陳 婷，王紹榮

(中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，上海 200050)

固體氧化物電解池電解水研究綜述

陳 婷，王紹榮

(中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，上海 200050)

可再生能源一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。氫能是一種無(wú)污染的可再生能源，在所有的制氫方法中，只有電解水是最潔凈地將可再生能源轉(zhuǎn)化為電能的方法。采用固體氧化物電解池電解高溫水蒸氣制備氫氣，具有高效、潔凈、環(huán)保的特點(diǎn)，還可以克服傳統(tǒng)低溫電解水制氫的缺點(diǎn)。主要介紹了固體氧化物電解池電解高溫水蒸氣的工作原理、電解池結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵材料，綜述了近幾年國(guó)內(nèi)外SOEC電解水的應(yīng)用研究進(jìn)展，并總結(jié)了增強(qiáng)SOEC循環(huán)穩(wěn)定性和提高產(chǎn)氫率所亟待解決的問(wèn)題。

固體氧化物電解池；氧電極；產(chǎn)氫率；穩(wěn)定性

0 前 言

能源危機(jī)和生態(tài)環(huán)境的惡化是當(dāng)今世界面臨的兩大難題?？稍偕茉茨芰康拇鎯?chǔ)對(duì)未來(lái)可持續(xù)發(fā)展尤為重要，而氫能是一種無(wú)污染的可再生能源，將是未來(lái)十分具有競(jìng)爭(zhēng)力的一種儲(chǔ)能載體。固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cells，SOFC)是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的一種新型的、潔凈的發(fā)電裝置，固體氧化物電解池（Solid Oxide Electrolysis Cells，SOEC）則是將電能和熱能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的儲(chǔ)能裝置，它的運(yùn)行過(guò)程是SOFC的逆過(guò)程。最近幾年SOEC吸引了眾多研究者的興趣，主要是因?yàn)樗葌鹘y(tǒng)的低溫制氫方法更高效、更有實(shí)際意義。利用固體氧化物電解池的高溫水蒸氣電解(High Temperature Steam Electrolysis，HTSE)技術(shù)能夠克服低溫電解水制氫技術(shù)的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高效制氫。如果基于SOFC上的SOEC能夠取得突破性的發(fā)展，將其與SOFC綜合起來(lái)，利用這種裝置實(shí)現(xiàn)制氫和發(fā)電的循環(huán)，達(dá)到儲(chǔ)能的目的，這對(duì)解決能源危機(jī)和環(huán)境污染極具意義[1-3]。

1 SOEC的工作原理

SOEC電解水的工作原理如圖1所示。SOEC電解水蒸氣的反應(yīng)是氫氧燃料電池反應(yīng)的逆反應(yīng)。電解時(shí)，在電解池陰陽(yáng)極兩側(cè)施加一定的直流電壓，水蒸氣分子在氫電極側(cè)（陰極側(cè)）從外電路得到電子被分解為H2和O2-，產(chǎn)生的H2從氫電極逸出，O2-則通過(guò)致密電解質(zhì)遷移至氧電極側(cè)(陽(yáng)極側(cè))，失去電子生成氧氣。

