[發明專利]元素含量及孔隙率梯度變化的高溫電解水制氫池及方法

有效

• 申請號: 202110069200.2
• 申請日: 2021-01-19
• 公開（公告）號: CN114855197B
• 公開（公告）日: 2023-07-11
• 發明（設計）人: 溫兆銀;葉曉峰;溫亞兵
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C25B9/015
• 分類號: C25B9/015;C25B9/23;C25B11/04;C25B11/031;C25B13/07;C25B1/042
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄒蘊

一種元素含量及孔隙率梯度變化的高溫電解水制氫池及方法，該高溫電解水制氫池是利用電能將水蒸氣電解制備氫氣的反應裝置；高溫電解水制氫池形成為管狀，包括由包含質子導體材料的材料構成的多個功能層，質子導體材料為BaCesubgt;1?x?y/subgt;Zrsubgt;x/subgt;Msubgt;y/subgt;Osubgt;3/subgt;，其中0≤x≤0.9，0≤y≤0.2，且0≤x+y≤1，M為Y、In、Yb、Sc、Cu、Zn；多個功能層包括氫電極層、位于氫電極層的外側的電解質層以及位于電解質層的外側的空氣電極層；多個功能層的Ce含量隨著從氫電極層至空氣電極層而梯度下降；電解質層與空氣電極層為多孔結構，且形成為孔隙率隨著從電解質層向空氣電極層而梯度增大。

技術領域

本發明屬于高溫電解水蒸汽制氫技術領域，具體涉及一種元素含量及孔隙率梯度變化的高溫電解水制氫池及方法。

背景技術

能源與環境問題是制約我國乃至全球經濟可持續發展的瓶頸。氫氣由于具有資源豐富、來源多樣、環保、可存儲等特性，幾乎可同時滿足資源、環境和持續發展的要求，成為人類未來的能源。隨著能源結構的多元化調整和燃料電池技術的突破，市場對氫氣的需求將大幅增長。發展氫能必須解決的一個重要問題是制氫問題。利用風能或太陽能的過剩電力高溫電解水蒸氣制取“綠氫”是一項低污染、高效率的技術。

高溫電解水制氫池是高溫下將水蒸氣電解制造氫氣的電化學裝置，一般由空氣電極、電解質和氫電極組成。按照其電解質的導電類型，可分為氧離子導電型和質子導電型。高溫質子導體材料被Iwahara等人報道用于電解水制氫，但質子導體型高溫電解水制氫池長期以來受制于材料的穩定性等難題。鈣鈦礦結構的質子導體材料中，BaCeO₃材料雖然電導率高，但易與H₂O和CO₂等反應而失活；BaZrO₃材料雖然穩定性較好，但電導率相對較低，且難于燒結致密。BaCe_1-x-yZr_xM_yO₃質子導體材料目前在研究中被較為廣泛地使用。已有文獻報道的質子導體型高溫電解水制氫池的衰減率較高，無法兼顧其在高溫濕環境中的穩定性和電化學性能的要求。

發明內容

發明要解決的問題：

針對上述問題，本發明的目的在于提供一種能兼顧運行穩定性和電化學性能的結構簡單、高效且長壽命的元素含量及孔隙率梯度變化的高溫電解水制氫池及其方法。

解決問題的技術手段：

為解決上述問題，本發明提供一種元素含量及孔隙率梯度變化的高溫電解水制氫池，是利用電能將水蒸氣電解制備氫氣的反應裝置；所述高溫電解水制氫池形成為管狀，包括由包含質子導體材料的材料構成的多個功能層，所述質子導體材料為BaCe_1-x-yZr_xM_yO₃，其中0≤x≤0.9，0≤y≤0.2，且0≤x+y≤1，M為Y、In、Yb、Sc、Cu、Zn；；所述多個功能層包括氫電極層、位于所述氫電極層的外側的電解質層以及位于所述電解質層的外側的空氣電極層；所述多個功能層的Ce含量隨著從所述氫電極層至所述空氣電極層而梯度下降；所述電解質層與所述空氣電極層為多孔結構，且形成為孔隙率隨著從所述電解質層向所述空氣電極層而梯度增大。

根據本發明，各功能層元素含量梯度變化一方面適應電解水制氫池的工作環境，另一方面材料組成的連續梯度變化可使各功能層相容性更好，避免因材料組成變化過大帶來的開裂、分層等現象，提高了成品率。梯度孔隙率結構一方面使各功能層的孔隙率更匹配其電化學反應的需求，另一方面提高了電解質層和空氣電極的界面穩定性。通過有效進行元素含量和孔隙率的梯度調配，能兼顧電解水制氫池的電化學性能和運行穩定性。

也可以是，本發明中，采用所述氫電極層為支撐體，所述氫電極層為NiO、CeO₂或CuO中的至少一種與所述質子導體材料的混合材料，其厚度為0.5～1.0mm。