, for example, when the cermet layer according to the present invention is used as a diffusion layer of a hydrogen electrode for steam electrolysis, the porosity of the diffusion layer affects the gas diffusivity, strength, electronic conductivity, and other properties of the hydrogen electrode. Generally, if the porosity of the diffusion layer is too low, the gas diffusivity decreases. Therefore, the porosity of the diffusion layer is preferably 40% or more. The porosity is more preferably 45% or more, and even more preferably 50% or more.
On the other hand, if the porosity of the diffusion layer is too high, the strength and electronic conductivity decrease. Therefore, the porosity of the diffusion layer is preferably 60% or less. The porosity is preferably 58% or less, and more preferably 55% or less.

[2. 水蒸気電解用水素極]
本発明に係る水蒸気電解用水素極(以下、「水素極」ともいう)は、本発明に係るサーメット層を含む。
[2. Hydrogen electrode for steam electrolysis]
The hydrogen electrode for steam electrolysis according to the present invention (hereinafter also referred to as "hydrogen electrode") includes the cermet layer according to the present invention.

[2.1. 活性層及び拡散層]
水蒸気電解用水素極は、活性層のみからなる場合と、活性層と、活性層のセパレータ側表面に形成された拡散層とを備えている場合とがある。
活性層は、電解反応の反応場となる層である。活性層は、電解反応により生じた酸化物イオンを電解質に輸送する必要があるため、高いイオン伝導度が求められる。
一方、拡散層は、活性層を支持するためのものである。拡散層と活性層との積層体からなる水素極において、電極反応は、主として活性層内で生じる。そのため、拡散層は、必ずしも高いイオン伝導度を有している必要はない。
[2.1. Active Layer and Diffusion Layer]
The hydrogen electrode for steam electrolysis may be composed of only an active layer, or may be provided with an active layer and a diffusion layer formed on the separator-side surface of the active layer.
The active layer is the reaction site for the electrolytic reaction, and is required to have high ionic conductivity because it must transport oxide ions generated by the electrolytic reaction to the electrolyte.
On the other hand, the diffusion layer is used to support the active layer. In a hydrogen electrode consisting of a laminate of a diffusion layer and an active layer, the electrode reaction occurs mainly in the active layer. Therefore, the diffusion layer does not necessarily need to have high ionic conductivity.

すなわち、拡散層は、少なくとも、
(a)その電解質層側表面に形成される活性層を支持するための機能、
(b)電解の原料を活性層まで拡散させる機能、
(c)還元反応に必要な電子を集電体から活性層まで輸送する機能、及び、
(d)電極反応により活性層で生成した水素を水素極外に排出する機能
を備えている必要がある。
拡散層の組成は、このような機能を奏する限りにおいて、特に限定されない。拡散層は、一般に、Ni含有粒子と、固体酸化物からなる電解質粒子とを含むサーメットからなる。
That is, the diffusion layer includes at least
(a) a function of supporting an active layer formed on the surface of the electrolyte layer side;
(b) the function of diffusing the raw materials for electrolysis to the active layer;
(c) transporting electrons required for the reduction reaction from the current collector to the active layer; and
(d) It is necessary to have a function of discharging hydrogen generated in the active layer by the electrode reaction to the outside of the hydrogen electrode.
The composition of the diffusion layer is not particularly limited as long as it performs the above functions. The diffusion layer is generally made of a cermet containing Ni-containing particles and electrolyte particles made of a solid oxide.

本発明に係る水蒸気電解用水素極は、
(a)活性層のみを含み、活性層が本発明に係るサーメット層からなるもの、
(b)活性層と拡散層の二層構造を備え、活性層が本発明に係るサーメット層からなり、拡散層が本発明に係るサーメット層以外の層からなるもの、
(c)活性層と拡散層の二層構造を備え、活性層と拡散層の双方が本発明に係るサーメット層からなるもの、
(d)活性層と拡散層の二層構造を備え、拡散層が本発明に係るサーメット層からなり、活性層が本発明に係るサーメット層以外の層からなるもの
のいずれであっても良い。
The hydrogen electrode for steam electrolysis according to the present invention comprises:
(a) comprising only an active layer, the active layer being made of the cermet layer according to the present invention;
(b) A two-layer structure of an active layer and a diffusion layer, in which the active layer is made of the cermet layer according to the present invention and the diffusion layer is made of a layer other than the cermet layer according to the present invention;
(c) A two-layer structure of an active layer and a diffusion layer, both of which are made of the cermet layer according to the present invention.
(d) It may have a two-layer structure of an active layer and a diffusion layer, in which the diffusion layer is made of the cermet layer according to the present invention, and the active layer is made of a layer other than the cermet layer according to the present invention.

拡散層又は活性層が本発明に係るサーメット層以外の層(以下、これを「第2層」ともいう)からなる場合、第2層の組成は、特に限定されない。第2層は、通常、第2Ni含有粒子と、固体酸化物からなる電解質粒子とを含むサーメットからなる。 When the diffusion layer or active layer is composed of a layer other than the cermet layer of the present invention (hereinafter also referred to as the "second layer"), the composition of the second layer is not particularly limited. The second layer typically consists of a cermet containing second Ni-containing particles and electrolyte particles made of a solid oxide.

第2層に含まれる第2Ni含有粒子は、本発明に係るサーメット層に含まれるNi含有粒子と同一組成を有するものでも良く、あるいは、異なる組成を有するものでも良い。
また、第2層に含まれる電解質粒子としては、例えば、3~15mol%のY23を含むイットリア安定化ジルコニア(YSZ)(例えば、8mol%のY23を含む8YSZ)などがある。
The second Ni-containing particles contained in the second layer may have the same composition as the Ni-containing particles contained in the cermet layer according to the present invention, or may have a different composition.
The electrolyte particles contained in the second layer include, for example, yttria-stabilized zirconia (YSZ) containing 3 to 15 mol % of Y 2 O 3 (for example, 8YSZ containing 8 mol % of Y 2 O 3 ).

Ni含有粒子の酸化に起因する電子伝導性の低下及び電解反応の効率低下を抑制するためには、水蒸気電解用水素極は、少なくとも活性層が本発明に係るサーメット層からなるものが好ましい。サーメット層に関するその他の点については、上述した通りであるので、説明を省略する。 To prevent a decrease in electronic conductivity and a decrease in the efficiency of the electrolysis reaction due to oxidation of the Ni-containing particles, it is preferable that at least the active layer of the hydrogen electrode for steam electrolysis be made of the cermet layer according to the present invention. Other aspects of the cermet layer are as described above, so further explanation is omitted.

