(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気を電気分解して水素および酸化物イオンを発生させる水素極と、
前記酸化物イオンから酸素を発生させる多孔質の酸素極と、
前記水素極と前記酸素極との間に配置され前記酸化物イオンを透過させる電解質からなる基体と、
前記基体と酸素極との間に配置されたセリウム系複合酸化物からなる中間層とを備え、
前記酸素極は、前記基体側から、
電子―イオン混合伝導性酸化物とセリウム系複合酸化物の混合物からなる触媒層と、
電子―イオン混合伝導性酸化物からなる集電層と、
をこの順に含む複層構造であり、
前記電子―イオン混合伝導性酸化物の組成がＬＳＣ、ＬＳＣＦ、ＬａＭｎＯ３のいずれかであって、
前記触媒層の厚みをα、前記集電層の厚みをβとしたとき、α＞βであることを特徴とする高温水蒸気電解セル。
【請求項２】
前記基体は、安定化ジルコニアまたは部分安定化ジルコニアからなる電解質であることを特徴とする請求項１に記載の高温水蒸気電解セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温水蒸気電解によって水素および酸素を発生する高温水蒸気電解セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
高温水蒸気電解とは、高温の水蒸気（水）を電気分解することにより、水素（Ｈ２）と酸素（Ｏ２）を生成する技術である。高温水蒸気電解には高温水蒸気電解セルが用いられており、かかる高温水蒸気電解セルは電解質材料からなる基体の両側に水素極および酸素極が設けられている。高温水蒸気電解セルの水素極では、水蒸気を電解反応により水素分子と酸化物イオンに分解する。生成した酸化物イオンは基体を通過し、酸素極に到達する。そして、酸素極において酸化物イオンは電子が脱離され、酸素分子となる。
【０００３】
上記のように高温の水蒸気を用いた電気分解では、水の電気分解に比べて低い電解電圧で電解反応を行うことができる（水の場合は２５℃の理論値で１．２３Ｖ程度、実際には２Ｖ程度、高温の水蒸気では９００℃の理論値で０．９Ｖ程度、実際には１．２Ｖ程度）。したがって、電力の消費量を削減し、低コストかつ高効率で水素および酸素を生成することが可能となる。以前は電極の性能の関係もあって、高温水蒸気電解セルの作動温度は１０００℃程度必要であった。
【０００４】
ところで、上記の高温水蒸気電解セルの基体には、酸化物イオン導電性を有する電解質であるイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が多く用いられている。また、酸素極には、以前はランタン・ストロンチウム・マンガン酸化物が用いられていたが、イオン伝導性および電子伝導性（導電性）の高いランタン・ストロンチウム・コバルト酸化物（ＬＳＣ）が多く用いられるようになってきている。しかしながら、ＬＳＣ（酸素極）はＹＳＺ電解質（基体）よりも熱膨張係数が大きいため、高温水蒸気電解セルの熱膨張により剥離しやすいという問題があった。
【０００５】
かかる問題を改善するために、例えば特許文献１には、ＬＳＣの代替として、ＹＳＺ電解質に熱膨張係数が近いランタン・ストロンチウム・コバルト・鉄酸化物（ＬＳＣＦ）を用い、ＹＳＺ電解質とＬＳＦＣとの間にサマリアドープセリア（ＳＤＣ）の中間層を設ける技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００６−２８３１０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の技術によって、熱膨張による酸素極のＹＳＺ電解質（基体）からの剥離の問題は改善することが可能であった。しかし、ＬＳＣＦはＬＳＣよりもイオン伝導性が低いため損失が大きくなり、電解反応において高い電解電圧が必要となってしまう。したがって、水素製造効率が低下し、コストが増大してしまう。
【０００７】
