JP7114555B2 - 水蒸気電解用電極 - Google Patents
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Description
本発明は、水蒸気電解用電極に関し、さらに詳しくは、固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）の水素極として好適な水蒸気電解用電極に関する。
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のアノードに、Ｈ2、ＣＯ、ＣＨ4などの燃料ガスを供給し、カソードに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。
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。
ＳＯＥＣは、電解質の一方の面に酸素極が接合され、他方の面に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。
（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。
ＳＯＥＣの水素極には、一般に、Ｎｉ／ＹＳＺサーメットが用いられる。しかし、水素極には、燃料となる水蒸気が高温下（７００℃以上）で供給される。そのため、電極に含まれる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、電極中にＮｉＯが形成されると、その部分では電子パスが途絶え、電極反応が進行しなくなる。その結果、電解特性が低下する。
Ebbesen, S. D.; Hansen, J. B.; Morgensen, M. B. ECS Trans. 2013, 57, 3217.
Jensen, S. H.; Larsen, P. H.; Mogensen, M. Int. J. Hydrogen Energy 2007, 32, 3253.
Katahira, K.; Kohchi, Y.; Shimura, T.; Iwahara, H. Solid State Ionics 2000, 138, 91.
Languna-Bercero, M. A.; Skinner, S. J.; Kilner, J. A. J. Power Sources 2009, 192, 126.
O'Brien, J. E.; Stoots, C. M.; Herring, J. S.; Lessing, P. A.; Hartvigsen, J. J.; Elangovan, S. J. Fuel Cell Sci. Technol. 2005, 2, 156.
Sune Dalgaard Ebbesen, Soren Hojgaard Jensen, Anne Hauch, and Morgens Bjerg Morgensen, Chem. Rev. 2014, 114, 1069
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水蒸気電解用電極を提供することにある。
上記課題を解決するために本発明に係る水蒸気電解用電極は、以下の構成を備えている。
（１）前記水蒸気電界用電極は、
拡散層と、
前記拡散層の電解質層側表面に形成された活性層と
を備えている。
（２）前記拡散層は、
Ｎｉ粒子（Ａ）と、
固体酸化物からなる電解質粒子（Ａ）と
を含むサーメット（Ａ）からなる。
（３）前記活性層は、
Ｎｉ粒子（Ｂ）と、
イットリア安定化ジルコニアからなるＹＳＺ粒子と、
ＬａドープＣｅＯ2－ＺｒＯ2固溶体からなるＬＣＺ粒子と
を含むサーメット（Ｂ）からなる。
（１）前記水蒸気電界用電極は、
拡散層と、
前記拡散層の電解質層側表面に形成された活性層と
を備えている。
（２）前記拡散層は、
Ｎｉ粒子（Ａ）と、
固体酸化物からなる電解質粒子（Ａ）と
を含むサーメット（Ａ）からなる。
（３）前記活性層は、
Ｎｉ粒子（Ｂ）と、
イットリア安定化ジルコニアからなるＹＳＺ粒子と、
ＬａドープＣｅＯ2－ＺｒＯ2固溶体からなるＬＣＺ粒子と
を含むサーメット（Ｂ）からなる。
ＣｅＯ2－ＺｒＯ2固溶体（ＣＺ）は、酸化物イオン伝導体としての機能に加えて、酸素吸蔵・放出能を持つ。そのため、Ｎｉ／ＹＳＺサーメットからなる電極にＣＺを添加すると、Ｎｉの酸化をある程度抑制することができる。
しかしながら、Ｎｉ、ＹＳＺ、及びＣＺの混合物を焼成して電極を作製する場合、ＣＺが高温に曝されるために、ＣＺの一部が分解し、別の相が生成する場合がある。ＣＺの分解が進行すると、酸素吸蔵・放出能力が低下し、Ｎｉの酸化を抑制する効果が低下する。
しかしながら、Ｎｉ、ＹＳＺ、及びＣＺの混合物を焼成して電極を作製する場合、ＣＺが高温に曝されるために、ＣＺの一部が分解し、別の相が生成する場合がある。ＣＺの分解が進行すると、酸素吸蔵・放出能力が低下し、Ｎｉの酸化を抑制する効果が低下する。