[2.2. 電解電流劣化率]
「電解電流劣化率ΔI」とは、耐久試験前後における電解時間100時間当たりの電解電流の劣化率であって、次の式(8)で表される値をいう。
ΔI(%/100h)=(I0-I1)×100/(I0×3) …(8)
但し、
0(A)は、耐久試験前において、セル温度:700℃、電圧:1.3Vの条件下において水蒸気電解を行った時の電解電流、
1(A)は、耐久試験後において、セル温度:700℃、電圧:1.3Vの条件下において水蒸気電解を行った時の電解電流。
「耐久試験」とは、SOECを用いて、セル温度:700℃、電圧:1.3Vの条件下において、300時間の水蒸気電解を行う試験をいう。
[2.2. Electrolytic current deterioration rate]
The "electrolysis current deterioration rate ΔI" is the deterioration rate of the electrolysis current per 100 hours of electrolysis time before and after the durability test, and is a value expressed by the following formula (8).
ΔI (%/100h) = (I 0 - I 1 ) x 100/(I 0 x 3)...(8)
however,
I 0 (A) is the electrolysis current when steam electrolysis was performed under the conditions of a cell temperature of 700°C and a voltage of 1.3V before the durability test.
I 1 (A) is the electrolysis current when steam electrolysis was carried out under the conditions of a cell temperature of 700° C. and a voltage of 1.3 V after the durability test.
The "durability test" refers to a test in which steam electrolysis is performed using an SOEC under conditions of a cell temperature of 700°C and a voltage of 1.3V for 300 hours.

本発明に係るサーメット層は、組成の異なる2種類のYCZ粒子を含むために、高温の水蒸気に曝されても、電子伝導性の低下が少ない。そのため、本発明に係るサーメット層を、少なくとも水蒸気電解用水素極の活性層として用いると、従来の水素極に比べて電解電流劣化率が低くなる。活性層の組成を最適化すると、電解電流劣化率は10%/100h以下となる。活性層の組成をさらに最適化すると、電解電流劣化率は、7%/100h以下、あるいは、5%/100h以下となる。 The cermet layer of the present invention contains two types of YCZ particles with different compositions, and therefore exhibits little decrease in electronic conductivity even when exposed to high-temperature water vapor. Therefore, when the cermet layer of the present invention is used at least as the active layer of a hydrogen electrode for water vapor electrolysis, the electrolysis current degradation rate is lower than that of conventional hydrogen electrodes. When the composition of the active layer is optimized, the electrolysis current degradation rate is 10%/100 h or less. When the composition of the active layer is further optimized, the electrolysis current degradation rate is 7%/100 h or less, or 5%/100 h or less.

[3. サーメット層の製造方法]
本発明に係るサーメット層は、
(a)Ni含有粒子の原料、第1YCZ粒子の原料、及び、第2YCZ粒子の原料を含む原料混合物を用いて成形体を形成し、
(c)得られた成形体を焼結し、
(d)得られた焼結体を還元処理する
ことにより製造することができる。
[3. Manufacturing method of cermet layer]
The cermet layer according to the present invention comprises:
(a) forming a compact using a raw material mixture containing a raw material for Ni-containing particles, a raw material for first YCZ particles, and a raw material for second YCZ particles;
(c) sintering the obtained compact;
(d) The resulting sintered body can be subjected to a reduction treatment to produce the desired product.

[3.1. 第1工程]
まず、Ni含有粒子の原料、第1YCZ粒子の原料、及び、第2YCZ粒子の原料を含む原料混合物を用いて成形体を作製する(第1工程)。
[3.1. 1st process]
First, a compact is produced using a raw material mixture containing the raw material of the Ni-containing particles, the raw material of the first YCZ particles, and the raw material of the second YCZ particles (first step).

[3.1.1. Ni含有粒子の原料]
「Ni含有粒子の原料」とは、焼結・還元後にNi含有粒子となる原料をいう。本発明において、Ni含有粒子の原料の種類は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な原料を選択することができる。Ni含有粒子の原料としては、例えば、NiO粉末、Fe23粉末、Fe34粉末、金属FeとNiO又は金属Niとの混合物、CoO粉末、Co23粉末などがある。
[3.1.1. Raw materials for Ni-containing particles]
The "raw material for Ni-containing particles" refers to a raw material that becomes Ni-containing particles after sintering and reduction. In the present invention, the type of raw material for Ni-containing particles is not particularly limited, and an optimal raw material can be selected depending on the purpose. Examples of raw materials for Ni-containing particles include NiO powder, Fe2O3 powder, Fe3O4 powder, a mixture of metallic Fe and NiO or metallic Ni , CoO powder, and Co2O3 powder.

[3.1.2. 第1YCZ粒子の原料]
「第1YCZ粒子の原料」とは、焼結後に第1YCZ粒子となる原料をいう。第1YCZ粒子の原料は、焼結後に第1YCZ粒子を生成可能なものである限りにおいて、特に限定されない。第1YCZ粒子の原料は、特に、次の式(6)で表される組成を有する第3YCZ粉末が好ましい。
[3.1.2. Raw material of first YCZ particles]
The "raw material for the first YCZ particles" refers to a raw material that becomes the first YCZ particles after sintering. The raw material for the first YCZ particles is not particularly limited as long as it can produce the first YCZ particles after sintering. The raw material for the first YCZ particles is preferably a third YCZ powder having a composition represented by the following formula (6):

x"Cey"Zr1-x"-y"2-δ" …(6)
但し、
0<x"≦0.2、0<y"<1.0、y">y、
δ"は電気的中性が保たれる値。
Y x" Ce y" Zr 1-x"-y" O 2-δ" ...(6)
however,
0<x"≦0.2, 0<y"<1.0, y">y,
δ" is the value at which electrical neutrality is maintained.

式(6)中、x"は、第3YCZ粉末に含まれるY、Ce、及びZrの総モル数に対するYのモル数の割合を表す。x"が小さくなりすぎると、目的とする組成を有する第1YCZ粒子が得られない場合がある。従って、x"は、0超が好ましい。x"は、さらに好ましくは、0.04以上、さらに好ましくは、0.08以上である。
同様に、x"が大きくなりすぎると、目的とする組成を有する第1YCZ粒子が得られない場合がある。従って、x"は、0.2以下が好ましい。xは、さらに好ましくは、0.15以下、さらに好ましくは、0.1以下である。
In formula (6), x" represents the ratio of the number of moles of Y to the total number of moles of Y, Ce, and Zr contained in the third YCZ powder. If x" is too small, first YCZ particles having the desired composition may not be obtained. Therefore, x" is preferably greater than 0. x" is more preferably 0.04 or greater, and even more preferably 0.08 or greater.
Similarly, if x" is too large, first YCZ particles having the desired composition may not be obtained. Therefore, x" is preferably 0.2 or less. x is more preferably 0.15 or less, and even more preferably 0.1 or less.

