JPH08325775A - 高温固体電解質型水蒸気電解用アノード電極 - Google Patents
高温固体電解質型水蒸気電解用アノード電極Info
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- JPH08325775A JPH08325775A JP7135099A JP13509995A JPH08325775A JP H08325775 A JPH08325775 A JP H08325775A JP 7135099 A JP7135099 A JP 7135099A JP 13509995 A JP13509995 A JP 13509995A JP H08325775 A JPH08325775 A JP H08325775A
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
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- Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
- Chemically Coating (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 高温固体電解質型水蒸気電解用アノード電極
に関する。 【構成】 イットリア安定化ジルコニアに無電解メッキ
法により緻密な白金層を形成させ、その上に電子電導性
ペロブスカイト型酸化物の多孔体を積層させてなる高温
固体電解質型水蒸気電解用アノード電極。
に関する。 【構成】 イットリア安定化ジルコニアに無電解メッキ
法により緻密な白金層を形成させ、その上に電子電導性
ペロブスカイト型酸化物の多孔体を積層させてなる高温
固体電解質型水蒸気電解用アノード電極。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は高温固体電解質型水蒸気
電解用アノード電極に関する。
電解用アノード電極に関する。
【０００２】
【従来の技術】高温固体電解質型水蒸気電解装置（以
下、ＳＯＥと略記する）は主としてイットリア安定化ジ
ルコニア（以下、ＹＳＺと略記する。）を固体電解質と
して用い、その片側にカソード極としてニッケル−ＹＳ
Ｚサーメットをコーティングし、もう一方に白金ペース
トあるいはＬａ1-x Ｓｒx ＭｎＯ3 （ｘ＝０〜１）（以
下、ＬＳＭと略記する）、Ｌａ1-x Ｓｒx ＣｏＯ3 （ｘ
＝０〜１）（以下、ＬＳＣと略記する）、Ｃａ1-x Ｃｅ
x ＭｎＯ3 （以下、ＣＣＭと略記する）等の電子電導性
ペロブスカイト型酸化物をコーティングしてアノード極
としており、これを９００〜１０００℃に保持してカソ
ード側に水蒸気を送り電解することによって水素を得る
構成を有する。
下、ＳＯＥと略記する）は主としてイットリア安定化ジ
ルコニア（以下、ＹＳＺと略記する。）を固体電解質と
して用い、その片側にカソード極としてニッケル−ＹＳ
Ｚサーメットをコーティングし、もう一方に白金ペース
トあるいはＬａ1-x Ｓｒx ＭｎＯ3 （ｘ＝０〜１）（以
下、ＬＳＭと略記する）、Ｌａ1-x Ｓｒx ＣｏＯ3 （ｘ
＝０〜１）（以下、ＬＳＣと略記する）、Ｃａ1-x Ｃｅ
x ＭｎＯ3 （以下、ＣＣＭと略記する）等の電子電導性
ペロブスカイト型酸化物をコーティングしてアノード極
としており、これを９００〜１０００℃に保持してカソ
ード側に水蒸気を送り電解することによって水素を得る
構成を有する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】水蒸気電解用アノード
電極としてＬＳＭ、ＬＳＣ、ＣＣＭ等の電子電導性ペロ