これに対し、ＬａドープＣｅＯ2－ＺｒＯ2固溶体（ＬＣＺ）は、ＣＺに比べて結晶構造の熱的安定性が高い。そのため、Ｎｉ、ＹＳＺ、及びＬＣＺの混合物を高温で焼成した場合であっても、ＬＣＺの分解が抑制される。ＬＣＺの分解が抑制された電極は、高い酸素吸蔵・放出能力が維持される。そのため、これを用いて水蒸気電解を行うと、Ｎｉの酸化が抑制され、水蒸気電解性能が向上する。
以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１． 水蒸気電解用電極］
本発明に係る水蒸気電界用電極は、
拡散層と、
前記拡散層の電解質層側表面に形成された活性層と
を備えている。
［１． 水蒸気電解用電極］
本発明に係る水蒸気電界用電極は、
拡散層と、
前記拡散層の電解質層側表面に形成された活性層と
を備えている。
［１．１． 拡散層］
本発明において、拡散層は、Ｎｉ粒子（Ａ）と、固体酸化物からなる電解質粒子（Ａ）とを含むサーメット（Ａ）からなる。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電極において、還元反応は、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。
本発明において、拡散層は、Ｎｉ粒子（Ａ）と、固体酸化物からなる電解質粒子（Ａ）とを含むサーメット（Ａ）からなる。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電極において、還元反応は、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。
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）燃料（電解原料）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）還元反応により活性層で生成した水素を電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。
（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）燃料（電解原料）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）還元反応により活性層で生成した水素を電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。
［１．１．１． Ｎｉ粒子（Ａ）］
Ｎｉ粒子（Ａ）の含有量は、拡散層としての機能を奏する限りにおいて、特に限定されない。また、拡散層に含まれるＮｉ粒子（Ａ）の含有量は、活性層に含まれるＮｉ粒子（Ｂ）の含有量と同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。Ｎｉ粒子（Ａ）の含有量は、通常、３０～７０ｗｔ％である。
Ｎｉ粒子（Ａ）の含有量は、拡散層としての機能を奏する限りにおいて、特に限定されない。また、拡散層に含まれるＮｉ粒子（Ａ）の含有量は、活性層に含まれるＮｉ粒子（Ｂ）の含有量と同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。Ｎｉ粒子（Ａ）の含有量は、通常、３０～７０ｗｔ％である。
［１．１．２． 電解質粒子（Ａ）］
電解質粒子（Ａ）の組成は、拡散層としての機能を奏する限りにおいて、特に限定されない。電解質粒子（Ａ）は、活性層に含まれる電解質と同一の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。
電解質粒子（Ａ）としては、例えば、
（ａ）３～１５ｍｏｌ％のＹ2Ｏ3を含むイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、
（ｂ）活性層に含まれる電解質と同一又は類似の組成を持つ材料、
などがある。
これらの中でも、電解質粒子（Ａ）は、ＹＳＺが好適である。これは、機械的強度が安定しているためである。
電解質粒子（Ａ）の組成は、拡散層としての機能を奏する限りにおいて、特に限定されない。電解質粒子（Ａ）は、活性層に含まれる電解質と同一の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。
電解質粒子（Ａ）としては、例えば、
（ａ）３～１５ｍｏｌ％のＹ2Ｏ3を含むイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、
（ｂ）活性層に含まれる電解質と同一又は類似の組成を持つ材料、
などがある。
これらの中でも、電解質粒子（Ａ）は、ＹＳＺが好適である。これは、機械的強度が安定しているためである。
［１．１．３． 気孔率］
拡散層の気孔率は、電極のガス拡散性、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、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。