また、近年環境への負荷低減の観点から燃料電池の開発が加速しているため、燃料電池の燃料となる水素製造の低コスト化が望まれている。水素製造を低コスト化するためには、電解電圧を低下させることにより電力の消費量を低減する必要がある。したがって、低電解電圧においても高効率で水素を製造するためには、高温水蒸気電解セルの性能向上が必須である。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑み、熱膨張による耐剥離性に優れ、低電解電圧においても高効率な電解反応を実現し、低コストで水素を製造することが可能な高温水蒸気電解セルを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、発明者らが鋭意検討したところ、高温水蒸気電解セルの酸素極の性能向上に着目した。そして、ＬＳＣＦとＳＤＣを混ぜ合わせた層を作ることにより、ＬＳＣＦのイオン伝導性を向上させられることを見出した。しかし、ＬＳＣＦとＳＤＣを混合させると電子伝導性が低く（電気抵抗すなわちオーム抵抗が高く）なってしまい、電気分解の所要電圧（ひいては電力）が増大してしまう結果となった。そこでさらに、酸素極をイオン伝導性の高い層と電子伝導性の高い層を含む複層構造とし、それぞれの層の厚さや組成を制御することにより、酸素極で発生した気体（酸素）の拡散速度を上げると同時に電気分解の所要電圧を下げることができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、上記課題を解決するために、本発明にかかる高温水蒸気電解セルの代表的な構成は、水蒸気を電気分解して水素および酸化物イオンを発生させる水素極と、酸化物イオンから酸素を発生させる多孔質の酸素極と、水素極と酸素極との間に配置され酸化物イオンを透過させる電解質からなる基体と、基体と酸素極との間に配置されたセリウム系複合酸化物からなる中間層とを備え、酸素極は、基体側から、電子―イオン混合伝導性酸化物とセリウム系複合酸化物の混合物からなる触媒層と、電子―イオン混合伝導性酸化物からなる集電層と、をこの順に含む複層構造であり、電子―イオン混合伝導性酸化物の組成がＬＳＣ、ＬＳＣＦ、ＬａＭｎＯ３のいずれかであって、触媒層の厚みをα、集電層の厚みをβとしたとき、α＞βであることを特徴とする。
【００１１】
上記の触媒層が、電子伝導性が高い電子―イオン混合伝導性酸化物とイオン伝導性が高いセリウム系複合酸化物とで構成されるため、触媒層は高い電子伝導性およびイオン伝導性を備えることができる。したがって、触媒層における酸化物イオンの有効反応領域を拡大することが可能である。特に、触媒層が基体側にあることから酸化物イオンを効率よく基体から引き出し、効率よく酸素分子にすることができる。そして、触媒層に電気的に良く密着した集電層では、触媒層の反応で生じた電子と酸素分子を効率よく外部に移動させることにより、酸素極の性能を向上させることができる。
また、酸素極の構成として、触媒層の厚みに対して集電層の厚みを薄くしている。触媒層は酸化物イオンの伝導性がよいために酸化物イオンの有効反応領域となるためであり、集電層はその表面に設けられる導電体（インターコネクターまたはセパレータ）に対する電気的密着性を向上させられれば充分だからである。上記の構成により、酸素極において酸化物イオンの電子を効率よく脱離し、酸化物イオンを酸素にすることが可能である。
【００１３】
なお酸素極と基体との間にセリウム系複合酸化物からなる中間層を備えていることにより、酸素極と基体との固相反応を抑制することができる。したがって、固相反応による基体の劣化を防止し、高温水蒸気電解セルの寿命を長期化することが可能である。
【００１４】
また、上記のセリウム系複合酸化物はイオン伝導性に優れているため、酸化物イオンの基体から酸素極への移動を促進することが可能である。したがって、高温水蒸気電解セルの性能を向上することができる。さらには、触媒層に混合されるセリウム系複合酸化物と同じ成分とすることにより熱膨張係数を近づけることができ、中間層と酸素極との熱膨張による剥離応力を軽減することができる。
【００１７】
上記の電子―イオン混合伝導性酸化物の組成がＡＢＣＤＯＸであるとき、ＡおよびＢは、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｒ、Ｃａからなる群から選択され、ＣおよびＤは、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｅ、Ｆｅからなる群から選択され、Ｏは酸素であって、Ｘは１以上の正の数であるとよい。