ブスカイト酸化物を用いると、電解条件で電極／ＹＳＺ
界面で酸素が生成するため、その界面に閉空間が存在す
ると最高（１）式によって決まる酸素分圧まで高まるた
め、界面で剥離応力が発生して上記構成では容易に剥離
に至る。
電極としてＬＳＭ、ＬＳＣ、ＣＣＭ等の電子電導性ペロ
ブスカイト酸化物を用いると、電解条件で電極／ＹＳＺ
界面で酸素が生成するため、その界面に閉空間が存在す
ると最高（１）式によって決まる酸素分圧まで高まるた
め、界面で剥離応力が発生して上記構成では容易に剥離
に至る。
【化１】 Ｐo2＝０．２１× exp（４ＦＥ／ＲＴ） （１） 但しＦはファラデー定数、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温
度、Ｅは空気基準のアノード電極電位、Ｐo2は閉空間内
酸素分圧である。また、ＬＳＭやＬＳＣとＹＳＺの界面
にはＬａ2 Ｚｒ2 Ｏ7 やＳｒＺｒＯ3 という絶縁体が生
成し、ＣＣＭとＹＳＺの界面にはＣａＺｒＯ3 及びＣｅ
2 Ｚｒ2Ｏ7 の２種類の絶縁体が生成し、エネルギ効率
が低下するという問題点があったため、ＬＳＭ、ＬＳ
Ｃ、ＣＣＭの組成のｘを適正化するという努力がなされ
てきた。さらに、例えばＬＳＭ及びＹＳＺの熱膨張係数
はそれぞれ約１１×１０-6、１０×１０-6／Ｋであり、
熱応力によって剥離が発生するため、ＬＳＭ粉体に適量
のＹＳＺ粉体を混ぜるなどの対策がとられてきた。
度、Ｅは空気基準のアノード電極電位、Ｐo2は閉空間内
酸素分圧である。また、ＬＳＭやＬＳＣとＹＳＺの界面
にはＬａ2 Ｚｒ2 Ｏ7 やＳｒＺｒＯ3 という絶縁体が生
成し、ＣＣＭとＹＳＺの界面にはＣａＺｒＯ3 及びＣｅ
2 Ｚｒ2Ｏ7 の２種類の絶縁体が生成し、エネルギ効率
が低下するという問題点があったため、ＬＳＭ、ＬＳ
Ｃ、ＣＣＭの組成のｘを適正化するという努力がなされ
てきた。さらに、例えばＬＳＭ及びＹＳＺの熱膨張係数
はそれぞれ約１１×１０-6、１０×１０-6／Ｋであり、
熱応力によって剥離が発生するため、ＬＳＭ粉体に適量
のＹＳＺ粉体を混ぜるなどの対策がとられてきた。
【０００４】一方Ｐｔペーストによる白金電極の場合、
白金は高温で容易に塑性変形を起こすためアノード通電
に伴う剥離は発生せず、ＹＳＺと反応して界面に第３相
を形成することはないが、白金量を多く必要とするため
コスト的に問題があった。（電極厚さが薄いと横流れ抵
抗が大きくなり、集電時のロスが大きくなる。）
白金は高温で容易に塑性変形を起こすためアノード通電
に伴う剥離は発生せず、ＹＳＺと反応して界面に第３相
を形成することはないが、白金量を多く必要とするため
コスト的に問題があった。（電極厚さが薄いと横流れ抵
抗が大きくなり、集電時のロスが大きくなる。）
【０００５】このように電解効率上、電極には低過電圧
特性及び長期安定性が要求されるが、これまで満足しう
るアノード電極はなかった。本発明は上記技術水準に鑑
み、高温固体電解質型水蒸気電解用アノード極におい
て、長期安定型低過電圧アノード電極を提供しようとす
るものである。
特性及び長期安定性が要求されるが、これまで満足しう
るアノード電極はなかった。本発明は上記技術水準に鑑
み、高温固体電解質型水蒸気電解用アノード極におい
て、長期安定型低過電圧アノード電極を提供しようとす
るものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明はイットリア安定
化ジルコニアに無電解メッキ法によって緻密な白金層を
形成させ、その上に電子電導性ペロブスカイト型酸化物
の多孔体を積層させてなることを特徴とする高温固体電
解質型水蒸気電解用アノード電極である。
化ジルコニアに無電解メッキ法によって緻密な白金層を