拡散層の気孔率は、電極のガス拡散性、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、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。
［１．２． 活性層］
活性層は、電極反応の反応場となる部分である。本発明において、活性層は、Ｎｉ粒子（Ｂ）と、イットリア安定化ジルコニアからなるＹＳＺ粒子と、ＬａドープＣｅＯ2－ＺｒＯ2固溶体からなるＬＣＺ粒子とを含むサーメット（Ｂ）からなる。
活性層は、電極反応の反応場となる部分である。本発明において、活性層は、Ｎｉ粒子（Ｂ）と、イットリア安定化ジルコニアからなるＹＳＺ粒子と、ＬａドープＣｅＯ2－ＺｒＯ2固溶体からなるＬＣＺ粒子とを含むサーメット（Ｂ）からなる。
［１．２．１． Ｎｉ粒子（Ｂ）］
Ｎｉ粒子（Ｂ）は、活性層中において、電極触媒及び電子伝導体としての機能を有する。高い触媒活性及び高い電子伝導性を得るには、Ｎｉ粒子（Ｂ）は、実質的にＮｉのみからなり、残部が不可避的不純物からなるものが好ましい。
Ｎｉ粒子（Ｂ）は、活性層中において、電極触媒及び電子伝導体としての機能を有する。高い触媒活性及び高い電子伝導性を得るには、Ｎｉ粒子（Ｂ）は、実質的にＮｉのみからなり、残部が不可避的不純物からなるものが好ましい。
［１．２．２． ＹＳＺ粒子］
ＹＳＺ粒子は、イットリア安定化ジルコニアからなり、活性層中において酸素イオン伝導体としての機能を有する。ＹＳＺ粒子に含まれるＹの含有量は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な量を選択することができる。
相対的に高いイオン伝導度と、相対的に高い機械的強度を得るためには、ＹＳＺ粒子は、３ｍｏｌ％以上１５ｍｏｌ％以下のＹ2Ｏ3を含むものが好ましい。
ＹＳＺ粒子は、イットリア安定化ジルコニアからなり、活性層中において酸素イオン伝導体としての機能を有する。ＹＳＺ粒子に含まれるＹの含有量は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な量を選択することができる。
相対的に高いイオン伝導度と、相対的に高い機械的強度を得るためには、ＹＳＺ粒子は、３ｍｏｌ％以上１５ｍｏｌ％以下のＹ2Ｏ3を含むものが好ましい。
［１．２．３． ＬＣＺ粒子］
［Ａ． 酸素吸蔵・放出能］
ＬＣＺ粒子は、ＬａがドープされたＣｅＯ2－ＺｒＯ2固溶体からなり、活性層中において、Ｎｉ粒子（Ｂ）の酸化を抑制する機能を有する。ＣｅＯ2は、ＺｒＯ2に酸素吸蔵・放出能を付与する作用がある。一方、Ｌａは、ＣｅＯ2－ＺｒＯ2固溶体（ＣＺ）のＣｅサイトを置換し、ＣＺの耐熱性を向上させる作用がある。そのため、ＣＺに適量のＬａをドープすると、焼成時におけるＣＺの分解を抑制することができる。
［Ａ． 酸素吸蔵・放出能］
ＬＣＺ粒子は、ＬａがドープされたＣｅＯ2－ＺｒＯ2固溶体からなり、活性層中において、Ｎｉ粒子（Ｂ）の酸化を抑制する機能を有する。ＣｅＯ2は、ＺｒＯ2に酸素吸蔵・放出能を付与する作用がある。一方、Ｌａは、ＣｅＯ2－ＺｒＯ2固溶体（ＣＺ）のＣｅサイトを置換し、ＣＺの耐熱性を向上させる作用がある。そのため、ＣＺに適量のＬａをドープすると、焼成時におけるＣＺの分解を抑制することができる。
図１に、ＣＺの酸素吸蔵・放出過程の模式図を示す。また、次の式（１）に、ＣＺの酸素吸蔵・放出反応の反応式を示す。式（１）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 …（１）
ＣｅＯ2-x－ＺｒＯ2＋(ｘ／２)Ｏ2 ⇔ ＣｅＯ2－ＺｒＯ2 …（１）
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、ＬＣＺも同様である。
［Ｂ． 組成］
ＬＣＺ粒子は、特に、次の式（２）で表される組成を有するものが好ましい。
ＬａxＣｅ2-xＺｒ2Ｏ7 … （２）
但し、０＜ｘ＜０．２。
ＬＣＺ粒子は、特に、次の式（２）で表される組成を有するものが好ましい。
ＬａxＣｅ2-xＺｒ2Ｏ7 … （２）
但し、０＜ｘ＜０．２。
式（２）中、ｘは、ＬＣＺ粒子に含まれるＬａ及びＣｅの総モル数に対するＬａのモル数を表す。ｘが小さくなりすぎると、ＬＣＺ粒子の耐熱性が低下する。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、０．１以上である。
一方、ｘが過剰になると、ＬＣＺ粒子の酸素吸蔵・放出能力が低下する。従って、ｘは、０．２未満が好ましい。ｘは、好ましくは、０．１５以下である。
一方、ｘが過剰になると、ＬＣＺ粒子の酸素吸蔵・放出能力が低下する。従って、ｘは、０．２未満が好ましい。ｘは、好ましくは、０．１５以下である。
［１．２．４． 活性層の組成］
活性層は、次の式（３）～式（６）を満たしているのが好ましい。
４０ｍａｓｓ％≦ｕ≦７０ｍａｓｓ％ …（３）
３０ｍａｓｓ％≦ｖ≦７０ｍａｓｓ％ …（４）
０＜ｗ≦２０ｍａｓｓ％ …（５）
ｕ＋ｖ＋ｗ＝１００ｍａｓｓ％ …（６）