式(6)中、y"は、第3YCZ粉末に含まれるY、Ce、及びZrの総モル数に対するCeのモル数の割合を表す。y"が小さくなりすぎると、目的とする組成を有する第1YCZ粒子が得られない場合がある。従って、y"は、0超が好ましい。y"は、さらに好ましくは、0.08以上である。
同様に、y"が大きくなりすぎると、目的とする組成を有する第1YCZ粒子が得られない場合がある。従って、y"は、1.0未満が好ましい。y"は、さらに好ましくは、0.9以下、0.8以下、0.7以下、0.6以下、0.5以下、0.4以下、0.3以下、0.2以下、あるいは、0.1以下である。
なお、第1YCZ粒子は、第3YCZ粉末に含まれるCeの一部が第2YCZ粒子の原料に拡散することにより形成される。そのため、y">yの関係が成り立つ。
In formula (6), y" represents the ratio of the number of moles of Ce to the total number of moles of Y, Ce, and Zr contained in the third YCZ powder. If y" is too small, first YCZ particles having the desired composition may not be obtained. Therefore, y" is preferably greater than 0. y" is more preferably 0.08 or greater.
Similarly, if y" is too large, first YCZ particles having the desired composition may not be obtained. Therefore, y" is preferably less than 1.0. y" is more preferably 0.9 or less, 0.8 or less, 0.7 or less, 0.6 or less, 0.5 or less, 0.4 or less, 0.3 or less, 0.2 or less, or 0.1 or less.
The first YCZ particles are formed by diffusing a portion of Ce contained in the third YCZ powder into the raw material of the second YCZ particles. Therefore, the relationship y″>y holds.

[3.1.3.. 第2YCZ粒子の原料]
「第2YCZ粒子の原料」とは、焼結後に第2YCZ粒子となる原料をいう。第2YCZ粒子の原料は、焼結後に第2YCZ粒子を生成可能なものである限りにおいて、特に限定されない。第2YCZ粒子の原料は、特に、次の式(7)で表される組成を有するYSZ粉末が好ましい。
[3.1.3. Raw material for second YCZ particles]
The "raw material for the second YCZ particles" refers to a raw material that becomes the second YCZ particles after sintering. The raw material for the second YCZ particles is not particularly limited as long as it can produce the second YCZ particles after sintering. The raw material for the second YCZ particles is preferably a YSZ powder having a composition represented by the following formula (7):

zZr1-z2-γ …(7)
但し、
0<z≦0.2、
γは、電気的中性が保たれる値。
YzZr1 -zO2 ...(7)
however,
0<z≦0.2,
γ is the value at which electrical neutrality is maintained.

式(7)中、zは、YSZ粉末に含まれるY及びZrの総モル数に対するYのモル数の割合を表す。zが小さくなりすぎると、目的とする組成を有する第2YCZ粒子が得られない場合がある。従って、zは、0超が好ましい。zは、さらに好ましくは、0.05以上、さらに好ましくは、0.09以上である。
同様に、zが大きくなりすぎると、目的とする組成を有する第2YCZ粒子が得られない場合がある。従って、zは、0.2以下が好ましい。zは、さらに好ましくは、0.15以下、さらに好ましくは、0.12以下である。
In formula (7), z represents the ratio of the number of moles of Y to the total number of moles of Y and Zr contained in the YSZ powder. If z is too small, second YCZ particles having the desired composition may not be obtained. Therefore, z is preferably greater than 0. z is more preferably 0.05 or greater, and even more preferably 0.09 or greater.
Similarly, if z is too large, second YCZ particles having the desired composition may not be obtained. Therefore, z is preferably 0.2 or less. z is more preferably 0.15 or less, and even more preferably 0.12 or less.

[3.1.4. 造孔剤]
原料混合物中には、造孔材(例えば、カーボン粉末)が含まれていても良い。原料混合物中に添加されたNi含有粒子の原料に含まれる金属酸化物(例えば、NiO粉末)は、焼結体作製後に還元処理される。その際、体積収縮が起こり、焼結体内に気孔が導入される。そのため、造孔材は、必ずしも必要ではない。しかし、原料混合物中に造孔材を添加すると、気孔率の制御の自由度が増大する。
3.1.4. Pore-forming agent
The raw material mixture may contain a pore-forming material (e.g., carbon powder). Metal oxides (e.g., NiO powder) contained in the raw material of the Ni-containing particles added to the raw material mixture are reduced after the sintered body is produced. During this process, volumetric shrinkage occurs, introducing pores into the sintered body. Therefore, a pore-forming material is not necessarily required. However, adding a pore-forming material to the raw material mixture increases the degree of freedom in controlling the porosity.

[3.1.5. 原料配合]
各原料は、焼結・還元後に目的とする組成を有するサーメット層が得られるように配合するのが好ましい。
[3.1.5. Raw material composition]
The raw materials are preferably blended so as to obtain a cermet layer having the desired composition after sintering and reduction.

[3.1.6. 成形体の作製方法]
成形体の作製方法は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な方法を選択することができる。成形体の作製方法としては、例えば、
(a)原料混合物を含むスラリーをテープ成形し、得られたグリーンシートを基材(例えば、拡散層を作製するための成形体)の上に積層し、積層体を静水圧プレスして圧着させる方法、
(b)原料混合物を含むスラリーを作製し、基材の表面にスラリーをスクリーン印刷する方法、
などがある。
[3.1.6. Method for producing molded body]
The method for producing the molded body is not particularly limited, and an optimum method can be selected depending on the purpose. Examples of the method for producing the molded body include:
(a) A method in which a slurry containing a raw material mixture is tape-cast, the resulting green sheet is laminated on a substrate (e.g., a molded body for producing a diffusion layer), and the laminate is isostatically pressed to bond the laminate;
(b) A method of preparing a slurry containing a raw material mixture and screen-printing the slurry on a surface of a substrate;
etc.

[3.2. 第2工程]
次に、得られた成形体を焼結させる(第2工程)。焼結条件は、原料組成に応じて最適な条件を選択するのが好ましい。焼結は、通常、大気雰囲気下において、1000℃以上1400℃以下の温度で1時間~5時間行うのが好ましい。
原料混合物中に2種以上の酸化物が含まれている場合、焼結中に固相反応が進行し、所定の組成を有する固溶体が生成する場合がある。また、原料混合物中に造孔材が含まれている場合、焼結時に造孔材が消失し、焼結体内に気孔が形成される。
[3.2. 2nd process]
Next, the obtained compact is sintered (second step). The sintering conditions are preferably selected optimally depending on the raw material composition. Sintering is usually preferably carried out in an air atmosphere at a temperature of 1000°C or higher and 1400°C or lower for 1 hour to 5 hours.
When the raw material mixture contains two or more oxides, a solid-phase reaction may occur during sintering, resulting in the formation of a solid solution having a predetermined composition. Also, when the raw material mixture contains a pore-forming material, the pore-forming material disappears during sintering, resulting in the formation of pores in the sintered body.