SOEC高溫電解水的反應(yīng)方程為：

氫電極：

圖1 SOEC工作原理Fig.1 Operational principal of SOEC

氧電極：

總反應(yīng)：

2 SOEC的關(guān)鍵材料

SOEC的材料基本與SOFC的材料相同。其電解質(zhì)要求具有高的離子電導(dǎo)率，低的電子電導(dǎo)率，良好的穩(wěn)定性，與其他材料的相容性和高度的致密性等。目前應(yīng)用最普遍的電解質(zhì)是致密離子導(dǎo)體釔穩(wěn)定的氧化鋯(Yttria Stabilized Zirconia，YSZ)。這種材料在800～1000℃下具有高的離子導(dǎo)電性和熱化學(xué)穩(wěn)定性。其他材料如鈧穩(wěn)定的氧化鋯(Scandia Stabilized Zirconia，ScSZ)、CeO2基電解質(zhì)、鎵酸鑭基電解質(zhì)等的應(yīng)用也比較多。ScSZ具有最高的氧離子電導(dǎo)，但價(jià)格較貴。對(duì)于CeO2基電解質(zhì)，高外加電壓下，Ce4+可被還原為Ce3+，使離子遷移數(shù)下降，最終導(dǎo)致電解不穩(wěn)定。La1-xSrxGa1-yMgyO3(LSGM)電解質(zhì)有優(yōu)異的中低溫氧離子電導(dǎo)率，但其與電極材料存在相容性問(wèn)題。目前研究重點(diǎn)集中在與氧電極材料的相容性和電解質(zhì)的薄膜化。

對(duì)于氫電極(在電解中是陰極)，要求有足夠高的電子、離子導(dǎo)電率，良好的穩(wěn)定性，與電解質(zhì)或其它電池部件的化學(xué)相容性，合適的孔隙率，還要具備較好的催化活性，目前多用Ni-YSZ金屬陶瓷。Ni-YSZ在SOEC模式下運(yùn)行時(shí)，Ni易被氧化為NiO，造成性能的衰減。另外一些材料如Ni納米粒子分散的SDC(Sm doped Ceria)、鈦酸鹽/CeO2復(fù)合材料、La1-xSrxCr1-yMnyO3-等也應(yīng)用在氫電極中。以SOEC模式運(yùn)行時(shí)，氫電極處于高水蒸氣含量氣氛，氫氣含量較小，在高電流密度和高蒸汽濃度下運(yùn)行時(shí)性能很容易發(fā)生衰減，所以其對(duì)穩(wěn)定性的要求更高。因此氫電極的衰減機(jī)理是研究的重點(diǎn)之一。

對(duì)于氧電極(陽(yáng)極)，它是產(chǎn)生氧氣的場(chǎng)所，要求有足夠高的電導(dǎo)率，較好的化學(xué)穩(wěn)定性，與其它材料的相容性和熱膨脹系數(shù)匹配性，還要有較好的催化性能和合適的孔隙率?，F(xiàn)應(yīng)用最多的材料是La1-xSrxMnO3-δ(LSM)和YSZ的復(fù)合材料。其在電解運(yùn)行時(shí)，電極/電解質(zhì)界面的高氧分壓使氧電極容易分層。目前大量的研究證明，LSM由于氧空位濃度低，表現(xiàn)出非常低的析氧活性，造成與電解質(zhì)的脫層問(wèn)題。因此，人們提出了不同的電極材料，如La0.8Sr0.2FeO3(LSF)、La0.8Sr0.2CoO3(LSC)、LSCF(鑭鍶鈷鐵)和LSCuF(鑭鍶銅鐵)、Nd2NiO4+δ和Sr2Fe1.5Mo0.5O6-δ(SFM)等。

盡管現(xiàn)在SOEC所用的材料與SOFC基本相同，我們也應(yīng)當(dāng)考慮電解的運(yùn)行條件對(duì)材料壽命的影響，因?yàn)槟Ｊ揭呀?jīng)發(fā)生徹底的變化。亟待重視的問(wèn)題是燃料(陰)極附近的高蒸汽濃度，在電解質(zhì)/氧(陽(yáng))電極界面的高氧分壓?jiǎn)栴}和高電壓下氧化鋯基電解質(zhì)存在電子傳導(dǎo)等問(wèn)題。