形成させ、その上に電子電導性ペロブスカイト型酸化物
の多孔体を積層させてなることを特徴とする高温固体電
解質型水蒸気電解用アノード電極である。
【０００７】すなわち、本発明は従来のＹＳＺ／電子電
導性ペロブスカイト酸化物の間に、無電解メッキにより
白金層を薄く施工してサンドイッチ構造とすることによ
って、 アノード通電剥離に係る耐久性の問題、
電極／電解質界面における絶縁体の生成によるエネルギ
効率低下の問題、 熱膨張係数の違いによる剥離の問
題、 電極厚さ確保のために生じる白金のコストの問
題という諸問題を解決した高温固体電解質型水蒸気電解
用アノード電極を提供するものである。これは白金の高
温での可塑性と酸化物との両立性、白金の酸素極として
の過電圧の低さによるものであり、の問題点は電子電
導性ペロブスカイト酸化物を白金メッキ上に厚く積層す
ることによって回避される。
導性ペロブスカイト酸化物の間に、無電解メッキにより
白金層を薄く施工してサンドイッチ構造とすることによ
って、 アノード通電剥離に係る耐久性の問題、
電極／電解質界面における絶縁体の生成によるエネルギ
効率低下の問題、 熱膨張係数の違いによる剥離の問
題、 電極厚さ確保のために生じる白金のコストの問
題という諸問題を解決した高温固体電解質型水蒸気電解
用アノード電極を提供するものである。これは白金の高
温での可塑性と酸化物との両立性、白金の酸素極として
の過電圧の低さによるものであり、の問題点は電子電
導性ペロブスカイト酸化物を白金メッキ上に厚く積層す
ることによって回避される。
【０００８】本発明のＳＯＥ用アノード電極はＹＳＺを
アセトンのような溶媒で脱脂し、フッ化水素などの強酸
でエッチングし、塩化スズ及び塩化パラジウムにより触
媒化処理を施した後、塩化白金酸溶液と塩化ヒドラジン
溶液からなるメッキ溶液に浸漬して白金の薄膜を形成さ
せ、電子電導性ペロブスカイト酸化物スラリを塗布し、
１３００℃〜１５００℃で焼成して行うことによって得
られる。
アセトンのような溶媒で脱脂し、フッ化水素などの強酸
でエッチングし、塩化スズ及び塩化パラジウムにより触
媒化処理を施した後、塩化白金酸溶液と塩化ヒドラジン
溶液からなるメッキ溶液に浸漬して白金の薄膜を形成さ
せ、電子電導性ペロブスカイト酸化物スラリを塗布し、
１３００℃〜１５００℃で焼成して行うことによって得
られる。
【０００９】
【作用】ＳＯＥに用いられる酸素極はアノードとして働
くため、高酸素分圧下で安定に高い電子電導性を保たな
ければならない。本発明に使用される白金中間層は電子
電導性が高く、また高温、高酸素分圧下でも酸化されな
い。また本発明では白金中間層の施工に無電解メッキ法
を使用するため、ＹＳＺとの接着性が良好であり、１０
００℃でも凝縮することがなく、ＬＳＭ、ＬＳＣ、ＣＣ
Ｍ等のペロブスカイト酸化物電極とＹＳＺの界面で見ら
れるような、Ｌａ2 Ｚｒ2 Ｏ7 、ＳｒＺｒＯ3 やＣａＺ
ｒＯ3 及びＣｅ2 Ｚｒ2 Ｏ7 という絶縁体が生成するこ
とがない。また高温で塑性変形が容易に起こるため、熱
応力やアノード通電時に発生する剥離応力を緩和する効
果がある。電極性能の面では無電解メッキ法により白金
中間層を施工することによって、固体電解質に微細構造
（粒径が小さく緻密）をもって強固に密着させることが
でき、電極反応が生じる３相界面量が多く、有効電極面
積が大きくなることによってエネルギ効率が増大する。
また、緻密な白金中間層は０．５〜５μｍと薄く、ペロ
ブスカイト酸化物酸素極外層は多孔体でガス透過性が大
きいため、大きな電流密度での電解が可能である。更に
白金中間層の施工に無電解メッキ法を採用し０．５〜５
μｍと薄く積層させ、横流れ抵抗低減を狙って電極厚み
を確保のためにサンドイッチ構造を採用することによ
り、コスト低減が可能となった。
