[發明專利]一種增強水蒸氣電解制取氫氣的方法

在審

• 申請號: 202210284809.6
• 申請日: 2022-03-23
• 公開（公告）號: CN114657578A
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發明（設計）人: 甘麗珍;許藝紅
• 申請（專利權）人: 福建農林大學
• 主分類號: C25B1/042
• 分類號: C25B1/042;C25B1/50;C25B9/19;C25B11/042;C25B11/047
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 林文弘;蔡學俊

本申請公開了一種增強水蒸氣電解制取氫氣的方法，所述方法基于固體氧化物電解池；所述固體氧化物電解池的陰極和陽極之間的電壓為0.8?3.0V，陰極獲得的氧離子在所述固體氧化物電解池的陽極與空氣或二氧化碳接觸反應；所述固體氧化物電解池要事先在經過含H₂的氣體進行還原；所述的固體氧化物電解池經過還原后析出的金屬顆粒形成三相界面；所述方法中固體氧化物電解池的陰極在750?900℃的溫度下獲得的氣體中氫氣的生成速率達到1.16?3.37ml min^?1 cm^?2。通過利用析出的金屬顆粒促進水蒸氣電解形成氫氣，大幅度增強催化效果，提高產氫效率，對可再生綠色燃料存儲和環境可持續發展具有十分重要的意義。

技術領域

本發明涉及一種增強水蒸氣電解制取氫氣的方法，屬于電化學領域。

背景技術

氫氣以其清潔、高效、原材料儲量大等優點受到越來越多的關注，已成為許多國家開發的新型能源載體。目前，氫氣的主要來源是天然氣、煤炭和其他化石燃料，但生產過程仍會排放大量二氧化碳。電解水蒸氣制氫具有工藝簡單、氫氣純度高等優點，被認為是制取氫氣的最終方向。而在各種電解水制氫方法中，固體氧化物電解池（SOEC）由于其電能消耗低，能量轉換效率高等優勢脫穎而出。近年來，已有相當多關于不同催化劑對電解水蒸氣制取氫氣性能的研究，例如：YSZ-Ni。盡管已經取得相對不錯的進展，然而迄今為止，利用SOEC電解水制氫氣仍面臨著條件苛刻，催化劑容易積碳，催化活性低和電池運行持續時間短等困境。

SOEC在電解水中的應用始于19世紀80年代，美國愛達荷州工程與環境國家實驗室在2004年首次報道了單電池電解水蒸氣制氫。此后，丹麥國家實驗室制備的單電在1.48V電壓下可以達到3.6A cm^-2的電流密度。他們還研究了SOEC電解水蒸氣的長期穩定性，發現在0.5A cm^-2的電流下，運行2500小時后衰減率為2% 1000h^-1。清華大學核能與新能源技術研究所也開展了電解關鍵材料和系統熱力學的研究。他們生產的BSCF-SDC/YSZ/Ni-YSZ電池在1.4V下可以使氫氣的生成速率達到147.2 ml cm^-2 h^-1。可見，電解水蒸氣制氫氣的效率一直處于較低水平，因此，開發一種高效穩定的電解水蒸氣制氫氣的技術十分必要。

發明內容

根據本申請的一個方面，提供了一種方法用于高溫電解水蒸氣高效制取氫氣的方法。固體氧化物電解池的催化劑，即LSF含有金屬離子，經過還原后析出的金屬鐵顆粒形成金屬-氧化物界面（即金屬及其氧化物共存），再與電解質和通入的氣體構成固液氣共存的三相界面。析出的金屬顆粒有利于增強催化劑對水蒸氣的吸附，促進水蒸氣電解形成氫氣，大幅度增強催化效果，提高產氫效率，對可再生綠色燃料存儲和環境可持續發展具有十分重要的意義。

所述的用于增強水蒸氣電解制取氫氣的方法以固體氧化物電解池為基礎；

所述固體氧化物電解池的外加電壓為0.8-3.0V，其中從陰極獲得的氧離子在所述固體氧化物電解池的陽極一側與空氣或二氧化碳接觸反應；

所述方法中固體氧化物電解池的陰極在750-900℃的溫度下獲得的氣體中氫氣的生成速率達到1.16-3.37ml min^-1 cm^-2。

可選地，所述溫度的上限為900℃、850℃或800℃；下限選自850℃、800℃或750℃。

可選地，所述的增強水蒸氣電解制取氫氣的方法，是利用電池中催化劑LSF含有的金屬離子，經過還原形成納米金屬顆粒，與陶瓷材料基底LSGM及通入的氣體構成一種固液氣共存的三相界面，通過調節催化劑中金屬離子的含量增強界面的催化活性。

可選地，所述電壓的上限選自1.6V、1.7V、1.8V、1.9V、2.0V、3.0V；下限選自0.8V、1V、1.1V、1.2V、1.3V、1.4V。