【００１８】
上記の群から選択された物質で構成する電子―イオン混合伝導性酸化物は、熱膨張係数が基体の熱膨張係数に近い。したがって、酸素極の熱膨張による基体からの剥離を改善することができる。また、上記の電子―イオン混合伝導性酸化物は電子伝導性に優れるため、集電力が高い。したがって、酸化物イオンからの電子の脱離を効率的に行うことが可能である。
【００１９】
上記の基体は、安定化ジルコニアまたは部分安定化ジルコニアからなる電解質であるとよい。
【００２０】
安定化ジルコニアはイオン伝導性に優れている。したがって、かかる基体に安定化ジルコニアからなる電解質を用いることにより、水素極で発生した酸化物イオンを酸素極に効率よく通過させることが可能となる。また、部分安定化ジルコニアは安定化ジルコニアよりもイオン伝導性は低いが、機械的強度に優れている。したがって、緻密な薄膜が形成できれば、使用することが可能になる。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように本発明によれば、熱膨張による耐剥離性に優れ、低電解電圧においても高効率な電解反応を実現し、低コストで水素を製造することが可能な高温水蒸気電解セルを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００２３】
図１は、本実施形態にかかる高温水蒸気電解セルの概略を説明する図である。図１（ａ）は、高温水蒸気電解セルの反応を説明する図であり、かかる高温水蒸気電解セルにおいては、酸素極では酸素が発生する。図１（ｂ）は、高温水蒸気電解セルを逆作動させた固体酸化物形燃料電池の反応を説明する図である。かかる固体酸化物形燃料電池においては、酸素極では酸素が還元される。以下、高温水蒸気電解セルを「セル」と称する。図１（ａ）に示すように、セル１００は、水素極１１０と、基体１２０と、酸素極１３０と、中間層１４０と、電源１５０とから構成される。
【００２４】
水素極１１０は、水蒸気（Ｈ２Ｏ）を電源１５０から供給される電力によって電気分解し、水素と酸化物イオンに分解する。水素極１１０の構成としては、後述する酸素極１３０と同じ材料および構造を好適に用いることができる。また水素極１１０の他の構成としては、多孔質Ｐｔや、セリウム系複合酸化物も好適に用いることができる。セリウム系複合酸化物は、金属触媒を担持（含有）させることにより、水素極１１０の反応活性を向上させることができる。
【００２５】
基体１２０は、水素極１１０と酸素極１３０とを隔離する。かかる基体１２０は、酸化物イオンを透過させる電解質で構成される。本実施形態においては、電解質として安定化ジルコニアであるＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）を用いたが、イットリア（Ｙ２Ｏ３）の代替としてスカンジア（Ｓｃ２Ｏ3）を用いることも可能である。安定化ジルコニアはイオン伝導性が高いため、水素極１１０で発生した酸化物イオンを酸素極１３０に効率よく通過させることが可能となる。
【００２６】
酸素極１３０は、水素極１１０において発生し、基体１２０を通過して到達した酸化物イオンから電子を脱離し、気体の酸素分子を生成する。かかる酸素極１３０についての詳細は後述する。
【００２７】
中間層１４０は、水素極１１０と基体１２０との間、および酸素極１３０と基体１２０との間に介在する。これにより、酸素極１３０と基体１２０との固相反応を抑制し、基体１２０の劣化を防止することが可能である。中間層１４０にはセリウム系複合酸化物を好適に用いることができる。セリウム系複合酸化物はイオン伝導性に優れているため、酸化物イオンの基体１２０から酸素極１３０への移動を促進することが可能である。
【００２８】
なお、本実施形態においては、セリウム系複合酸化物としてサマリアドープセリア（ＳＤＣ）を用いているが、サマリウムをガドリニウムで代替したＧＤＣも好適に用いることができる。
【００２９】
電源１５０は、負極が水素極１１０（厳密には、水素極１１０に接する導電体であるセパレータ）に、正極が酸素極１３０（厳密には、酸素極１３０に接する導電体であるセパレータ）に接続されており、水素極１１０での水蒸気の電解反応に必要な電力を供給する。
【００３０】
