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基于对称双阴极结构平板电池的高温电解研究取得进展
作者:,日期:2018-05-25

  随着全球化石能源消费量的迅猛增长,CO2排放量的不断增加,全球气候变暖、海洋变酸等一系列环境问题日益严重,如何有效控制温室气体排放、减缓环境问题已成为人类社会可持续发展面临的共同难题。利用固体氧化物陶瓷材料作为电解池(Solid Oxide Electrolysis Cell,SOEC)的高温共电解技术(high temperature co-electrolysis,HTCE)既可高效制备合成碳氢燃料的原料气——合成气(CO+H2),又可以实现CO2的减排和有效利用,因此受到了各国研究者的广泛关注。

  固体氧化物电解池(SOEC)是一种能将热能和电能转换为化学能的能量转换装置,作为一种新的能源利用方式,其具有高效、洁净、环保等优点。同时,SOEC高的运行温度能够降低电解过程中的电能需求,从而降低合成气的成本,也提高了电极的动力学性能,有效降低了电解质电阻,使电池性能损失更小。中国科学院宁波材料技术与工程研究所氢能与燃料电池技术团队提出了一种对称双阴极结构阳极支撑平板型电池,并成功研制了LSCF/GDC/Ni-YSZ/YSZ/Ni-YSZ/GDC/LSCF固体氧化物电解池,电池的抗氧化还原性能得到显著增强,电解与共电解稳定性进一步提升。

  近年来,国内外的燃料电池研究者围绕着SOEC共电解H2O/CO2的电解池运行性能分析、SOEC的电极材料研究、共电解制合成碳氢燃料系统的各部件模型化以及力学计算等各个研究热点开展工作。研究团队在基于对称双阴极结构平板电池的基础上,考察了不同工况对SOEC共电解性能的影响,分析多孔电极内共电解过程中的竞争电解行为;研究了SOEC燃料极的积碳特性,对比SOEC与SOFC模式下积碳程度和分布的差异性;同时,研究了共电解制取合成气以及CH4的反应特性,探索CH4生成反应机理。研究发现,反应温度、极化电压和电解反应物的提高,可显著加快多孔电极SOEC的电化学反应速率,降低电池的极化阻抗,共电解过程中H2O的电解竞争能力强于CO2;降低温度、增大极化电压和提高H2分压有利于共电解生成CH4

  

图1 SOEC电解H2O、电解CO2和CO2/H2O共电解电化学性能对比

图2 SOEC电解H2O的IV曲线图以及不同电压下的产H2

图3 SOEC电解CO2循环过程中OCV变化情况图以及不同循环次数下的阻抗图

图4 电极断面厚度方向的C元素分布图

 

  (新能源所 吴傲路 杨钧 官万兵)

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