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摘 要：为大幅减少二氧化碳（CO2）排放量，利用CO2作为碳源的高温电解技术备受关注。日本东芝能源系统株式会社正在开发一种用于高效制氢的固体氧化物电解池(SOEC)。此次，为了将SOEC应用于同时电解CO2和水（H2O）的共电解技术，对包括主反应和副反应在内的在共电解电极上发生的反应进行了分析，结果表明，CO2和H2O的还原率因电极组成而不同；还表明，面向大型高温水蒸气电解系统开发的镍-氧化钆掺杂氧化铈(Ni-GDC)电极作为共电解用电极时表现出高性能。
关键字：共电解技术、固体氧化物电解池(SOEC)、大型高温水蒸气电解系统、Ni-GDC电极、CO2资源化
2020年10月，时任日本首相在其施政演说中宣布，到2050年实现碳中和和脱碳社会的目标。2021年4月，日本政府宣布其目标是到2030年将温室气体排放量较2013年减少46%，并向联合国提交了更为雄心勃勃的减排目标。为实现这些目标，日本需要减少CO2排放的技术。
CO2排放的主要来源是为获得含碳燃料燃烧时所产生的废气。作为从废气中分离CO2的技术，利用化学吸收法的技术已在世界范围内得到了实证且部分商业化。与此相对，虽然正在研究或实施有效利用分离的CO2的技术（表1），例如地下封存和提高石油采收率（EOR）等，但利用CO2作为碳源的技术至今尚未确立。
利用CO2作为碳源的方法有多种，其中，近年来，与可再生能源高度兼容的高温电解技术备受瞩目。高温水蒸气电解SOEC，由于在高温下工作，原理上可以在低工作电压下进行电解；此外，除电力外，还可以利用热量来制造氢气（H2）等，因此可以高效制氢。此外，还研究了将其用于可再生能源剩余电力转化为H2的氢能储存等的适应性，近年来，其关注度急剧上升。这种SOEC不仅可以电解H2O，还可以同时电解（共电解）CO2（图1）。与H2O电解一样，CO2电解也是一种吸热反应，通过在高温下工作可以实现高效电解。
此外，由于H2O经常与来自火力发电等的含有CO2的废气同时排放，因此使用这种同时电解H2O和CO2的共电解技术，可以获得甲烷（CH4）等有用的化合物或由CO和H2构成的合成气体，并有望将其应作液体燃料。但是，其研发还不够充分，还有很多不清楚的地方，比如电极反应机制等。
图1.CO2和H2O共电解的工作原理图
SOEC可以同时电解CO2和H2O。与H2O电解一样，CO2电解也是一种吸热反应，在高温下工作可以实现高效电解。
因此，东芝能源系统株式会社（以下简称“东芝能源系统”）着眼于对电解池性能影响最大的电极材料，正在研发一种作为SOEC用电极，具有高催化活性的Ni与具有电子离子混合传导性的氧化铈基材料组成的复合材料。本文介绍了为获得提高共电解池性能的指导方针而实施的电极反应分析结果，以及开发的作为共电解用电极的Ni-GDC电极的性能评估结果。
高温电解一般是采用氧离子导体作为电解质，获得氧气（O2）和产物的方法，通过利用高温的原料气体，可以以较少的投入电力获得电解产物。H2O和CO2的电解是一种分子数增加的反应，由于T⊿S（温度与熵变的乘积）取负值，因此反应所需的自由能变化（⊿G）随温度的升高而降低；另一方面，由于获得的H2和CO燃烧可以获得的能量的温度依赖性非常小，因此如果在高温下电解H2O和CO2，则反应为吸热，并且可以获得具有比投入电力更多能量的H2、CO和O2。
此外，当共电解CO2和H2O时，由于得到的合成气体也处于高温状态，因此可以容易进行CO的甲烷化反应，合成容易利用现有基础设施的CH4，并将其存储作为能源。另一方面，如果利用进入电解池的CO2或H2O（水蒸气）来补偿共电解所需的所有热量，则要求供应气体的温度与电解池的工作温度相同，确保热源或加热所需的能量是一个问题。
在实际的电解池中，由于存在IR损失（电阻过电压）和电极过电压等电阻，因此当进行恒定电流电