但し、
ｕは、前記水蒸気電解用電極の前記活性層に含まれる前記Ｎｉ粒子（Ｂ）の質量割合（ｍａｓｓ％）、
ｖは、前記水蒸気電解用電極の前記活性層に含まれる前記ＹＳＺ粒子の質量割合（ｍａｓｓ％）、
ｗは、前記水蒸気電解用電極の前記活性層に含まれる前記ＬＣＺ粒子の質量割合（ｍａｓｓ％）。
活性層は、次の式（３）～式（６）を満たしているのが好ましい。
４０ｍａｓｓ％≦ｕ≦７０ｍａｓｓ％ …（３）
３０ｍａｓｓ％≦ｖ≦７０ｍａｓｓ％ …（４）
０＜ｗ≦２０ｍａｓｓ％ …（５）
ｕ＋ｖ＋ｗ＝１００ｍａｓｓ％ …（６）
但し、
ｕは、前記水蒸気電解用電極の前記活性層に含まれる前記Ｎｉ粒子（Ｂ）の質量割合（ｍａｓｓ％）、
ｖは、前記水蒸気電解用電極の前記活性層に含まれる前記ＹＳＺ粒子の質量割合（ｍａｓｓ％）、
ｗは、前記水蒸気電解用電極の前記活性層に含まれる前記ＬＣＺ粒子の質量割合（ｍａｓｓ％）。
［Ａ． Ｎｉ粒子（Ｂ）の含有量］
「ｕ」は、Ｎｉ粒子（Ｂ）、ＹＳＺ粒子、及びＬＣＺ粒子の総質量に対する、Ｎｉ粒子（Ｂ）の質量の割合を表す。ｕが小さくなりすぎると、セル全抵抗が高くなり、電解効率も低下する。従って、ｕは、４０ｍａｓｓ％以上が好ましい。
「ｕ」は、Ｎｉ粒子（Ｂ）、ＹＳＺ粒子、及びＬＣＺ粒子の総質量に対する、Ｎｉ粒子（Ｂ）の質量の割合を表す。ｕが小さくなりすぎると、セル全抵抗が高くなり、電解効率も低下する。従って、ｕは、４０ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、ｕが大きくなりすぎると、活性層中におけるＹＳＺ粒子の割合が少なくなるために、かえってセル全抵抗が高くなり、電解効率も低下する。従って、ｕは、７０ｍａｓｓ％以下が好ましい。ｕは、好ましくは、６０ｍａｓｓ％以下である。
［Ｂ． ＹＳＺ粒子の含有量］
「ｖ」は、Ｎｉ粒子（Ｂ）、ＹＳＺ粒子、及びＬＣＺ粒子の総質量に対する、ＹＳＺ粒子（Ｂ）の質量の割合を表す。ｖが小さくなりすぎると、セル全抵抗が高くなり、電解効率も低下する。従って、ｖは、３０ｍａｓｓ％以上が好ましい。ｖは、好ましくは、４０ｍａｓｓ％以上である。
一方、ｖが大きくなりすぎると、Ｎｉ粒子の割合が少なくなるため、電解効率が低下する。従って、ｖは、７０ｍａｓｓ％以下が好ましい。ｖは、好ましくは、６０ｍａｓｓ％以下である。
「ｖ」は、Ｎｉ粒子（Ｂ）、ＹＳＺ粒子、及びＬＣＺ粒子の総質量に対する、ＹＳＺ粒子（Ｂ）の質量の割合を表す。ｖが小さくなりすぎると、セル全抵抗が高くなり、電解効率も低下する。従って、ｖは、３０ｍａｓｓ％以上が好ましい。ｖは、好ましくは、４０ｍａｓｓ％以上である。
一方、ｖが大きくなりすぎると、Ｎｉ粒子の割合が少なくなるため、電解効率が低下する。従って、ｖは、７０ｍａｓｓ％以下が好ましい。ｖは、好ましくは、６０ｍａｓｓ％以下である。
［Ｃ． ＬＣＺ粒子の含有量］
「ｗ」は、Ｎｉ粒子（Ｂ）、ＹＳＺ粒子、及びＬＣＺ粒子の総質量に対する、ＬＣＺ粒子（Ｂ）の質量の割合を表す。ｗが小さくなりすぎると、Ｎｉ粒子（Ｂ）の酸化を十分に抑制できなくなる。従って、ｗは、０ｍａｓｓ％超が好ましい。ｗは、好ましくは、５ｍａｓｓ％以上である。
一方、ｗが大きくなりすぎると、かえってセル全抵抗が高くなり、電解効率も低下する。従って、ｗは、２０ｍａｓｓ％以下が好ましい。
「ｗ」は、Ｎｉ粒子（Ｂ）、ＹＳＺ粒子、及びＬＣＺ粒子の総質量に対する、ＬＣＺ粒子（Ｂ）の質量の割合を表す。ｗが小さくなりすぎると、Ｎｉ粒子（Ｂ）の酸化を十分に抑制できなくなる。従って、ｗは、０ｍａｓｓ％超が好ましい。ｗは、好ましくは、５ｍａｓｓ％以上である。
一方、ｗが大きくなりすぎると、かえってセル全抵抗が高くなり、電解効率も低下する。従って、ｗは、２０ｍａｓｓ％以下が好ましい。
［１．２．５． 気孔率］
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、電解効率が低下する。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、かえって電解特性が低下する。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。
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、電解効率が低下する。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、かえって電解特性が低下する。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。
［２． 水蒸気電解用電極の製造方法］
本発明に係る水蒸気電解用電極は、
（ａ）ＮｉＯ粉末、及び、電解質粒子（Ａ）の原料を含む原料混合物（Ａ）を用いて拡散層成形体を作製し、
（ｂ）拡散層成形体の表面に、ＮｉＯ粉末、ＹＳＺ粉末、及びＬＣＺ粉末を含む原料混合物（Ｂ）を用いて活性層成形体を形成し、
（ｃ）得られた積層体を焼結し、
（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。