[3.3. 還元工程]
次に、得られた焼結体を還元処理する(還元工程)。これにより、本発明に係るサーメット層が得られる。還元処理は、焼結体中に含まれるNiO等の金属酸化物を還元し、Ni含有粒子を生成させるために行われる。還元条件は、特に限定されるものではなく、サーメット層の組成に応じて最適な条件を選択するのが好ましい。還元は、水素還元雰囲気下において600℃以上800℃以下の温度で行うのが好ましい。
なお、固体酸化物形電解セルは、後述するように、水素極(カソード)/電解質層/反応防止層/酸素極(アノード)の接合体からなる。サーメット層の還元は、通常、各層を接合した後に行われる。この点は、固体酸化物形燃料電池セルも同様である。
[3.3. Reduction step]
Next, the obtained sintered body is subjected to a reduction treatment (reduction step). This results in the cermet layer according to the present invention. The reduction treatment is carried out to reduce metal oxides such as NiO contained in the sintered body and generate Ni-containing particles. The reduction conditions are not particularly limited, and it is preferable to select optimal conditions depending on the composition of the cermet layer. The reduction is preferably carried out at a temperature of 600°C or higher and 800°C or lower in a hydrogen reduction atmosphere.
As will be described later, a solid oxide electrolysis cell is composed of an assembly of a hydrogen electrode (cathode), an electrolyte layer, a reaction prevention layer, and an oxygen electrode (anode). The reduction of the cermet layer is usually carried out after the layers are joined together. This is also true for solid oxide fuel cells.

[4. 固体酸化物形電解セル]
図1に、Ni/{YCZ(1)+YCZ(2)}を活性層に用いた固体酸化物形電解セルの模式図を示す。図1において、固体酸化物形電解セル(SOEC)10は、
電解質12と、
電解質12の一方の面に接合された水素極14と、
電解質12の他方の面に接合された酸素極16と、
電解質12と酸素極16との間に挿入された中間層18と
を備えている。
4. Solid Oxide Electrolysis Cell
FIG. 1 shows a schematic diagram of a solid oxide electrolysis cell using Ni/{YCZ(1)+YCZ(2)} as the active layer. In FIG. 1, a solid oxide electrolysis cell (SOEC) 10 includes:
an electrolyte 12;
a hydrogen electrode 14 bonded to one surface of the electrolyte 12;
an oxygen electrode 16 bonded to the other surface of the electrolyte 12;
The electrolyte 12 and the oxygen electrode 16 are sandwiched between an intermediate layer 18 .

水素極14には、本発明に係る水蒸気電解用水素極が用いられる。図1において、水素極14は、活性層14aと、活性層14aを支持する拡散層14bとの積層体からなる。活性層14aは、Ni粒子と、第1YCZ粒子(以下、「YCZ(1)」ともいう)と、第2YCZ粒子(以下、「YCZ(2)」ともいう)とを含むサーメットからなる。さらに、拡散層14bは、Ni粒子と、電解質粒子とを含むサーメットからなる。
電解質12、酸素極16、及び中間層18の材料は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な材料を選択することができる。
The hydrogen electrode 14 used is a hydrogen electrode for steam electrolysis according to the present invention. In Fig. 1, the hydrogen electrode 14 is made of a laminate of an active layer 14a and a diffusion layer 14b that supports the active layer 14a. The active layer 14a is made of a cermet containing Ni particles, first YCZ particles (hereinafter also referred to as "YCZ(1)"), and second YCZ particles (hereinafter also referred to as "YCZ(2)"). Furthermore, the diffusion layer 14b is made of a cermet containing Ni particles and electrolyte particles.
The materials for the electrolyte 12, the oxygen electrode 16, and the intermediate layer 18 are not particularly limited, and the most suitable materials can be selected depending on the purpose.

例えば、電解質12には、YSZなどを用いることができる。
酸素極16には、(La,Sr)CoO3(LSC)、(La,Sr)(Co,Fe)O3(LSCF)、(La,Sr)MnO3(LSM)などを用いることができる。
中間層18は、電解質12と酸素極16とが直接、接触することにより生じる反応を防止するための層であり、必要に応じて挿入される。例えば、電解質12がYSZであり、酸素極16がLSCである場合、中間層18には、GdドープCeO2(GDC)を用いるのが好ましい。
For example, the electrolyte 12 may be made of YSZ or the like.
The oxygen electrode 16 may be made of (La,Sr)CoO 3 (LSC), (La,Sr)(Co,Fe)O 3 (LSCF), (La,Sr)MnO 3 (LSM), or the like.
The intermediate layer 18 is inserted as needed to prevent a reaction that would occur due to direct contact between the electrolyte 12 and the oxygen electrode 16. For example, when the electrolyte 12 is YSZ and the oxygen electrode 16 is LSC, it is preferable to use Gd-doped CeO2 (GDC) for the intermediate layer 18.

なお、上述したように、本発明に係る水素極は、固体酸化物形燃料電池セル(SOFC)の燃料極に用いることができる。SOFCは、用途が異なる以外は、SOEC10と同一の構造を備えているので、詳細な説明を省略する。 As mentioned above, the hydrogen electrode according to the present invention can be used as the fuel electrode of a solid oxide fuel cell (SOFC). Since SOFCs have the same structure as the SOEC 10 except for their intended use, detailed explanations will be omitted.

[5. 作用]
図2に、Ni/YSZを活性層に用いた従来の固体酸化物形電解セルの模式図を示す。従来のSOEC10’は、電解質12と、電解質12の一方の面に接合された水素極14’と、電解質12の他方の面に接合された酸素極16と、電解質12と酸素極16との間に挿入された中間層18とを備えている。従来のSOEC10’は、水素極14’として、Ni/YSZサーメットが用いられている。
[5. Effect]
2 shows a schematic diagram of a conventional solid oxide electrolysis cell using Ni/YSZ as the active layer. The conventional SOEC 10' includes an electrolyte 12, a hydrogen electrode 14' bonded to one side of the electrolyte 12, an oxygen electrode 16 bonded to the other side of the electrolyte 12, and an intermediate layer 18 inserted between the electrolyte 12 and the oxygen electrode 16. The conventional SOEC 10' uses Ni/YSZ cermet as the hydrogen electrode 14'.

