氢

Aenert. Research Laboratory news
固体氧化物燃料电池（SOFC）是将化学能转化为电能的新兴技术。 由于致力于提高 SOFC 稳定性和性能的大量研究工作，SOFC 技术在全世界范围内引起了迅速增长的兴趣。 与热化学和光催化方法相比，电解法具有较高的转化效率和相对较低的所需能量输入，是目前最有前途的水制氢方法。 固体氧化物电解槽电池以再生模式运行，通过使用固体氧化物或陶瓷电解质来实现水（和/或二氧化碳）的电解，产生氢气（和/或一氧化碳）和氧气。 电解池的一般功能是将蒸汽形式的水分解成纯H2和O2。 蒸汽被送入多孔阴极。 在蒸汽的影响下，它移动到阴极-电解质界面并被还原形成纯H2和氧离子。 然后氢气通过阴极扩散回来，并在其表面作为氢燃料收集，而氧离子则通过致密的电解质传导。

现在 (2023), OxEon Energy 在 NETL 的支持下，利用 NASA 的外行星研究，创建了一个稳定、强大且低成本的系统，能够在高压下生产氢气，这意味着清洁能源设备很快就可以商业化。 OxEon 的目标是建造一个固体氧化物电解池 (SOEC)，可以在 2 至 3 bar 的高压下产生氢气。 SOEC 的功能与固体氧化物燃料电池 (SOFC) 类似，但相反，通过电流将水从水中分解来产生氢气。

该项目致力于解决 SOEC 行业面临的共同挑战。 通过修改工艺和电池组件，他们设法提高电池性能和稳定性、燃料电极的氧化恢复、热循环的性能稳定性以及污染物影响的评估。

该研究包括对电池组进行 1,800 小时的测试，同时在 SOEC 和 SOFC 操作模式之间循环。 SOEC 模式下的降解率为每 1,000 小时 0.6%，SOFC 模式下的降解率为每 1,000 小时 0.3%。 SOEC 电极还在太平洋西北国家实验室进行了测试，将其暴露在蒸汽中过夜以完全氧化镍成分。 该团队只需施加电压即可完全恢复电池性能，无需提供外部氢气，展示了氧化恢复。 研究发现，将氢电极中的镍保持在金属状态，以便其在被自生氢氧化后能够恢复，这一点至关重要。 以前，循环回路条件的中断或紊乱可能会导致燃料电极永久的、不可修复的氧化。

该研究的另一项重要成果是，SOEC 电堆中的含锶层可以被消除，同时保留相同的初始电极性能，因为锶沉淀、迁移以及与其他电池组件的反应是 SOFC/SOEC 运行的已知退化机制。 多天的测试还表明，与含锶的电池相比，降解较少。

此外，测试的 SOEC 电堆结合了改进的燃料电极和氧电极上的无锶层。 镍基燃料电极氧化后，电池堆表现出性能完全恢复，且蒸汽入口中不需要氢气。 经过五个氧化恢复循环后，电池堆从工作温度到室温进行了五次深热循环。 该电池堆在每次热循环后都没有表现出性能损失，并保留了低降解特性。

科学家们一直在努力寻找新的制氢方法。 2022年，分析了在大气压下在固体氧化物电解池（SOEC）型反应器中由N2和H2O电化学合成氨的高温（600°C）。 工作电极的催化材料选择被发现是电化学过程中最重要的挑战之一。 在这项研究中，研究了由钙钛矿氧化物和氮氧化铁相组成的复合阴极。 使用 XRD、XPS、穆斯堡尔光谱、TPD/TPRxn 和 4 探针电导率技术对两个相进行了彻底表征。 在钙钛矿氧化物相和复合阴极上进行电催化活性实验，研究使用复合电极对电池活性的影响。

Image: XRD patterns of LSF72, LSF82 and LSF92



Source: Seval Gunduz, Dhruba J. Deka, Matt Ferree, Jaesung Kim, Jean-Marc M. Millet, Anne C. Co and Umit S. Ozkan/ Composite Cathodes with Oxide and Nitride Phases for High-Temperature Electrocatalytic Ammonia Production from Nitrogen and Water/ ECS Advances, Volume 1, Number 1, 28 April 2022/ DOI 10.1149/2754-2734/ac6618/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

2022 年，科学家分析了金属支撑固体氧化物电解池 (MS-SOEC) 纽扣电池性能评估的设置和测试方案。 此程序的目标是定义标准测试协议、描述材料选择并确定测试 MS-SOEC 纽扣电池的常见陷阱。 测试包括针对 MS-SOEC 的准备和操作细节、密封和测试设备材料的讨论、玻璃密封金属测试设备或陶瓷粘合剂密封氧化铝测试设备的替代密封和启动协议，以及讨论 非正常操作的后果。

研究的重点是 MS-SOEC 纽扣电池在各种操作条件下的可重复操作。 预制的金属支撑固体氧化物电解池通过蒸汽电极侧的导线连接到铂或镍网。 然后将电池密封在测试装置上（通常使用玻璃浆料或陶瓷粘合剂）。 氢气被加湿至特定的蒸汽含量，并通过加热管输送到测试装置。 然后操作 MS-SOEC。

Image: Schematic and photograph of a MS-SOEC test setup with a heated bubbler as the humidification system



Sources: Fengyu Shen, Martha M. Welander, Michael C. Tucker/ Metal-Supported Solid Oxide Electrolysis Cell Test Standard Operating Procedure/ Front. Energy Res., Sec. Process and Energy Systems Engineering, Volume 10 – 2022, 25 April 2022/  https://doi.org/10.3389/fenrg.2022.817981/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

通过 SOEC 生产氢气有几个优点： 该电池具有改进的性能和稳定性，可满足美国能源部成本和性能目标的要求，包括实现 40,000 小时的运行小时。 此外，这些对基线性能的逐步改进展示了低成本氢气生产的途径。

鉴于能源危机，廉价的制氢方法引起了极大的兴趣并且需求量很大。 国际研究正在为满足不断增长的氢经济的需求做出贡献。

编委会