爱达荷州研究人员使燃料电池/电解槽更加高效和稳定

摘要：爱达荷国家实验室（INL）的研究人员和他们的同事正在制造一种称为质子陶瓷燃料电池/质子陶瓷电解电池（PCFC/PCEC）的电化学能量转换装置。这些设备可能很快帮助氢气在国家的能源未来中发挥重要作用。研究人员从含有关键材料合成所需元素和化合物的粉末开始，

在爱达荷州爱达荷福尔斯的一个不起眼的实验室里，Wei Tang、Wenjuan Bian 和 Dong Ding 从头开始制造高度复杂的先进能源材料。

爱达荷国家实验室（INL）的研究人员和他们的同事正在制造一种称为质子陶瓷燃料电池/质子陶瓷电解电池（PCFC/PCEC）的电化学能量转换装置。这些设备可能很快帮助氢气在国家的能源未来中发挥重要作用。研究人员从含有关键材料合成所需元素和化合物的粉末开始，将它们混合在一起，然后将它们制造成比晶圆薄的多层夹层，形成陶瓷电化学器件的结构。

PCFC/PCEC 本质上是相同的设备，只是以相反的方向运行。在燃料电池（PCFC）模式下，该装置消耗阳极中的氢气，并从阴极中的空气中吸收氧气形成水并发电。在电解池（PCEC）模式下，该装置将水和电转化为氢气和氧气。

PCFC/PCEC作方案。

这两种不同的模式可以为公用事业提供显着的灵活性。当电网电力充足且价格较低时，该设备可以将蒸汽和电力转化为氢气，可以储存或用于工业化学品生产。当电力稀缺且价格高昂时，电池可以反向运行并将储存的氢气转换回电能。

这些设备对许多工业过程还有另一个宝贵的好处：与氧离子导电电池相比，氧离子导电电池在燃料电池模式下在 H2 侧产生水分子，或者在电解模式下在氢气侧进气，PCFC/PCEC 设备在空气侧产生或进水。这避免了昂贵的燃料循环或氢气净化步骤。

研究人员设计了一种制造这些细胞的方法，克服了几个关键挑战。研究结果发表在备受推崇的《自然综合》杂志上。

美国能源部氢能和燃料电池技术办公室通过质子陶瓷电化学电池计划资助了该项目。

为了通过高温蒸汽电解将廉价的热量（以发电厂（包括核电站）的蒸汽形式）和电能转化为高价值的氢气，研究人员必须使这些电池高效、耐用且具有成本效益。

虽然过去版本的电池在燃料电池方向上运行良好（即将氢气转化为电能），但由于高效制氢所需的高浓度蒸汽，它们在制氢模式下变得不稳定。

为了提高技术的稳定性，研究人员修补了多层陶瓷夹层并想出了一个解决方案。

用于构建 PCEC 设备的基本材料是一种称为钙钛矿的陶瓷。该系列化合物具有晶体结构，对成分改性具有很高的耐受性，允许其物理和化学性质发生相应的变化。钙钛矿及其同类产品广泛应用于各种能源技术，包括燃料电池和太阳能电池板。

研究人员试图使用两个陶瓷层在高温下烧结（连接在一起）来构建 PCEC。然而，根据所用陶瓷的类型，氢气生产效率或长期耐用性都会受到影响。

最先进的陶瓷质子导电电解质包括BaCeO3、掺杂土元素（即钇、镱）的BaZrO3及其固溶体BaZrxCe1-xO3。富铈钙钛矿电解质通常表现出较高的电导率，但在酸性环境（如蒸汽）中的化学稳定性较差。高蒸汽压力腐蚀的解决方案是使用不含 Ce 的钙钛矿电解质，例如 BaZr0.8Y0.2O3−δ （BZY），它在水电解过程中的高蒸汽条件下更加稳定。