水素極14’がNi/YSZサーメットからなるSOEC10’において、水素極14’にH2Oを供給し、水素極14’-酸素極16間に電流を流すと、水素極14’では、次の式(9)に示す還元反応が進行する。
2O+2e- → H2+O2- …(9)
In an SOEC 10' in which the hydrogen electrode 14' is made of Ni/YSZ cermet, when H 2 O is supplied to the hydrogen electrode 14' and a current is passed between the hydrogen electrode 14' and the oxygen electrode 16, a reduction reaction shown in the following formula (9) proceeds in the hydrogen electrode 14'.
H2O + 2e-H2 +O2 -... (9)

しかし、SOEC10’を用いた水電解においては、水素極14’に、原料となる高温(700℃以上)の水蒸気が供給される。そのため、水素極14’に含まれるNiが容易に酸化され、NiOが形成される。NiOは絶縁体であるため、NiOが形成されると、その部分では電子パスが途絶え、電極反応が進行しなくなる。その結果、電解特性は低下する。
この点は、SOFCも同様である。すなわち、SOFCのアノード(燃料極)においては、電極反応により水が生成する。そのため、特に、高負荷運転条件下において、生成した水により燃料極中のNiが酸化され、発電特性が低下する場合がある。
However, in water electrolysis using the SOEC 10', high-temperature (700°C or higher) steam, which serves as a raw material, is supplied to the hydrogen electrode 14'. As a result, Ni contained in the hydrogen electrode 14' is easily oxidized, forming NiO. Because NiO is an insulator, when NiO is formed, the electron path is interrupted in that area, and the electrode reaction does not proceed. As a result, the electrolysis characteristics deteriorate.
This is also true for SOFCs. That is, water is generated by an electrode reaction at the anode (fuel electrode) of an SOFC. Therefore, particularly under high-load operating conditions, the generated water may oxidize Ni in the fuel electrode, resulting in a deterioration in power generation performance.

これに対し、サーメット層を製造するための原料として、Ni含有粒子の原料、第1YCZ粒子の原料(例えば、所定の組成を有する第3YCZ粉末)、及び、第2YCZ粒子の原料(例えば、所定の組成を有するYSZ粉末)を用い、これらを含む原料混合物を焼成すると、第1YCZ粒子の原料(例えば、第3YCZ粉末)に含まれるCeの一部が第2YCZ粒子の原料(例えば、YSZ粉末)に拡散する。その結果、相対的に多量のCeを含む第1YCZ粒子(第3YCZ粉末に由来するYCZ粒子)と、相対的に少量のCeを含む第2YCZ粒子(YSZ粉末に由来するYCZ粒子)が生成する。 In contrast, when a raw material mixture containing a raw material for Ni-containing particles, a raw material for first YCZ particles (e.g., third YCZ powder having a predetermined composition), and a raw material for second YCZ particles (e.g., YSZ powder having a predetermined composition) is used as raw materials for producing a cermet layer and then fired, some of the Ce contained in the raw material for the first YCZ particles (e.g., third YCZ powder) diffuses into the raw material for the second YCZ particles (e.g., YSZ powder). As a result, first YCZ particles (YCZ particles derived from the third YCZ powder) containing a relatively large amount of Ce and second YCZ particles (YCZ particles derived from the YSZ powder) containing a relatively small amount of Ce are produced.

このようなサーメット層を含む水蒸気電解用水素極(特に、活性層がこのようなサーメット層からなる水蒸気電解用水素極)を備えたSOECを用いて水蒸気電解を行うと、水素極の電極性能の低下が抑制される。これは、
(a)水蒸気雰囲気において、Ni含有粒子は酸化されるが、Ni上に吸着した酸素を第1YCZ粒子及び/又は第2YCZ粒子が吸蔵(トラップ)して除去することで、Ni含有粒子の酸化を抑制するため、及び、
(b)相対的に多量のCeを含む第1YCZ粒子が電子/イオン混合伝導体としても機能するために、Ni含有粒子が酸化しても、第1YCZ粒子を介して電子及び酸化物イオンが伝導するため
と考えられる。
さらに、第2YCZ粒子は、サーメット層の強度低下を抑制する機能も備えている。そのため、このようなサーメット層をSOECの水素極に用いると、電子伝導性及び酸化物イオン伝導性の低下が抑制されることに加えて、SOECの耐久性も向上する。
When steam electrolysis is performed using an SOEC equipped with a hydrogen electrode for steam electrolysis that includes such a cermet layer (particularly, a hydrogen electrode for steam electrolysis whose active layer is made of such a cermet layer), the deterioration of the electrode performance of the hydrogen electrode is suppressed.
(a) In a water vapor atmosphere, the Ni-containing particles are oxidized, but the first YCZ particles and/or the second YCZ particles occlude (trap) and remove oxygen adsorbed on Ni, thereby suppressing the oxidation of the Ni-containing particles; and
(b) This is thought to be because the first YCZ particles, which contain a relatively large amount of Ce, also function as mixed electron/ion conductors, and therefore electrons and oxide ions are conducted via the first YCZ particles even when the Ni-containing particles are oxidized.
Furthermore, the second YCZ particles also have the function of suppressing a decrease in the strength of the cermet layer, so that when such a cermet layer is used in the hydrogen electrode of an SOEC, the decrease in electronic conductivity and oxide ion conductivity is suppressed and the durability of the SOEC is improved.

図3に、YCZ(1)及びYCZ(2)を含むサーメット層を備えた水素極においてNi酸化が抑制されるメカニズムの模式図を示す。なお、図3において、理解を容易にするために、YSZ及びYSZに由来するYCZ(2)が板状に描かれているがこれは単なる例示である。実際の水素極において、これらは、粒子として存在している。 Figure 3 shows a schematic diagram of the mechanism by which Ni oxidation is suppressed in a hydrogen electrode equipped with a cermet layer containing YCZ(1) and YCZ(2). Note that in Figure 3, for ease of understanding, YSZ and YCZ(2) derived from YSZ are depicted as plates, but this is merely an example. In an actual hydrogen electrode, they exist as particles.