上記説明したように、セル１００は電源１５０から供給される電力によって、水素極１１０において水蒸気を電気分解して水素ガスおよび酸化物イオンを生成し、基体１２０を通過した酸化物イオンの電子を酸素極１３０において脱離させることによって、酸素極１３０では酸素ガスを生成する。このときの酸素極１３０の特性（性能）をアノード特性という。
【００３１】
上述したセル１００は、反応方向（電流の向き）を変更することにより、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）としても機能する。以下、固体酸化物形燃料電池を「ＳＯＦＣ」と称する。図１（ｂ）に示すように、ＳＯＦＣ１０２として機能する場合には、負荷１６０を備える。ＳＯＦＣ１０２は、酸素極１３０において酸素を還元して酸化物イオンとし、基体１２０を通過した酸化物イオンを、水素極１１０において燃料である水素と反応させることによって発電を行う。このときの酸素極１３０の特性（性能）をカソード特性という。
【００３２】
図２は、本実施形態にかかる酸素極の概略を説明する図である。図２に示すように、酸素極１３０は、基体１２０側に配置された触媒層１３２と、表層側に配置された集電層１３４とから構成される複層構造である。さらに、本実施形態においては、セル１００はセパレータ１７０を備えている。なお、本実施形態においては、セル１００が中間層１４０を備えているため、触媒層１３２および集電層１３４は、実質的には中間層１４０上に備えられているが、これに限定されるものではない。
【００３３】
触媒層（ＣＬ：Catalyst Layer）１３２は高いイオン伝導性と高い電子伝導性を兼ね備えることを目的とした層であり、電子伝導性が高い電子―イオン混合伝導性酸化物と、イオン伝導性が高いセリウム系複合酸化物の混合物から構成される。これにより、触媒層１３２は高い電子伝導性およびイオン伝導性を備えるため、酸化物イオンの有効反応領域を拡大することが可能である。
【００３４】
集電層（ＣＣＬ：Current Collecting Layer）１３４は高い電子伝導性（導電性）と酸素ガスの高い拡散性を目的とした層であり、多孔質の電子―イオン混合伝導性酸化物から構成される。これにより、集電層１３４は、酸化物イオンから脱離された電子を高効率で集電することができる。触媒層１３２と集電層１３４に用いる電子―イオン混合伝導性酸化物は、同じ材質であってもよいし、異なる材質であってもよい。
【００３５】
上記の電子―イオン混合伝導性酸化物として、その組成をＡＢＣＤＯＸとしたとき、ＡおよびＢは、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｒ、Ｃａからなる群から選択され、ＣおよびＤは、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｅ、Ｆｅからなる群から選択され、Ｘは、１以上の正の数である物質を好適に用いることが可能である。具体例としては、ＡがＬａ、ＢがＳｒ、ＣがＣｏ、ＤもＣｏ、Ｘが３であるＬａ１−ｙＳｒｙＣｏＯ３（ランタン・ストロンチウム・コバルト酸化物：ＬＳＣ、０≦ｙ≦１）、上記のＤをＦｅに置き換えたＬａ１−ｙＳｒｙＣｏ１−ｚＦｅｚＯ３（ランタン・ストロンチウム・コバルト・鉄酸化物：ＬＳＣＦ、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）や、ＡおよびＢがＬａ、ＣおよびＤがＭｎ、Ｘが３であるＬａＭｎＯ３（ランタン・マンガン・鉄酸化物）などが挙げられる。
【００３６】
特に電子―イオン混合伝導性酸化物としては、ランタン・ストロンチウム・コバルト・鉄酸化物（ＬＳＣＦ）を好適に用いることができる。ＬＳＣＦは、熱膨張係数が基体１２０の熱膨張係数に近いため、熱膨張による酸素極１３０の基体１２０からの剥離を改善することができる。またＬＳＣＦは電子伝導性が高い。したがって、集電力に優れ、酸化物イオンからの電子の脱離を効率的に行うことが可能である。
【００３７】
上記のセリウム系複合酸化物として、本実施形態ではサマリアドープセリア（ＳＤＣ）を用いている。かかるセリウム系複合酸化物には、ＳＤＣの他に、サマリウム（Ｓｍ）をガドリニウム（Ｇｄ）で代替したＧＤＣも好適に用いることができる。セリウム系複合酸化物はイオン伝導性が高いため、酸化物イオンの酸素極１３０での移動を促進することが可能である。