尽管 BZY 是 PCEC作的最佳候选者，但它很难烧结成致密形式。这一缺陷增加了加工成本并对电化学电池的性能产生负面影响。

为了克服这些挑战，研究人员进行了一种新颖的结构工程设计。他们重新设计了半电池多层结构：将高烧结性电解质BaCe0.7Zr0.1Y0.2O3−δ（BCZY）与氧化镍（BCZY+NiO）共混作为支撑层，并使用缓冲层（BZY+NiO）来减少支撑层和电解质之间的烧结失配。

这些修改创建了设备的四层，包括：多孔空气/蒸汽电极;由钡、锆和钇（BZY）制成的薄钙钛矿氧化物电解质;由BZY电解质和氧化镍（BZY+NiO）制成的功能层;以及钡、铈、锆、钇和氧化镍（BCZY + NiO）的支撑层。

高烧结活性支撑层有助于在低得多的温度下使电解质致密化。附加的功能层还通过防止铈扩散到电解质中来提高性能，这在高蒸汽条件下会导致不稳定。

此外，功能层降低了高烧结活性支撑层相对于电解质的收缩应力，这也提高了电池在较高温度下的结构稳定性。

由此产生的电化学电池在提供给电解池的电力将蒸汽转化为氢气的效率（称为法拉第效率）方面表现出更好的性能。换句话说，新电池具有更高的制氢率。

“这种材料可以传导更多的离子，并在高蒸汽气氛下减少制氢的电子泄漏，这对陶瓷电解槽来说是一个恶劣的条件，”卞说。“这里更高的导电性和更长的使用寿命意味着更好的性能。我们的设备显示出最佳的制氢性能。实现卓越的性能和长寿命通常很困难，但我们通过结构设计和工程取得了成功。

这种材料允许将更多的蒸汽形式的水添加到系统中。“法拉迪克的效率要高得多，”唐说。“有了这种高电流密度，产生氢气的效率更高。能源浪费更少，制氢率更高，能源效率更高。

制作这些高度复杂的细胞与在厨房烘焙并不完全不同。首先，将成分——钡、铈、锆和钇的前体——倒入搅拌机中。在这种情况下，混合器是行星球磨机，可以混合粉末并分解粒径以获得更好的均匀性。该混合物被煅烧用于陶瓷电解质材料的合成。

然后将与氧化镍、有机溶剂和功能添加剂混合的电解液浇铸到薄膜上并烘烤。结果是在半透明塑料片上涂上令人愉悦的绿色薄膜——与水果卷零食没有太大不同。然后将不同的陶瓷薄膜叠加在一起，并在 1,450 摄氏度下再次加热——将材料连接在一起的烧结过程。

该团队已使用这项技术成功地将电池放大到 25 cm² 电池，这是弥合小型纽扣电池与将用于全尺寸工业设备的电池堆之间的差距的关键一步。研究人员现在专注于将该技术提升到更高的准备水平。

如果他们的努力成功，该设备可能会在国家能源的未来中发挥重要作用，氢气是重要的化学前体、能源储存和运输介质以及燃料。

“PCEC 绝对是中间温度下的游戏规则改变者，”自 2016 年以来一直主张建立 PCEC 计划的 INL 项目经理兼理事会研究员 Ding 说。“在这个温度范围内运行可以使用具有成本效益的材料，并且可以减轻通常在较高温度下出现的快速降解。这是降低成本和使技术可行商业化的关键。先进的制造技术对于克服 PCEC 技术的放大挑战至关重要，我们在 INL 取得了巨大的进展”

除了生产氢气外，PCEC还可以作为工艺强化化工品和燃料生产的广泛应用平台，例如天然气升级、一氧化碳转化和氨合成，通过改变原料和定制催化剂。“我们正在与不同规模的产业合作伙伴密切合作，”丁说。

Battelle Energy Alliance 为美国能源部核能办公室管理 INL。INL 是美国的核能研究与开发中心，还在能源部的每个战略目标领域进行研究：能源、国家安全、科学和环境。欲了解更多信息，请访问 www.inl.gov。

在社交媒体上关注我们：Facebook、Instagram、LinkedIn 和 X。