図3(A)に示すように、水素極がNi粒子、YCZ粒子及びYSZ粒子の混合物からなるサーメット層を備えている場合、Ni粒子の一部はYCZ粒子と接しているが、Ni粒子の他の一部はYCZ粒子と接していない。以下、Ni粒子とYCZ粒子との接点を「反応点」ともいう。
YCZ粒子によるNi酸化の抑制は、図3(B)に示すように、Ni粒子に吸着した酸素が、反応点を経由して、酸素吸蔵・放出能を有するYCZ粒子に引き抜かれることにより生じると考えられる。しかしながら、水素極がNi粒子と、YCZ粒子と、YSZ粒子の混合物からなる場合、反応点の数が相対的に少なくなる。すなわち、YCZ粒子と接していないNi粒子の数が相対的に多くなる。その結果、水蒸気電解環境下において、YCZ粒子と接していないNi粒子の酸化が進行しやすくなる。
3A, when the hydrogen electrode has a cermet layer made of a mixture of Ni particles, YCZ particles, and YSZ particles, some of the Ni particles are in contact with the YCZ particles, but other parts of the Ni particles are not in contact with the YCZ particles. Hereinafter, the contact points between the Ni particles and the YCZ particles are also referred to as "reaction points."
As shown in Figure 3(B), the suppression of Ni oxidation by YCZ particles is thought to occur when oxygen adsorbed on Ni particles is extracted by YCZ particles, which have oxygen storage and release capacity, via reaction sites. However, when the hydrogen electrode is composed of a mixture of Ni particles, YCZ particles, and YSZ particles, the number of reaction sites becomes relatively small. That is, the number of Ni particles not in contact with YCZ particles becomes relatively large. As a result, oxidation of Ni particles not in contact with YCZ particles is more likely to proceed in a steam electrolysis environment.

これに対し、図3(C)に示すように、Ni粒子、YCZ粒子(第3YCZ粉末)及びYSZ粒子の混合物を所定の温度(例えば、1400℃)に加熱すると、YCZ粒子に含まれるCeの一部がYSZ粒子に拡散する。
その結果、図3(D)に示すように、水素極中には、相対的に多量のCeを含むYCZ粒子(第1YCZ粒子、YCZ(1))と、相対的に少量のCeを含むYCZ粒子(第2YCZ粒子、YCZ(2))が生成する。また、これによって、反応点の数が増加し、YCZ(1)又はYCZ(2)と接していないNi粒子の割合が減少する。
In contrast, as shown in FIG. 3(C), when a mixture of Ni particles, YCZ particles (third YCZ powder), and YSZ particles is heated to a predetermined temperature (e.g., 1400°C), some of the Ce contained in the YCZ particles diffuses into the YSZ particles.
As a result, as shown in Figure 3(D), YCZ particles containing a relatively large amount of Ce (first YCZ particles, YCZ(1)) and YCZ particles containing a relatively small amount of Ce (second YCZ particles, YCZ(2)) are generated in the hydrogen electrode. This also increases the number of reaction sites and reduces the proportion of Ni particles that are not in contact with YCZ(1) or YCZ(2).

そのため、このような水素極を用いて水蒸気電解を行うと、図3(E)に示すように、YCZ(1)と接しているNi粒子から酸素の引き抜きが行われるだけでなく、YCZ(2)と接しているNi粒子からも酸素の引き抜きが行われる。その結果、図3(B)に比べて、Ni粒子の酸化が抑制される。 Therefore, when steam electrolysis is performed using such a hydrogen electrode, oxygen is extracted not only from the Ni particles in contact with YCZ(1), but also from the Ni particles in contact with YCZ(2), as shown in Figure 3(E). As a result, oxidation of the Ni particles is suppressed compared to Figure 3(B).

(実施例1、比較例1)
[1. 試料の作製]
[1.1. 第3YCZ粉末の作製]
Ce源には、硝酸セリウムを用いた。Zr源には、オキシ硝酸ジルコニウムを用いた。Y源には、硝酸イットリウム6水和物を用いた。硝酸セリウム水溶液に硝酸イットリウム6水和物及びオキシ硝酸ジルコニウムを加えて混合した。これにさらに30mass%過酸化水素水を加えて混合し、混合液Aを得た。各原料の混合比は、Yx"Cey"Zr1-x"-y"2-δ"(x"=0.135、y"=0.1)組成を有する3YCZ粉末が得られる混合比とした。
これとは別に、25%アンモニア水及びイオン交換水を混合し、混合液Bを得た。
混合液Aを混合液Bに攪拌しながら添加した。所定時間経過後、沈殿物を回収した。
(Example 1, Comparative Example 1)
1. Sample Preparation
[1.1. Preparation of third YCZ powder]
Cerium nitrate was used as the Ce source. Zirconium oxynitrate was used as the Zr source. Yttrium nitrate hexahydrate was used as the Y source. Yttrium nitrate hexahydrate and zirconium oxynitrate were added to an aqueous cerium nitrate solution and mixed. 30 mass% hydrogen peroxide water was further added and mixed to obtain mixed solution A. The mixing ratio of each raw material was set to obtain 3YCZ powder having a composition of Y x" Ce y" Zr 1-x"-y" O 2-δ" (x" = 0.135, y" = 0.1).
Separately, a mixture B was obtained by mixing 25% aqueous ammonia and ion-exchanged water.
Mixture A was added to mixture B with stirring. After a predetermined time had passed, the precipitate was collected.

次に、沈殿物を大気雰囲気下、150℃×7h、及び、400℃×5hの条件下で熱処理し、乾燥させた。さらに、乾燥粉を大気雰囲気下、1400℃×5hの条件下で焼成し、第3YCZ粉末を得た。 Next, the precipitate was heat-treated in an air atmosphere at 150°C for 7 hours and 400°C for 5 hours and then dried. The dried powder was then calcined in an air atmosphere at 1400°C for 5 hours to obtain a third YCZ powder.

[1.2. 電解セルの作製]
[1.2.1. 実施例1]
NiO粉末、8YSZ粉末、及び、第3YCZ粉末を、質量比で50:40:10となるように秤量し、これらを混合することで原料混合物Aを得た。
次に、テープ成形法を用いて、拡散層シートを作製した。拡散層シートの組成は、焼結後の組成が30~60mass%Ni-8YSZとなる組成とした。次に、拡散層シートの表面にスクリーン印刷法を用いて、原料混合物Aを含む活性層シート、8YSZを含む電解質シート、及びGDCを含む中間層シートをこの順で形成した。積層体を乾燥させた後、大気雰囲気中において、1400℃で15時間焼成した。
次に、中間層の表面にさらにLSCを含む酸素極シートを形成した。積層体を乾燥させた後、大気雰囲気中において、1100℃で15時間焼成した。さらに、得られた焼結体を、800℃×2時間の条件下で還元処理した。
[1.2. Preparation of electrolytic cell]
1.2.1. Example 1
NiO powder, 8YSZ powder, and 3YCZ powder were weighed out to a mass ratio of 50:40:10 and mixed together to obtain a raw material mixture A.
Next, a diffusion layer sheet was fabricated using a tape casting method. The composition of the diffusion layer sheet was set to a composition such that the composition after sintering would be 30 to 60 mass% Ni-8YSZ. Next, an active layer sheet containing raw material mixture A, an electrolyte sheet containing 8YSZ, and an intermediate layer sheet containing GDC were formed in this order on the surface of the diffusion layer sheet using a screen printing method. After drying the laminate, it was sintered in an air atmosphere at 1400°C for 15 hours.
Next, an oxygen electrode sheet containing LSC was formed on the surface of the intermediate layer. After drying, the laminate was sintered in air at 1100°C for 15 hours. The resulting sintered body was then subjected to reduction treatment at 800°C for 2 hours.