【００３８】
なお、上記の触媒層１３２の厚みをα、集電層１３４の厚みをβとしたとき、α＞βであることが好ましい。すなわち、酸素極１３０の構成としては、触媒層１３２の厚みに対して集電層１３４の厚みを薄くすることが好ましい。触媒層１３２は酸化物イオンの伝導性がよいために酸化物イオンの有効反応領域となるためであり、集電層１３４はその表面に設けられる導電体（後述するセパレータ１７０）に対する電気的密着性を向上させられれば充分だからである。これにより、触媒層１３２において酸化物イオンから効率よく電子を脱離し、集電層１３４によって電子を高効率で集電することが可能となる。その結果、酸素極１３０の反応効率を向上することが可能である。
【００３９】
セパレータ１７０は、集電層１３４から電源１５０へと電気的に接続する導電体として機能する。すなわち集電層１３４は、触媒層１３２とセパレータ１７０との電気的密着性を向上させるために設けられている。セパレータ１７０は、当該セルを複数積み重ねた際の隔壁としても機能するため、電子伝導性を備え、かつ酸素または水素を透過させない気密性を備えていればよい。具体例としては、ＣｒＦｅＮｉ等の耐熱合金や、ＬａＣｒＯ３等のセラミックを好適に用いることができる。これにより、複数積み重ねられたセルのうち、一方のセルの酸素極１３０から発生した酸素の、他方のセルの水素極１１０への侵入を防止することができる。
【００４０】
上述した如く、本実施形態におけるセルは、酸素極１３０の反応効率が優れているため、酸素極１３０において酸化物イオンの電子を効率よく脱離できる。したがって、低電解電圧においても高効率で水素を製造することが可能となり、電気分解の消費電力を低下させられるため、水素製造のコストを削減できる。
【００４１】
次に、実験値を用いて、本実施形態にかかる酸素極１３０の作用について説明する。なお、上記説明した如く、アノード特性とは、高温の水蒸気（水）を電気分解するセル１００における酸素極１３０の特性（性能）であり、カソード特性とは、水素を燃料として発電を行うＳＯＦＣ１０２における酸素極１３０の特性（性能）であるが、セル１００および燃料電池１０２は、反応の方向が異なるもののほぼ同じ構成である。したがって、理解を容易にするために、以下、セル１００およびＳＯＦＣ１０２を併せて「セル１００」と称する。
【００４２】
セル１００の基体１２０には、８ｍｏｌ％ＹＳＺ［（ＺｒＯ２）０．９２(Ｙ２Ｏ３）０．０８］ディスク（直径１３ｍｍ、厚さ１ｍｍ）を用いた。次に、ＬＳＣＦ［Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３］との固体反応を抑制する目的で、基体１２０上にＳＤＣ［（ＣｅＯ２）０．８（ＳｍＯ１．５）０．２］からなる中間層１４０（厚さ約１μｍ）を焼き付けた。そして、中間層１４０上にＬＳＣＦ／ＬＳＣＦ−ＳＤＣをテープキャスト法により形成し、１１５０℃で１時間焼成することにより、本実施形態にかかる酸素極１３０を作製した。
【００４３】
本実施形態においては、酸素極１３０の特性のみを試験する半電池法を採用するため、水素極１１０には多孔質Ｐｔ対極を用いた。以下、当該水素極１１０を対極１１０と称する。また、基体１２０側面にＰｔ線を巻きつけ空気参照極とした。これにより、空気とＰｔ線／基体１２０（電解質）の間の平衡状態の電位である参照電位を取得することができる。以上のようにして、実験に用いるセル１００を作製した。
【００４４】
なお、以下の半電池法測定においては、酸素極１３０に乾燥酸素、対極１１０には乾燥空気を３０ｍＬ／ｍｉｎで供給し、カレントインタラプタ法によりオーム損を除去した分極特性（アノード特性およびカソード特性）を測定した。
【００４５】
まず、触媒層１３２におけるＳＤＣの混合比の検討を行った。図３は、本実施形態にかかる触媒層におけるＳＤＣの混合比と、オーム損を除去した過電圧の絶対値｜η｜＝０．２Ｖにおける電流密度およびオーム抵抗との関係を説明する図である。図３（ａ）は、触媒層１３２におけるＳＤＣの混合比と、オーム損を除去した過電圧の絶対値｜η｜＝０．２Ｖにおける電流密度の関係を示しており、図３（ｂ）は、触媒層１３２におけるＳＤＣの混合比と、オーム抵抗の関係を示している。ここで過電圧とは、電流がゼロのときの電位（平衡電極電位）との電位差である。
