基于對稱雙陰極結(jié)構(gòu)平板電池的高溫電解研究取得進(jìn)展
隨著全球化石能源消費(fèi)量的迅猛增長，CO2排放量的不斷增加，全球氣候變暖、海洋變酸等一系列環(huán)境問題日益嚴(yán)重，如何有效控制溫室氣體排放、減緩環(huán)境問題已成為人類社會可持續(xù)發(fā)展面臨的共同難題。利用固體氧化物陶瓷材料作為電解池（Solid Oxide Electrolysis Cell，SOEC）的高溫共電解技術(shù)（high temperature co-electrolysis，HTCE）既可高效制備合成碳?xì)淙剂系脑蠚狻铣蓺猓–O+H2），又可以實(shí)現(xiàn)CO2的減排和有效利用，因此受到了各國研究者的廣泛關(guān)注。
固體氧化物電解池（SOEC）是一種能將熱能和電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能的能量轉(zhuǎn)換裝置，作為一種新的能源利用方式，其具有高效、潔凈、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，SOEC高的運(yùn)行溫度能夠降低電解過程中的電能需求，從而降低合成氣的成本，也提高了電極的動力學(xué)性能，有效降低了電解質(zhì)電阻，使電池性能損失更小。中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所氫能與燃料電池技術(shù)團(tuán)隊(duì)提出了一種對稱雙陰極結(jié)構(gòu)陽極支撐平板型電池，并成功研制了LSCF/GDC/Ni-YSZ/YSZ/Ni-YSZ/GDC/LSCF固體氧化物電解池，電池的抗氧化還原性能得到顯著增強(qiáng)，電解與共電解穩(wěn)定性進(jìn)一步提升。
近年來，國內(nèi)外的燃料電池研究者圍繞著SOEC共電解H2O/CO2的電解池運(yùn)行性能分析、SOEC的電極材料研究、共電解制合成碳?xì)淙剂舷到y(tǒng)的各部件模型化以及力學(xué)計(jì)算等各個(gè)研究熱點(diǎn)開展工作。研究團(tuán)隊(duì)在基于對稱雙陰極結(jié)構(gòu)平板電池的基礎(chǔ)上，考察了不同工況對SOEC共電解性能的影響，分析多孔電極內(nèi)共電解過程中的競爭電解行為；研究了SOEC燃料極的積碳特性，對比SOEC與SOFC模式下積碳程度和分布的差異性；同時(shí)，研究了共電解制取合成氣以及CH4的反應(yīng)特性，探索CH4生成反應(yīng)機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)溫度、極化電壓和電解反應(yīng)物的提高，可顯著加快多孔電極SOEC的電化學(xué)反應(yīng)速率，降低電池的極化阻抗，共電解過程中H2O的電解競爭能力強(qiáng)于CO2；降低溫度、增大極化電壓和提高H2分壓有利于共電解生成CH4。
圖1 SOEC電解H2O、電解CO2和CO2/H2O共電解電化學(xué)性能對比
圖2 SOEC電解H2O的IV曲線圖以及不同電壓下的產(chǎn)H2量
圖3 SOEC電解CO2循環(huán)過程中OCV變化情況圖以及不同循環(huán)次數(shù)下的阻抗圖
圖4 電極斷面厚度方向的C元素分布圖
（新能源所 吳傲路 楊鈞 官萬兵）