[1.2.2. 比較例1]
活性層を形成するための原料混合物Aに代えて、NiO粉末及び8YSZ粉末を、質量比で50:50となるように秤量した原料混合物を用いた以外は、実施例1と同様にして電解セルを作製した。
[1.2.2. Comparative Example 1]
An electrolytic cell was produced in the same manner as in Example 1, except that a raw material mixture prepared by weighing out NiO powder and 8YSZ powder to give a mass ratio of 50:50 was used instead of raw material mixture A for forming the active layer.

[2. 試験方法及び結果]
[2.1. SEM/EDX観察]
SEM/EDXを用いて、活性層の断面の元素分布を評価した。図4に、実施例1で得られた活性層のSEM/EDX分析により得られたCeの元素マッピングを示す。YCZ(1)及びYCZ(2)は、第3YCZ粉末Aと8YSZ粉末との1400℃での反応によって構築される。図4において、YCZ(1)は、原料中に添加した第3YCZ粉末Aの反応後の状態を示す。また、YCZ(2)は、原料中に添加した8YSZ粉末の反応後の状態を示す。
図4の場合、YCZ(1)の組成は、Y0.08-0.1Ce0.08-0.1Zr0.85-0.872+αと同定された。また、YCZ(2)の組成は、Y0.09-0.12Ce0.009-0.015Zr0.85-0.92+αと同定された。
[2. Test Method and Results]
[2.1. SEM/EDX Observation]
The elemental distribution in the cross section of the active layer was evaluated using SEM/EDX. Figure 4 shows elemental mapping of Ce obtained by SEM/EDX analysis of the active layer obtained in Example 1. YCZ(1) and YCZ(2) were constructed by reacting the third YCZ powder A with the 8YSZ powder at 1400°C. In Figure 4, YCZ(1) shows the state after the reaction of the third YCZ powder A added to the raw materials. YCZ(2) shows the state after the reaction of the 8YSZ powder added to the raw materials.
In the case of Figure 4, the composition of YCZ(1) was identified as Y0.08-0.1Ce0.08-0.1Zr0.85-0.87O2 , and the composition of YCZ(2 ) was identified as Y0.09-0.12Ce0.009-0.015Zr0.85-0.9O2 .

[2.2. 耐久試験]
得られた電解セルを用いて、耐久試験を行った。耐久試験条件は、以下の通りである。
セル温度:700℃
空気極雰囲気:N2(流量:160ccm)+O2(流量:40ccm)(N2:80%、O2:20%(ほぼ空気組成)、total流量:200ccm)
燃料極雰囲気:N2(流量:125ccm)+H2(流量:15ccm)の混合ガスを70℃の加湿器に通して供給(およそ、H2:7.5%、N2:62.5%、H2O:30%(H2O/H2体積比:4)、total流量:200ccm)
[2.2. Durability test]
The electrolytic cell thus obtained was subjected to a durability test under the following conditions.
Cell temperature: 700°C
Air electrode atmosphere: N2 (flow rate: 160 ccm) + O2 (flow rate: 40 ccm) ( N2 : 80%, O2 : 20% (almost air composition), total flow rate: 200 ccm)
Anode atmosphere: A mixed gas of N2 (flow rate: 125 ccm) + H2 (flow rate: 15 ccm) was supplied through a humidifier at 70°C (approximately H2 : 7.5%, N2 : 62.5%, H2O : 30% ( H2O / H2 volume ratio: 4), total flow rate: 200 ccm).

セル電圧を1.3Vに固定して300時間の電解を行い、電流密度の推移を評価した。さらに、耐久試験前後の電流値から、電解電流劣化率を算出した。図5に、実施例1及び比較例1で得られた電解セルの電解電流劣化率を示す。図5より、実施例1は、比較例1に比べて電解電流劣化率が約1/3に低減していることが分かる。 Electrolysis was performed for 300 hours with the cell voltage fixed at 1.3 V, and the change in current density was evaluated. Furthermore, the electrolysis current degradation rate was calculated from the current values before and after the durability test. Figure 5 shows the electrolysis current degradation rates of the electrolysis cells obtained in Example 1 and Comparative Example 1. Figure 5 shows that the electrolysis current degradation rate in Example 1 was reduced to approximately one-third of that in Comparative Example 1.

(実施例2)
[1. 電解セルの作製]
実施例1で作製した原料混合物Aに造孔剤を加えて、原料混合物Bを作製した。得られた原料混合物Bを用いて、拡散層シートを作製した。以下、実施例1と同様にして、拡散層及び活性層の双方が本発明に係るサーメット層からなる水素極を備えた電解セルを作製した。
Example 2
[1. Preparation of electrolytic cell]
A pore-forming agent was added to the raw material mixture A prepared in Example 1 to prepare raw material mixture B. A diffusion layer sheet was prepared using the obtained raw material mixture B. Thereafter, in the same manner as in Example 1, an electrolytic cell was prepared that included a hydrogen electrode in which both the diffusion layer and the active layer were made of the cermet layer according to the present invention.

[2. 試験方法及び結果]
実施例1と同一条件下で耐久試験を実施し、電解電流劣化率を算出した。実施例2の電解電流劣化率は、実施例1のそれと同等以下であった。
[2. Test Method and Results]
A durability test was carried out under the same conditions as in Example 1, and the electrolysis current deterioration rate was calculated. The electrolysis current deterioration rate of Example 2 was equal to or lower than that of Example 1.

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 The above describes in detail an embodiment of the present invention, but the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible without departing from the spirit of the present invention.

本発明に係る水素極は、固体酸化物形電解セルの水素極、あるいは、固体酸化物形燃料電池の燃料極として使用することができる。 The hydrogen electrode of the present invention can be used as a hydrogen electrode in a solid oxide electrolysis cell or as a fuel electrode in a solid oxide fuel cell.