本発明に係る水蒸気電解用電極は、
（ａ）ＮｉＯ粉末、及び、電解質粒子（Ａ）の原料を含む原料混合物（Ａ）を用いて拡散層成形体を作製し、
（ｂ）拡散層成形体の表面に、ＮｉＯ粉末、ＹＳＺ粉末、及びＬＣＺ粉末を含む原料混合物（Ｂ）を用いて活性層成形体を形成し、
（ｃ）得られた積層体を焼結し、
（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。
［２．１． 拡散層成形体作製工程］
まず、ＮｉＯ粉末、及び、電解質粒子（Ａ）の原料を含む原料混合物（Ａ）を用いて拡散層成形体を作製する（拡散層成形体作製工程）。
まず、ＮｉＯ粉末、及び、電解質粒子（Ａ）の原料を含む原料混合物（Ａ）を用いて拡散層成形体を作製する（拡散層成形体作製工程）。
電解質粒子（Ａ）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。
例えば、電解質粒子（Ａ）がＹＳＺである場合、その原料としては、
（ａ）目的とする組成を有するＹＳＺ粉末、
（ｂ）目的とする組成となるように配合されたＺｒＯ2粉末と、Ｙ2Ｏ3粉末との混合物
などがある。
例えば、電解質粒子（Ａ）がＹＳＺである場合、その原料としては、
（ａ）目的とする組成を有するＹＳＺ粉末、
（ｂ）目的とする組成となるように配合されたＺｒＯ2粉末と、Ｙ2Ｏ3粉末との混合物
などがある。
また、原料混合物（Ａ）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（Ａ）中に添加された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（Ａ）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。
拡散層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。拡散層成形体の作製方法としては、例えば、
（ａ）原料混合物（Ａ）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複数枚積層し、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（Ａ）を金型でプレス成形する方法、
などがある。
（ａ）原料混合物（Ａ）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複数枚積層し、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（Ａ）を金型でプレス成形する方法、
などがある。
［２．２． 活性層成形体作製工程］
次に、拡散層成形体の表面に、ＮｉＯ粉末、ＹＳＺ粉末、及びＬＣＺ粉末を含む原料混合物（Ｂ）を用いて活性層成形体を形成する（活性層成形体作製工程）。
次に、拡散層成形体の表面に、ＮｉＯ粉末、ＹＳＺ粉末、及びＬＣＺ粉末を含む原料混合物（Ｂ）を用いて活性層成形体を形成する（活性層成形体作製工程）。
活性層を形成するための原料としてＣＺ粉末を用いると、焼成中にＣＺが分解するおそれがある。従って、活性層を作製するための原料には、所定量のＬａがドープされたＬＣＺ粉末を用いるのが好ましい。
さらに、原料混合物（Ａ）と同様の理由から、原料混合物（Ｂ）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。
さらに、原料混合物（Ａ）と同様の理由から、原料混合物（Ｂ）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。
活性層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。活性層成形体の作製方法としては、例えば、
（ａ）原料混合物（Ｂ）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拡散層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（Ｂ）を含むスラリーを作製し、拡散層成形体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。
（ａ）原料混合物（Ｂ）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拡散層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（Ｂ）を含むスラリーを作製し、拡散層成形体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。
［２．３． 焼結工程］
次に、得られた積層体を焼結させる（焼結工程）。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℃～１５００℃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。