【００４６】
図３（ａ）に示すように、セル１００の電流密度は、アノード特性およびカソード特性の両特性において、触媒層１３２のＳＤＣの混合比が４０ｖｏｌ．％のときに極大値に達する。また、図３（ｂ）に示すように、セル１００のオーム抵抗は、触媒層１３２のＳＤＣの混合比が４０ｖｏｌ．％を超えると急激に増大する。以上の結果から、触媒層１３２におけるＳＤＣの混合比は４０ｖｏｌ．％が好適であることが理解できる。
【００４７】
触媒層１３２におけるＳＤＣの混合比の増加に伴い、触媒層１３２の酸化物イオンの伝導性が向上し、酸化物イオンの有効反応領域（イオン伝導パス）が増加する。その結果、イオン−電子−ガスの三相界面が増加し、上記の如くＳＤＣの混合比は４０ｖｏｌ．％において、セル１００の電流密度が極大値に達したと考えられる。しかし、触媒層１３２におけるＳＤＣの混合比が４０ｖｏｌ．％を超えると、電子伝導性が低下し、三相界面が減少してしまう。したがって、セル１００の電流密度が低下、およびオーム抵抗が増大すると考えられる。
【００４８】
次に、上記の結果を踏まえて、触媒層１３２のＳＤＣの混合比を４０ｖｏｌ．％とし、触媒層１３２の厚みの検討を行った。図４は、本実施形態にかかる触媒層の厚さと、交換電流密度およびオーム損を除去した過電圧の絶対値｜η｜＝０．２Ｖにおける電流密度、オーム抵抗との関係を説明する図である。図４（ａ）は、触媒層１３２の厚さと交換電流密度の関係を示しており、図４（ｂ）は、触媒層１３２の厚さと、オーム損を除去した過電圧の絶対値｜η｜＝０．２Ｖにおける電流密度の関係を示しており、図４（ｃ）は、触媒層１３２の厚さとオーム抵抗の関係を示している。なお、上記の測定において、集電層１３４の厚みは１０μｍ一定としている。ここで、交換電流密度とは、過電圧の絶対値｜η｜が０Ｖのとき（平衡状態にあるとき）の電流密度であり、電極の固有活性の尺度である。
【００４９】
図４（ａ）に示すように、アノード特性およびカソード特性の両特性において、過電圧の絶対値｜η｜＝０Ｖ（低過電圧）のとき、交換電流密度は、触媒層１３２の厚みが約３０μｍのときに極大値に達する。また、図４（ｂ）に示すように、過電圧の絶対値｜η｜＝０．２Ｖの電流密度においても、触媒層１３２の厚みが約３０μｍのときに極大値に達する。更に、図４（ｃ）に示すように、セル１００のオーム抵抗は、触媒層１３２の厚みが約３０μｍのときに極小値となっている。
【００５０】
上記の結果から、厚みが約３０μｍに到るまでは、触媒層１３２の厚みの増加に伴って交換電流密度が急激に増加しており、酸素極１３０の反応効率が向上することがわかる。これは、酸素極１３０の有効反応領域が増加するためと考えられる。しかし、厚みが約３０μｍよりも増加すると、交換電流密度が低下すると同時に、オーム抵抗が高くなってしまっている。これは、触媒層１３２において電子が脱離した酸化物イオン、すなわち気体の酸素が拡散しにくくなり、酸素極１３０におけるガス拡散速度が低下してしまうためと考えられる。また、基体１２０および触媒層１３２間の酸化物イオンの移動効率、並びに、触媒層１３２および集電層１３４の間の電子の移動効率が低下してしまっていることも考えられる。したがって、酸素の拡散速度、および電子伝導性、イオン伝導性を向上し、有効反応領域を最も拡大するためには、触媒層１３２の厚みは３０μｍが好適であることが理解できる。
【００５１】
上記の結果を踏まえ、触媒層１３２の厚みを３０μｍ一定とし、集電層１３４の厚みの検討を行った。図５は、本実施形態にかかる集電層の厚さと、交換電流密度および過電圧の絶対値｜η｜＝０．１Ｖの電流密度、オーム抵抗との関係を説明する図である。図５（ａ）は、集電層１３４の厚さと交換電流密度の関係を示しており、図５（ｂ）は、集電層１３４の厚さと、オーム損を除去した過電圧の絶対値｜η｜＝０．１Ｖにおける電流密度の関係を示しており、図５（ｃ）は、集電層１３４の厚さとオーム抵抗の関係を示している。
【００５２】
図５（ａ）に示すように、アノード特性およびカソード特性の両特性において、交換電流密度は集電層１３４の厚みが約１０μｍのときに極大値に達する。また、図５（ｂ）に示すように、過電圧の絶対値｜η｜＝０．１Ｖの電流密度においても、集電層１３４の厚みが約１０μｍのときに極大値に達する。更に、図５（ｃ）に示すように、セル１００のオーム抵抗は、集電層１３４の厚みが約１０μｍのときに極小値となっている。