Claims (11)

以下の構成を備えたサーメット層。
(1)前記サーメット層は、
Ni含有粒子と、
23、CeO2及びZrO2の複合酸化物からなる第1YCZ粒子と、
23、CeO2及びZrO2の複合酸化物からなる第2YCZ粒子と、
を含むサーメットからなる。
(2)前記第2YCZ粒子に含まれるCeの含有量は、前記第1YCZ粒子に含まれるCeの含有量より少ない。
A cermet layer having the following composition:
(1) The cermet layer is
Ni-containing particles;
first YCZ particles made of a composite oxide of Y2O3 , CeO2 , and ZrO2 ;
second YCZ particles made of a composite oxide of Y2O3 , CeO2 , and ZrO2 ;
The cermet comprises:
(2) The Ce content in the second YCZ particles is less than the Ce content in the first YCZ particles.
前記第1YCZ粒子は、次の式(1)で表される組成を有し、
前記第2YCZ粒子は、次の式(2)で表される組成を有する
請求項1に記載のサーメット層。
xCeyZr1-x-y2-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。
x'Cey'Zr1-x'-y'2-δ' …(2)
但し、
0<x'≦0.2、0<y'≦0.02、y'<y
δ'は電気的中性が保たれる値。
The first YCZ particles have a composition represented by the following formula (1):
The cermet layer according to claim 1 , wherein the second YCZ particles have a composition represented by the following formula (2):
Y x Ce y Zr 1-xy O 2-δ …(1)
however,
0<x≦0.2, 0<y≦0.2,
δ is the value at which electrical neutrality is maintained.
Y x' Ce y' Zr 1-x'-y' O 2-δ' ...(2)
however,
0<x'≦0.2, 0<y'≦0.02, y'<y
δ' is the value at which electrical neutrality is maintained.
前記第1YCZ粒子は、0.08≦x≦0.1、及び、0.08≦y≦0.1を満たし、
前記第2YCZ粒子は、0.09≦x'≦0.12、及び、0.009≦y'≦0.015を満たす
請求項2に記載のサーメット層。
the first YCZ particles satisfy 0.08≦x≦0.1 and 0.08≦y≦0.1;
The cermet layer according to claim 2 , wherein the second YCZ particles satisfy 0.09≦x′≦0.12 and 0.009≦y′≦0.015.
次の式(3)~式(5)を満たす請求項1から3までのいずれか1項に記載のサーメット層。
30mass%≦X≦70mass% …(3)
1mass%≦Y≦20mass% …(4)
X+Y+Z=100mass% …(5)
但し、
X(mass%)は、前記Ni含有粒子、前記第1YCZ粒子、及び、前記第2YCZ粒子の総質量に対する、前記Ni含有粒子の質量の割合、
Y(mass%)は、前記Ni含有粒子、前記第1YCZ粒子、及び、前記第2YCZ粒子の総質量に対する、前記第1YCZ粒子の質量の割合、
Z(mass%)は、前記Ni含有粒子、前記第1YCZ粒子、及び、前記第2YCZ粒子の総質量に対する、前記第2YCZ粒子の質量の割合。
The cermet layer according to any one of claims 1 to 3, wherein the following formulas (3) to (5) are satisfied:
30mass%≦X≦70mass%…(3)
1mass%≦Y≦20mass%…(4)
X+Y+Z=100mass%...(5)
however,
X (mass%) is the ratio of the mass of the Ni-containing particles to the total mass of the Ni-containing particles, the first YCZ particles, and the second YCZ particles;
Y (mass %) is the ratio of the mass of the first YCZ particles to the total mass of the Ni-containing particles, the first YCZ particles, and the second YCZ particles;
Z (mass %) is the ratio of the mass of the second YCZ particles to the total mass of the Ni-containing particles, the first YCZ particles, and the second YCZ particles.
水蒸気電解用水素極の活性層として用いられる請求項1から4までのいずれか1項に記載のサーメット層。 The cermet layer according to any one of claims 1 to 4 , which is used as an active layer of a hydrogen electrode for steam electrolysis. 気孔率が20%以上40%以下である請求項5に記載のサーメット層。 The cermet layer according to claim 5 , wherein the porosity is 20% or more and 40% or less. 水蒸気電解用水素極の拡散層として用いられる請求項1から4までのいずれか1項に記載のサーメット層。 The cermet layer according to any one of claims 1 to 4 , which is used as a diffusion layer of a hydrogen electrode for steam electrolysis. 気孔率が40%以上60%以下である請求項7に記載のサーメット層。 The cermet layer according to claim 7 , wherein the porosity is 40% or more and 60% or less. 請求項1から8までのいずれか1項に記載のサーメット層を備えた水蒸気電解用水素極。 A hydrogen electrode for steam electrolysis, comprising the cermet layer according to any one of claims 1 to 8 . 前記サーメット層からなる活性層を含み、
電解電流劣化率が10%/100h以下である請求項9に記載の水蒸気電解用水素極。
an active layer made of the cermet layer,
10. The hydrogen electrode for steam electrolysis according to claim 9 , wherein the electrolysis current deterioration rate is 10%/100 h or less.
Ni含有粒子の原料と、次の式(6)で表される組成を有する第3YCZ粉末と、次の式(7)で表される組成を有するYSZ粉末とを含む原料混合物を用いて成形体を作製する工程と、a step of producing a compact using a raw material mixture including a raw material of Ni-containing particles, a third YCZ powder having a composition represented by the following formula (6), and a YSZ powder having a composition represented by the following formula (7);
前記成形体を大気雰囲気下において1000℃以上1400℃以下の温度で焼結させる工程と、sintering the compact at a temperature of 1000°C or higher and 1400°C or lower in an air atmosphere;
得られた焼結体をさらに水素還元雰囲気下において600℃以上800℃以下の温度で加熱し、請求項1から4までのいずれか1項に記載のサーメット層を得る工程とa step of further heating the obtained sintered body at a temperature of 600° C. or higher and 800° C. or lower in a hydrogen reducing atmosphere to obtain the cermet layer according to any one of claims 1 to 4;
を備えたサーメット層の製造方法。A method for manufacturing a cermet layer comprising the steps of:
Y x"x" CeCe y"y" ZrZr 1-x"-y"1-x"-y" O 2-δ"2-δ" …(6)…(6)
但し、 however,
0<x"≦0.2、0<y"<1.0、y">y、 0<x"≦0.2, 0<y"<1.0, y">y,
δ"は電気的中性が保たれる値。δ" is the value at which electrical neutrality is maintained.
Y zz ZrZr 1-z1-z O 2-γ2-γ …(7)…(7)
但し、 however,
0<z≦0.2、0<z≦0.2,
γは、電気的中性が保たれる値。γ is the value at which electrical neutrality is maintained.
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JP2013540167A (en) 2010-09-13 2013-10-31 コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ Aqueous ink for manufacturing high temperature electrochemical cell electrodes
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