次に、得られた積層体を焼結させる（焼結工程）。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℃～１５００℃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。
［２．４． 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、本発明に係る水蒸気電解用電極が得られる。還元処理は、焼結体中に含まれるＮｉＯ粒子をＮｉ粒子に還元するために行われる。還元条件は、特に限定されるものではなく、電極の組成に応じて最適な条件を選択するのが好ましい。
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。水素極の還元は、通常、各層を接合した後に行われる。
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、本発明に係る水蒸気電解用電極が得られる。還元処理は、焼結体中に含まれるＮｉＯ粒子をＮｉ粒子に還元するために行われる。還元条件は、特に限定されるものではなく、電極の組成に応じて最適な条件を選択するのが好ましい。
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。水素極の還元は、通常、各層を接合した後に行われる。
［３． 固体酸化物形電解セル］
図２に、Ｎｉ／（ＹＳＺ＋ＬＣＺ）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２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。
図２に、Ｎｉ／（ＹＳＺ＋ＬＣＺ）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２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。
水素極１４には、本発明に係る水蒸気電解用電極が用いられる。すなわち、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、ＹＳＺ粒子と、ＬＣＺ粒子とを含むサーメット（Ｂ）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。
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。
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。
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。
［４． 作用］
図３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。
図３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。
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（７）に示す還元反応が進行する。
Ｈ2Ｏ＋２ｅ- → Ｈ2＋Ｏ2- …（７）
Ｈ2Ｏ＋２ｅ- → Ｈ2＋Ｏ2- …（７）
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。
この問題を解決するために、水素極にＣｅＯ2－ＺｒＯ2固溶体（ＣＺ）を添加することが有効である。ＣＺは、酸化物イオン伝導体としての機能に加えて、酸素吸蔵・放出能を持つ。そのため、Ｎｉ／ＹＳＺサーメットからなる電極にＣＺを添加すると、Ｎｉの酸化をある程度抑制することができる。
しかしながら、Ｎｉ、ＹＳＺ、及びＣＺの混合物を焼成して電極を作製する場合、ＣＺが高温に曝されるために、ＣＺの一部が分解し、別の相が生成する場合がある。ＣＺの分解が進行すると、酸素吸蔵・放出能力が低下し、Ｎｉの酸化を抑制する効果が低下する。
しかしながら、Ｎｉ、ＹＳＺ、及びＣＺの混合物を焼成して電極を作製する場合、ＣＺが高温に曝されるために、ＣＺの一部が分解し、別の相が生成する場合がある。ＣＺの分解が進行すると、酸素吸蔵・放出能力が低下し、Ｎｉの酸化を抑制する効果が低下する。
これに対し、ＬａドープＣｅＯ2－ＺｒＯ2固溶体（ＬＣＺ）は、ＣＺに比べて結晶構造の熱的安定性が高い。そのため、Ｎｉ、ＹＳＺ、及びＬＣＺの混合物を高温で焼成した場合であっても、ＬＣＺの分解が抑制される。ＬＣＺの分解が抑制された電極は、高い酸素吸蔵・放出能力が維持される。そのため、これを用いて水蒸気電解を行うと、Ｎｉの酸化が抑制され、水蒸気電解性能が向上する。
図４に、ＬＣＺによるＮｉ酸化抑制メカニズムの模式図を示す。ＬＣＺによるＮｉ酸化の抑制は、以下のようにして進行すると考えられる。