【００５３】
したがって、集電層１３４の厚みは１０μｍが好適であることがわかる。これは、集電層１３４が厚くなりすぎると、触媒層１３２からセパレータ１７０への電子伝導性が低下するためであると考えられる。また、上述の如く、触媒層１３２の厚みは３０μｍ、集電層１３４の厚みは１０μｍが好適であることから、触媒層１３２の厚みをα、集電層１３４の厚みをβとしたとき、α＞βであるとよいことが理解できる。
【００５４】
以上の結果から、本実施形態にかかる酸素極１３０の好適な実施条件を決定した。以下に、実施例および比較例を用いて、本発明の有効性を説明する。
【００５５】
図６は、実施例および比較例における電流密度と過電圧との関係を説明する図である。図６（ａ）はセルの作動温度９００℃、図６（ｂ）はセルの作動温度８００℃、図６（ｃ）はセルの作動温度７００℃、における実施例および比較例における電流密度と過電圧との関係を示している。
【００５６】
なお、実施例とは、上記に説明した、酸素極１３０がＬＳＣＦ−ＳＤＣを用いた触媒層１３２、およびＬＳＣＦを用いた集電層１３４からなる複層構造のセル１００である。比較例１とは、酸素極１３０がＬＳＣＦのみを用いた単層構造のセル１００であり、比較例２とは、酸素極１３０がＬＳＣＦ−ＳＤＣを用いた単層構造のセル１００である。
【００５７】
図６（ａ）および（ｂ）、（ｃ）に示すように、いずれの温度、またアノード特性およびカソード特性の両特性において、実施例は、比較例１および２よりも作動時の過電圧が低い。したがって、酸素極１３０が複層構造である実施例は、酸素極１３０の反応効率が優れており、電気分解の所要電圧を下げることができる。その結果、低電解電圧においても高効率な電解反応を実現し、低コストで水素を製造することが可能となる。
【００５８】
また、上述の如く電解反応の効率が向上することにより、セル１００の作動温度を低温化することも可能となる。これにより、セパレータ１７０等のセル１００を構成する部材に耐熱合金使用することができるため、セル１００のコストを低減することが可能となる。
【００５９】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００６０】
例えば、上記実施形態においては酸素極を複層構造として説明したが、水素極も同じ構造とすることができ、さらに高効率に水素を製造することができる。また水蒸気の電気分解に限らず、反応方向を逆転して水素と酸素とから水を生成しつつ電流を取り出すことにより、高効率の燃料電池とすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、高温水蒸気電解によって水素および酸素を発生する高温水蒸気電解セルに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本実施形態にかかる高温水蒸気電解セルの概略を説明する図である。
【図２】本実施形態にかかる酸素極の概略を説明する図である。
【図３】本実施形態にかかる触媒層におけるＳＤＣの混合比と、オーム損を除去した過電圧の絶対値｜η｜＝０．２Ｖにおける電流密度およびオーム抵抗との関係を説明する図である。
【図４】本実施形態にかかる触媒層の厚さと、交換電流密度およびオーム損を除去した過電圧の絶対値｜η｜＝０．２Ｖにおける電流密度、オーム抵抗との関係を説明する図である。
【図５】本実施形態にかかる集電層の厚さと、交換電流密度および過電圧の絶対値｜η｜＝０．１Ｖの電流密度、オーム抵抗との関係を説明する図である。
【図６】実施例および比較例における電流密度と過電圧との関係を説明する図である。
【符号の説明】
【００６３】
１００…セル、１０２…ＳＯＦＣ、１１０…水素極（対極）、１２０…基体、１３０…酸素極、１３２…触媒層、１３４…集電層、１４０…中間層、１５０…電源
１６０…負荷、１７０…セパレータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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