くため、高酸素分圧下で安定に高い電子電導性を保たな
ければならない。本発明に使用される白金中間層は電子
電導性が高く、また高温、高酸素分圧下でも酸化されな
い。また本発明では白金中間層の施工に無電解メッキ法
を使用するため、ＹＳＺとの接着性が良好であり、１０
００℃でも凝縮することがなく、ＬＳＭ、ＬＳＣ、ＣＣ
Ｍ等のペロブスカイト酸化物電極とＹＳＺの界面で見ら
れるような、Ｌａ2 Ｚｒ2 Ｏ7 、ＳｒＺｒＯ3 やＣａＺ
ｒＯ3 及びＣｅ2 Ｚｒ2 Ｏ7 という絶縁体が生成するこ
とがない。また高温で塑性変形が容易に起こるため、熱
応力やアノード通電時に発生する剥離応力を緩和する効
果がある。電極性能の面では無電解メッキ法により白金
中間層を施工することによって、固体電解質に微細構造
（粒径が小さく緻密）をもって強固に密着させることが
でき、電極反応が生じる３相界面量が多く、有効電極面
積が大きくなることによってエネルギ効率が増大する。
また、緻密な白金中間層は０．５〜５μｍと薄く、ペロ
ブスカイト酸化物酸素極外層は多孔体でガス透過性が大
きいため、大きな電流密度での電解が可能である。更に
白金中間層の施工に無電解メッキ法を採用し０．５〜５
μｍと薄く積層させ、横流れ抵抗低減を狙って電極厚み
を確保のためにサンドイッチ構造を採用することによ
り、コスト低減が可能となった。
【００１０】
【実施例】径：２３ｍｍ、厚さ：５００μｍの８ｍｏｌ
％ＹＳＺを下記手順で処理して高温固体電解質型水蒸気
電解用酸素極を作成した。 脱脂（アセトンで５分間浸漬洗浄）、 エッチン
グ（フッ化水素酸に１０分間浸漬）、 マスキング
（径：１０ｍｍの電極面積になるようにシリコーン樹脂
によってマスキング）、 触媒化処理（ＳｎＣｌ2 水
溶液中に２分間浸漬、ＰｄＣｌ2 水溶液中に２分間浸
漬）、 メッキ処理（Ｈ2 ＰｔＣｌ6 ・６Ｈ2 Ｏ水溶
液＋Ｎ2 Ｈ4 ・２ＨＣｌ水溶液に浸漬）、 酸素極外
層の施工（粒径が０．３μｍ程度のＬａ0.9 Ｓｒ0.1 Ｍ
ｎＯ3 のスラリを白金中間層の上に、焼成後３０μｍ以
上の厚さになるように塗布・乾燥させ、空気中、１３０
０℃で１時間焼成）なお、上記手順における各水溶
液濃度は数％の濃度であれば良く、白金メッキの厚さが
１μｍ程度となったところで引き上げた。厚さが５μｍ
を越えるとガス拡散能が低下するので、メッキ厚さはガ
ス拡散能を考慮して０．５〜５μｍ程度が望ましい。
％ＹＳＺを下記手順で処理して高温固体電解質型水蒸気
電解用酸素極を作成した。 脱脂（アセトンで５分間浸漬洗浄）、 エッチン
グ（フッ化水素酸に１０分間浸漬）、 マスキング
（径：１０ｍｍの電極面積になるようにシリコーン樹脂
によってマスキング）、 触媒化処理（ＳｎＣｌ2 水
溶液中に２分間浸漬、ＰｄＣｌ2 水溶液中に２分間浸
漬）、 メッキ処理（Ｈ2 ＰｔＣｌ6 ・６Ｈ2 Ｏ水溶
液＋Ｎ2 Ｈ4 ・２ＨＣｌ水溶液に浸漬）、 酸素極外
層の施工（粒径が０．３μｍ程度のＬａ0.9 Ｓｒ0.1 Ｍ
ｎＯ3 のスラリを白金中間層の上に、焼成後３０μｍ以
上の厚さになるように塗布・乾燥させ、空気中、１３０
０℃で１時間焼成）なお、上記手順における各水溶
液濃度は数％の濃度であれば良く、白金メッキの厚さが
１μｍ程度となったところで引き上げた。厚さが５μｍ
を越えるとガス拡散能が低下するので、メッキ厚さはガ
ス拡散能を考慮して０．５〜５μｍ程度が望ましい。
【００１１】この本発明空気極を用いてＳＯＥ作動条件
での耐久性をみるために、酸素極の裏面に対極として
径：１０ｍｍの電極面積になるように、またＹＳＺ板側
面全周に基準極として白金ペーストを塗布・乾燥し、１
１００℃で焼成してＰｔ多孔質電極を施工した。酸素極
と基準極には空気を２００ｍｌ／ｍｉｎで供給し、対極