すなわち、Ｎｉ／（ＹＳＺ＋ＬＣＺ）からなる水素極が高温の水蒸気に曝されると、Ｎｉが酸化され、Ｎｉ粒子の表面がＮｉＯで被覆された状態となる（ステップ１）。この時、Ｎｉ粒子の近傍にＬＣＺ粒子があると、ＮｉＯから酸素原子又は酸素イオンがスピルオーバーする（ステップ２）。そのトリガーとなるのは、ＬＣＺの酸素吸蔵能力と考えられる。
すなわち、Ｎｉ／（ＹＳＺ＋ＬＣＺ）からなる水素極が高温の水蒸気に曝されると、Ｎｉが酸化され、Ｎｉ粒子の表面がＮｉＯで被覆された状態となる（ステップ１）。この時、Ｎｉ粒子の近傍にＬＣＺ粒子があると、ＮｉＯから酸素原子又は酸素イオンがスピルオーバーする（ステップ２）。そのトリガーとなるのは、ＬＣＺの酸素吸蔵能力と考えられる。
ＮｉＯからスピルオーバーした酸素は、ＬＣＺに一時的にトラップされる（ステップ３）。水素極は生成したＨ2によって還元雰囲気になっているが、還元雰囲気下では、ＬＣＺはトラップした酸素原子又は酸素イオンを酸素分子として容易に放出する。ＬＣＺから放出された酸素分子は、Ｎｉを再酸化させる前に、拡散層を通って系外に排出される(ステップ４)。以下、このようなステップ１～４が繰り返されることにより、Ｎｉ酸化が抑制されると考えられる。
（実施例１、比較例１）
［１． ＳＯＥＣの作製］
［１．１． 実施例１］
［１．１．１． 拡散層成形体の作製］
電解質粒子（Ａ）の原料には、８ｍｏｌ％のＹ2Ｏ3を含むＹＳＺ粉末（以下、「８ＹＳＺ粉末」ともいう）を用いた。Ｎｉ源には、ＮｉＯ粉末を用いた。８ＹＳＺ：Ｎｉ＝５０：５０（重量比）となるように、８ＹＳＺ粉末及びＮｉＯ粉末を配合し、混合粉末に溶媒及びバインダーを加えてスラリーを作製した。このスラリーを用いてテープ成形を行い、グリーンシート（拡散層成形体）を得た。
［１． ＳＯＥＣの作製］
［１．１． 実施例１］
［１．１．１． 拡散層成形体の作製］
電解質粒子（Ａ）の原料には、８ｍｏｌ％のＹ2Ｏ3を含むＹＳＺ粉末（以下、「８ＹＳＺ粉末」ともいう）を用いた。Ｎｉ源には、ＮｉＯ粉末を用いた。８ＹＳＺ：Ｎｉ＝５０：５０（重量比）となるように、８ＹＳＺ粉末及びＮｉＯ粉末を配合し、混合粉末に溶媒及びバインダーを加えてスラリーを作製した。このスラリーを用いてテープ成形を行い、グリーンシート（拡散層成形体）を得た。
［１．１．２． 活性層成形体の作製］
ＹＳＺ源には、８ＹＳＺ粉末を用いた。ＬＣＺ源には、Ｌａを含むＣｅＯ2－ＺｒＯ2固溶体（ｘ＝０．１２５）からなるＬＣＺ粉末を用いた。さらに、Ｎｉ源には、ＮｉＯ粉末を用いた。８ＹＳＺ粉末、ＬＣＺ粉末、及びＮｉＯ粉末を質量比で４８：４：４８となるように配合し、混合粉末に溶媒及びバインダーを加えてスラリーを得た。このスラリーを用いてテープ成形を行い、グリーンシート（活性層成形体）を得た。
ＹＳＺ源には、８ＹＳＺ粉末を用いた。ＬＣＺ源には、Ｌａを含むＣｅＯ2－ＺｒＯ2固溶体（ｘ＝０．１２５）からなるＬＣＺ粉末を用いた。さらに、Ｎｉ源には、ＮｉＯ粉末を用いた。８ＹＳＺ粉末、ＬＣＺ粉末、及びＮｉＯ粉末を質量比で４８：４：４８となるように配合し、混合粉末に溶媒及びバインダーを加えてスラリーを得た。このスラリーを用いてテープ成形を行い、グリーンシート（活性層成形体）を得た。
［１．１．３． 電解質層成形体の作製］
８ＹＳＺ粉末に溶媒及びバインダーを加えてスラリーを得た。このスラリーを用いてテープ成形を行い、グリーンシート（電解質層成形体）を得た。
８ＹＳＺ粉末に溶媒及びバインダーを加えてスラリーを得た。このスラリーを用いてテープ成形を行い、グリーンシート（電解質層成形体）を得た。
［１．１．４． 中間層成形体の作製］
ＧＤＣ粉末に溶媒及びバインダーを加えてスラリーを得た。このスラリーを用いてテープ成形を行い、グリーンシート（中間層成形体）を得た。
ＧＤＣ粉末に溶媒及びバインダーを加えてスラリーを得た。このスラリーを用いてテープ成形を行い、グリーンシート（中間層成形体）を得た。
［１．１．５． １次焼成］
所定枚数の拡散層成形体を重ね合わせた。次いで、その上に、さらに、活性層成形体、電解質層成形体、及び中間層成形体をこの順で重ね合わせた。得られた積層体を静水圧プレス成形した。さらに、得られた成形体を１４００℃で焼成した。
所定枚数の拡散層成形体を重ね合わせた。次いで、その上に、さらに、活性層成形体、電解質層成形体、及び中間層成形体をこの順で重ね合わせた。得られた積層体を静水圧プレス成形した。さらに、得られた成形体を１４００℃で焼成した。
［１．１．６． 酸素極の作製］
ＬＳＣ粉末に溶媒及びバインダーを加えてスラリーを得た。このスラリーを中間層の表面に塗布した。さらに、塗膜を１０００℃で焼成し、酸素極を形成した。酸素極の面積は、０．５ｃｍ2とした。
ＬＳＣ粉末に溶媒及びバインダーを加えてスラリーを得た。このスラリーを中間層の表面に塗布した。さらに、塗膜を１０００℃で焼成し、酸素極を形成した。酸素極の面積は、０．５ｃｍ2とした。
［１．２． 比較例１］
活性層を作製する際に、ＬＣＺ粉末を用いなかった以外は、実施例１と同様にしてＳＯＥＣを作製した。
活性層を作製する際に、ＬＣＺ粉末を用いなかった以外は、実施例１と同様にしてＳＯＥＣを作製した。
［２． 試験方法］
