用于H2O-CO2共电解的固体氧化物电解池新型氧电极材料及结构研究

摘要

固体氧化物电解池（SOEC）作为先进的能源转化装置，具有高转化效率和高能量利用率。SOEC高温共电解H2O和CO2制备合成气（H2和CO），能有效减少CO2排放，同时将清洁能源高效的存储在稳定的能源介质中，既解决了由于温室气体排放所引发的环境问题，又能更好的利用可再生能源。SOEC一般在较高的温度下运行（600~1000℃），可降低电解过程的耗能以及获得更高的转化效率。新能源技术产生的电能和工业过程中的废热维持SOEC的运行，用来制备氢气或合成气，可实现高效清洁的能量转换。SOEC与固体氧化物燃料电池（SOFC）互为逆过程，且有许多相似之处。但工作条件的不同，对SOEC各组件在材料选择及结构设计上提出更高的要求。此外，在共电解过程中，由于存在可逆的水气转化反应（Reverse Water Gas Shift，RWGS），使得电解过程变得十分复杂。因此，有必要研究符合SOEC工作条件的新型材料及电池结构，同时探索共电解反应过程及操作条件对其产生的影响，本文的主要研究如下： （1）通过聚合物辅助燃烧法制备出具有钙钛矿结构的混合离子电子导电材料La0.8Sr0.2Co0.8Ni0.2O3-δ（LSCN），研究了LSCN-GDC复合氧电极电池在SOFC模式下的电化学性能。在共电解H2O/CO2的研究中，电池表现出较好的电化学性能以及长期稳定性。通过探究不同电解原料气体组分下电池的性能，证实在共电解过程中H2O和CO2均发生了电解还原反应。 （2）在以LSCN材料为基础的前提下，为提升SOEC氧电极中氧析出反应（Oxygen Evolution Reaction,OER）活性，采用溶液浸渍法制备出LSCN浸渍GDC-LSM复合氧电极电池。在SOFC模式，800℃下运行时，电池的峰值功率密度达1057mW cm-2。在SOEC模式下共电解H2O和CO2时，800℃及1.5V电解电压下，电池的电流密度达1.54A cm-2。通过研究不同操作条件（气体组分、电解电压或电流、电解时间等）下电池性能的变化，揭示了共电解反应过程的规律性。在共电解过程中，虽然CO2有部分发生了电解反应，但CO2向CO的转化主要依靠RWGS反应的发生，而H2则主要由H2O的电解产生。通过共电解化学平衡模型，分析了电解产物与操作条件之间的关系。 （3）设计并制备了具有梯度孔隙结构的LSCN浸渍氧电极电池。测试结果表明，电池在SOFC和SOEC模式下的电化学性能均有所增长。SOFC模式下，800℃时，电池的峰值功率密度达到1.383Wcm-2；在共电解测试中，800℃，1.3V电解电压下，电池的电流密度可达1.548Acm-2。电池在400mAcm-2电解电流下共电解90h的测试过程中，电池的衰减速率为4.019×10-4V h-1，表明该材料体系和结构下的电池在共电解过程中具有较高的电化学性能及稳定性。

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