には水素分圧０．０４ａｔｍ、水蒸気分圧０．１２ａｔ
ｍ、窒素バランスガスを２００ｍｌ／ｍｉｎで供給し
た。雰囲気温度は１０００℃とした。電解は定電流電解
装置を用いて６００ｍＡ／ｃｍ2 でアノード通電を行
い、酸素極の過電圧変化をモニターした。
での耐久性をみるために、酸素極の裏面に対極として
径：１０ｍｍの電極面積になるように、またＹＳＺ板側
面全周に基準極として白金ペーストを塗布・乾燥し、１
１００℃で焼成してＰｔ多孔質電極を施工した。酸素極
と基準極には空気を２００ｍｌ／ｍｉｎで供給し、対極
には水素分圧０．０４ａｔｍ、水蒸気分圧０．１２ａｔ
ｍ、窒素バランスガスを２００ｍｌ／ｍｉｎで供給し
た。雰囲気温度は１０００℃とした。電解は定電流電解
装置を用いて６００ｍＡ／ｃｍ2 でアノード通電を行
い、酸素極の過電圧変化をモニターした。
【００１２】本発明酸素極を用いて水蒸気電解を行った
ときの酸素極アノード過電圧の経時変化を図１に示す。
図２に示すように従来の電子電導性ペロブスカイト酸化
物を酸素極として直接ＹＳＺにコーティングした電極で
はアノード通電後短時間で過電圧が急上昇するのに対し
て、本発明による酸素極は１００時間の間極めて低い過
電圧で安定に作動した。なお、図１に示すように本発明
酸素極はアノード通電後２０時間で過電圧が低下してい
るが、これは白金中間層において、酸素発生に伴いＰｔ
／ＹＳＺ界面に存在する閉空間内の酸素分圧が上昇し、
その塑性変形によって、電極反応場である電極／電解質
／気相の３相界面量が増大したことによると考えられ
る。
ときの酸素極アノード過電圧の経時変化を図１に示す。
図２に示すように従来の電子電導性ペロブスカイト酸化
物を酸素極として直接ＹＳＺにコーティングした電極で
はアノード通電後短時間で過電圧が急上昇するのに対し
て、本発明による酸素極は１００時間の間極めて低い過
電圧で安定に作動した。なお、図１に示すように本発明
酸素極はアノード通電後２０時間で過電圧が低下してい
るが、これは白金中間層において、酸素発生に伴いＰｔ
／ＹＳＺ界面に存在する閉空間内の酸素分圧が上昇し、
その塑性変形によって、電極反応場である電極／電解質
／気相の３相界面量が増大したことによると考えられ
る。
【００１３】
【発明の効果】本発明により、電解時に剥離を生じず、
低過電圧で安定に作動するアノード極が提供され、ＳＯ
Ｅを成立させるためのキー技術の一つが確立された。
低過電圧で安定に作動するアノード極が提供され、ＳＯ
Ｅを成立させるためのキー技術の一つが確立された。
【図１】本発明の一実施例に係る酸素極を用いて水蒸気
電解を行ったときの酸素極アノード過電圧の経時変化の
図。
電解を行ったときの酸素極アノード過電圧の経時変化の
図。
【図２】従来の電子電導性ペロブスカイト酸化物（ＬＳ
Ｍ：Ｌａ0.9 Ｓｒ0.1 ＭｎＯ3，ＣＣＭ：Ｃａ0.9 Ｃｅ
0.1 ＭｎＯ3 ）を酸素極として直接ＹＳＺにコーティン
グした電極を用いて水蒸気電解を行ったときの酸素極ア
ノード過電圧の経時変化の図。
Ｍ：Ｌａ0.9 Ｓｒ0.1 ＭｎＯ3，ＣＣＭ：Ｃａ0.9 Ｃｅ
0.1 ＭｎＯ3 ）を酸素極として直接ＹＳＺにコーティン
グした電極を用いて水蒸気電解を行ったときの酸素極ア
ノード過電圧の経時変化の図。
Claims (1)
- 【請求項１】 イットリア安定化ジルコニアに無電解メ
ッキ法によって緻密な白金層を形成させ、その上に電子
電導性ペロブスカイト型酸化物の多孔体を積層させてな
ることを特徴とする高温固体電解質型水蒸気電解用アノ