得られたＳＯＥＣを用いて、水蒸気電解を行った。セル温度は、７００℃とした。また、電解は、Ｈ2Ｏ／Ｈ2比＝１となる条件下で行った。
得られたＳＯＥＣを用いて、水蒸気電解を行った。セル温度は、７００℃とした。また、電解は、Ｈ2Ｏ／Ｈ2比＝１となる条件下で行った。
［３． 結果］
図５に、実施例１及び比較例１で得られたＳＯＥＣのＩＶ特性を示す。図５より、実施例１は、比較例１に比べてＩＶ性能が高いことが分かる。これは、活性層にＬＣＺを添加することによって、Ｎｉの酸化が抑制されたためと考えられる。
図５に、実施例１及び比較例１で得られたＳＯＥＣのＩＶ特性を示す。図５より、実施例１は、比較例１に比べてＩＶ性能が高いことが分かる。これは、活性層にＬＣＺを添加することによって、Ｎｉの酸化が抑制されたためと考えられる。
図６に、実施例１及び比較例１で得られたＳＯＥＣの電解効率の比較を示す。比較例１の電解効率は、６８．７％であった。これに対し、実施例１の電解効率は９４．９％であり、比較例１の約１．４倍の値が得られた。
（実施例２）
［１． 試料の作製］
ｘ＝０．１２５、又は、０．２５である２種類のＬａxＣｅ2-xＺｒ2Ｏ7（ＬＣＺ）粉末を試験に供した。
［１． 試料の作製］
ｘ＝０．１２５、又は、０．２５である２種類のＬａxＣｅ2-xＺｒ2Ｏ7（ＬＣＺ）粉末を試験に供した。
［２． 試験方法］
ＬＣＺ粉末を大気中、１４５０℃で１時間熱処理した。熱処理前後において、ＬＣＺ粉末のＸＲＤパターンの測定を行い、生成相の同定を行った。
ＬＣＺ粉末を大気中、１４５０℃で１時間熱処理した。熱処理前後において、ＬＣＺ粉末のＸＲＤパターンの測定を行い、生成相の同定を行った。
［３． 結果］
図７（Ａ）及び図７（ｂ）に、それぞれ、ＬａxＣｅ2-xＺｒ2Ｏ7（ｘ＝０．１２５）の熱処理前及び１４５０での熱処理後のＸ線回折パターンを示す。図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に、それぞれ、ＬａxＣｅ2-xＺｒ2Ｏ7（ｘ＝０．２５）の熱処理前及び１４５０℃での熱処理後のＸ線回折パターンを示す。図７及び図８より、ｘ＝０．１２５の時は熱処理後も単相を維持しているのに対し、ｘ＝０．２５の時は熱処理後にＬＣＺが２相に分離していることが分かる。これらの結果から、ｘは０．２未満が好ましいことが分かった。
図７（Ａ）及び図７（ｂ）に、それぞれ、ＬａxＣｅ2-xＺｒ2Ｏ7（ｘ＝０．１２５）の熱処理前及び１４５０での熱処理後のＸ線回折パターンを示す。図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に、それぞれ、ＬａxＣｅ2-xＺｒ2Ｏ7（ｘ＝０．２５）の熱処理前及び１４５０℃での熱処理後のＸ線回折パターンを示す。図７及び図８より、ｘ＝０．１２５の時は熱処理後も単相を維持しているのに対し、ｘ＝０．２５の時は熱処理後にＬＣＺが２相に分離していることが分かる。これらの結果から、ｘは０．２未満が好ましいことが分かった。
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。
本発明に係る水蒸気電解用電極は、固体酸化物形電解セルの水素極として使用することができる。
Claims (4)
- 以下の構成を備えた水蒸気電解用電極。
（１）前記水蒸気電界用電極は、
拡散層と、
前記拡散層の電解質層側表面に形成された活性層と
を備えている。
（２）前記拡散層は、
Ｎｉ粒子（Ａ）と、
固体酸化物からなる電解質粒子（Ａ）と
を含むサーメット（Ａ）からなる。
（３）前記活性層は、
Ｎｉ粒子（Ｂ）と、
イットリア安定化ジルコニアからなるＹＳＺ粒子と、
ＬａドープＣｅＯ2－ＺｒＯ2固溶体からなるＬＣＺ粒子と
を含むサーメット（Ｂ）からなる。 - 前記ＹＳＺ粒子は、３ｍｏｌ％以上１５ｍｏｌ％以下のＹ2Ｏ3を含む請求項１に記載の水蒸気電解用電極。
- 前記ＬＣＺ粒子は、次の式（２）で表される組成を有する請求項１又は２に記載の水蒸気電解用電極。
ＬａxＣｅ2-xＺｒ2Ｏ7 … （２）
但し、０＜ｘ＜０．２。 - 次の式（３）～式（６）を満たす請求項１から３までのいずれか１項に記載の水蒸気電解用電極。
４０ｍａｓｓ％≦ｕ≦７０ｍａｓｓ％ …（３）
３０ｍａｓｓ％≦ｖ≦７０ｍａｓｓ％ …（４）
０＜ｗ≦２０ｍａｓｓ％ …（５）
ｕ＋ｖ＋ｗ＝１００ｍａｓｓ％ …（６）
但し、
ｕは、前記水蒸気電解用電極の前記活性層に含まれる前記Ｎｉ粒子（Ｂ）の質量割合（ｍａｓｓ％）、
ｖは、前記水蒸気電解用電極の前記活性層に含まれる前記ＹＳＺ粒子の質量割合（ｍａｓｓ％）、
ｗは、前記水蒸気電解用電極の前記活性層に含まれる前記ＬＣＺ粒子の質量割合（ｍａｓｓ％）。
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- 2019-11-27 JP JP2019213913A patent/JP7114555B2/ja active Active
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