中國儲能網(wǎng)訊：近日，隸屬于韓國蔚山國立科技大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊成功研制出混合固態(tài)電解槽（Hybrid-SOEC）系統(tǒng)。據(jù)報道，該系統(tǒng)在制氫方面具有極高的電化學(xué)性能。對于廉價且高效地制氫，這種受推薦的系統(tǒng)是一個新的有希望的選擇。
背景
氫氣，在常溫常壓下，是一種極易燃燒，無色透明、無臭無味的氣體。它作為可以一種清潔高效的燃料使用。氫燃燒的產(chǎn)物是水，不會對環(huán)境造成任何污染。同時，氫燃燒的熱值高居各種燃料之冠，據(jù)測定，每千克氫燃燒放出的熱量為1.4*10^8J，為石油熱值的3倍多。
目前，氫燃料不僅在航空航天項目中用于推進(jìn)火箭，還可以用于新能源汽車，未來有望成為一種非常重要的可持續(xù)能源。如今，絕大多數(shù)的氫氣制備是通過一種稱為“甲烷水蒸氣重整”的工藝，從天然氣中提取出來，但缺點是它會同時釋放出二氧化碳。
然而，電解水也是產(chǎn)生氫氣的一種重要方法，而且不會生成二氧化碳。它將水（H2O）通過電流電解生成氧氣（O2）和可作為燃料的氫氣（H2）。電流通過水時，在陰極通過還原水形成氫氣；在陽極則通過氧化水形成氧氣，氫氣生成量大約是氧氣的兩倍。
（圖片來源：維基百科）
前不久，筆者介紹過美國哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院化學(xué)工程系助理教授 Daniel Esposito 的團(tuán)隊，采用太陽能光伏電池產(chǎn)生的電力進(jìn)行電解水，有望取代“甲烷水蒸氣重整”，成為制備氫燃料的下一代方法。
創(chuàng)新
近日，電解水制氫技術(shù)方面又有了新的突破。隸屬于韓國蔚山國立科技大學(xué)（UNIST）的聯(lián)合研究團(tuán)隊成功研制出混合固態(tài)電解槽（Hybrid-SOEC）系統(tǒng)。據(jù)報道，該系統(tǒng)在制氫方面具有極高的電化學(xué)性能。對于廉價且高效地制氫，這種受推薦的系統(tǒng)是一個新的有希望的選擇。因為相比于其他水電解系統(tǒng)來說，它的性能更加優(yōu)越，因此也備受各界關(guān)注。
UNIST 能源與化學(xué)工程學(xué)院的教授 Guntae Kim 與韓國能源研究所（KIER）教授 Tak-Hyoung Lim 以及淑明女子大學(xué)的教授 Jeeyoung Shin，合作領(lǐng)導(dǎo)了這項突破性研究。
（圖片來源：UNIST）
技術(shù)
固體氧化物電解槽（SOEC）由兩個電極和一種電解質(zhì)組成，它們?nèi)枪虘B(tài)的。它們被強(qiáng)烈推薦為制氫的一種新的候選方案，因為無需補(bǔ)充損失掉的電解質(zhì)，同時解決了腐蝕問題。除此之外，SOEC也可以工作在相對較高的溫度下（700-1000 °C），這樣也降低了電能損耗。
Kim 教授和他的研究團(tuán)隊正在尋找一種途徑，利用SOEC提高制氫的能量效率。在這項研究中，研究團(tuán)隊演示了一種基于混合離子的導(dǎo)電電解質(zhì)，讓電解水在氫氣電極和空氣電極上都能發(fā)生。
現(xiàn)有的SOEC電解質(zhì)只允許氫離子或者氧離子中的一種運輸?shù)狡渌姌O。例如，SOEC電解質(zhì)運輸氧離子，電解水發(fā)生于陽極，從而產(chǎn)生出氫氣；作為對比，SOEC電解質(zhì)運輸氫離子，水電解發(fā)生于陰極，從而生產(chǎn)出氧氣。在這里，氫氣從電解質(zhì)傳輸?shù)疥枠O。
理論上來說，采用氫離子和氧離子都可以運輸?shù)碾娊赓|(zhì)，能夠在電解槽的兩端，生產(chǎn)出兩種電解產(chǎn)品：氫氣和氧氣。這將極大提升氫氣生產(chǎn)率。在這項研究中，研究團(tuán)隊致力于控制電解質(zhì)的特性。
Kim 教授和他的研究團(tuán)隊報告了他們在開發(fā)基于混合離子導(dǎo)體的SOEC系統(tǒng)方面的新發(fā)現(xiàn)。這種混合離子導(dǎo)體可以同時傳輸氧離子和質(zhì)子，所以被稱為“Hybrid-SOEC”。
（圖片來源：UNIST）
與文獻(xiàn)中報道的其他SOEC系統(tǒng)和具有代表性的水基裝置相比，這種受推薦的系統(tǒng)在生產(chǎn)氫氣方面，需要更少的電力，同時具備卓越的電化學(xué)性能和穩(wěn)定性。更進(jìn)一步說，混合的SOEC系統(tǒng)的性能，在運行超過60小時后，不會出現(xiàn)可以觀察得到的退化，因此表明它在制氫方面是一個魯棒的系統(tǒng)。
價值
論文的首作者、能源和化學(xué)工程系博士生 Junyoung Kim 表示：“通過控制氫離子導(dǎo)電電解質(zhì)的運輸環(huán)境，實現(xiàn)了一種可以讓兩種離子通過的‘混合離子導(dǎo)電電解質(zhì)’。在首次引入這種電解質(zhì)的混合SOEC系統(tǒng)中，兩個電極上都會發(fā)生電解水，從而顯著提升了總的氫氣產(chǎn)量。
混合SOEC的電極采用了具有卓越電化學(xué)性能的層狀鈣鈦礦。通過在混合離子導(dǎo)電電解質(zhì)中添加一種卓越的電極材料，將提升電化學(xué)性能。因此，在電解槽電壓達(dá)1.5V和溫度達(dá)700 °C的條件下，相應(yīng)的氫氣產(chǎn)量為每小時1.9 L。該系統(tǒng)的氫氣生產(chǎn)效率是現(xiàn)有的水電解槽系統(tǒng)的4倍以上。
最后，讓我們再看一下SOEC系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)價值。如下圖所示：通過下一代可再生能源，例如太陽能和風(fēng)能提供能量，轉(zhuǎn)化為電力進(jìn)行電解水，產(chǎn)生的氫氣可用于氫燃料電池汽車。例如，一小時生成0.9升的氫氣，大約夠氫燃料電池汽車行駛25公里。
（圖片來源：UNIST）
關(guān)鍵字
氫氣、新能源、電解水
參考資料
【1】http://news.unist.ac.kr/a-new-strategy-for-efficient-hydrogen-production/
【2】Junyoung Kim, Areum Jun, Ohhun Gwon, Seonyoung Yoo, Meilin Liu, Jeeyoung Shin, Tak-Hyoung Lim, Guntae Kim. Hybrid-solid oxide electrolysis cell: A new strategy for efficient hydrogen production. Nano Energy, 2018; 44: 121 DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.11.074