ード電極。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7135099A JPH08325775A (ja) | 1995-06-01 | 1995-06-01 | 高温固体電解質型水蒸気電解用アノード電極 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7135099A JPH08325775A (ja) | 1995-06-01 | 1995-06-01 | 高温固体電解質型水蒸気電解用アノード電極 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08325775A true JPH08325775A (ja) | 1996-12-10 |
Family
ID=15143821
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7135099A Withdrawn JPH08325775A (ja) | 1995-06-01 | 1995-06-01 | 高温固体電解質型水蒸気電解用アノード電極 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08325775A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014034727A (ja) * | 2012-08-10 | 2014-02-24 | National Institute For Materials Science | 固体酸化物形水蒸気電界セル用酸素極の電極触媒及びその製造方法 |
| CN105839138A (zh) * | 2016-05-10 | 2016-08-10 | 东北林业大学 | 一种固体氧化物电解池高温熔融碳酸盐空气电极的制备方法 |
| WO2018128116A1 (ja) * | 2017-01-06 | 2018-07-12 | 富士通株式会社 | 酸素発生電極及び酸素発生装置 |
| CN116024516A (zh) * | 2023-01-09 | 2023-04-28 | 中山大学 | 一种单晶硅炉不锈钢水冷热屏用红外吸热复合涂层制备方法 |
-
1995
- 1995-06-01 JP JP7135099A patent/JPH08325775A/ja not_active Withdrawn
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014034727A (ja) * | 2012-08-10 | 2014-02-24 | National Institute For Materials Science | 固体酸化物形水蒸気電界セル用酸素極の電極触媒及びその製造方法 |
| CN105839138A (zh) * | 2016-05-10 | 2016-08-10 | 东北林业大学 | 一种固体氧化物电解池高温熔融碳酸盐空气电极的制备方法 |
| WO2018128116A1 (ja) * | 2017-01-06 | 2018-07-12 | 富士通株式会社 | 酸素発生電極及び酸素発生装置 |
| JP2018111843A (ja) * | 2017-01-06 | 2018-07-19 | 富士通株式会社 | 酸素発生電極及び酸素発生装置 |
| US11098411B2 (en) | 2017-01-06 | 2021-08-24 | Fujitsu Limited | Oxygen generating electrode and oxygen generator |
| CN116024516A (zh) * | 2023-01-09 | 2023-04-28 | 中山大学 | 一种单晶硅炉不锈钢水冷热屏用红外吸热复合涂层制备方法 |
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