3 SOEC的發(fā)展?fàn)顩r

SOEC電解水制氫的概念始于1960年左右，Spacil等人對(duì)SOEC高溫電解水的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了初步研究，同時(shí)考察了SOEC的組成材料、電池制備工藝和結(jié)構(gòu)對(duì)電解性能的影響[4，5]。1980年，這項(xiàng)技術(shù)就吸引了眾多的研究者，Dornier System GmbH發(fā)布了電解質(zhì)支撐的管式SOEC[6]，其單電池在1.07 V下運(yùn)行了很長(zhǎng)一段時(shí)間，電流密度為-0.3 Acm-2，法拉第效率為100%。此外，西屋電氣公司研究和開發(fā)中心對(duì)SOEC也作了研究。他們報(bào)道了在1003℃下運(yùn)行的7個(gè)電池堆的比面積電阻，每個(gè)電池為0.6 Ωcm-2。2004年，美國(guó)愛達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和Ceramatec公司模擬第四代反應(yīng)堆提供的高溫進(jìn)行SOEC電解制氫的實(shí)驗(yàn)，其制氫的效率可以達(dá)到45～52%。該實(shí)驗(yàn)室組裝的SOEC電堆以Ni-YSZ為氫電極，ScSZ為電解質(zhì)，LSM為氧電極，25個(gè)單電池組成的電堆運(yùn)行超過(guò)1000 h，制氫速率可達(dá)160 NL/h[7]。

SOEC的研究在近十年來(lái)以指數(shù)形式增長(zhǎng)。美國(guó)、丹麥、日本、德國(guó)、英國(guó)等目前對(duì)其都有相關(guān)的研究，研究的重點(diǎn)是發(fā)展新型材料，提高性能，降低材料成本。主要是優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，制備出耐用、高效的第二代SOEC電解池。國(guó)內(nèi)SOEC的研究處于起步階段，清華大學(xué)近幾年在SOEC電解效率、電極極化和陰極優(yōu)化等方面進(jìn)行了探索，此外中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、華南理工大學(xué)也對(duì)SOEC電解水方面作了相關(guān)研究。

4 近年研究進(jìn)展

近年，對(duì)SOEC氧電極的研究主要集中在LSM的脫層問(wèn)題上。

M.A. Laguna-Bercero等人[8]制備了Ni-YSZ/YSZ/LSM-YSZ結(jié)構(gòu)的微管電池，通過(guò)EDX分析和顯微拉曼光譜分析，在YSZ/LSMYSZ界面觀察到空穴會(huì)促使電極破裂，過(guò)量的O2會(huì)引起氧電極分層和極化電阻增加。分析認(rèn)為氧電極的脫層與發(fā)生在電解質(zhì)和氧電極界面的高氧分壓有關(guān)；在高電流密度下，電池性能易惡化。Kongfa Chen等人[9]研究了LSM氧電極的失效機(jī)理。在800 ℃，電流密度500 mAcm-2下，運(yùn)行48 h后極化和歐姆電阻會(huì)增加，在LSM/YSZ界面有納米團(tuán)簇形成。他們分析納米顆粒的形成是因氧離子從YSZ電解質(zhì)轉(zhuǎn)移到LSM晶界，納米團(tuán)簇的形成導(dǎo)致分層。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，衰減的LSM顆粒與YSZ接觸，是LSM氧電極失效的原因。

康涅狄格大學(xué)的Michael Keane等人[10]為了進(jìn)一步了解SOEC陽(yáng)極分層以及陽(yáng)極和電解質(zhì)界面的化學(xué)和形貌的變化，制備了直徑25 mm的對(duì)稱紐扣電池(air/LSM/YSZ/LSM/air)，旨在研究SOEC模式下LSM-YSZ的相互作用和陽(yáng)極分層的機(jī)理。電池陰極和陽(yáng)極都采用絲網(wǎng)印刷法涂在電解質(zhì)上(陰極直徑為20 mm，陽(yáng)極直徑為10 mm)，陽(yáng)極比陰極直徑小是為了保證測(cè)試時(shí)陽(yáng)極能表現(xiàn)全部的電化學(xué)活性。對(duì)電池在不同外施電壓(0～0.8 V)下的電化學(xué)性能作了測(cè)試。隨著測(cè)試時(shí)間的增加，歐姆電阻和非歐姆電阻逐漸增大。非歐姆電阻的增加主要是由于三相界面的減少。他們分別在0 V、0.3 V、0.5 V、0.8 V下測(cè)試對(duì)稱電池100 h，觀察SEM圖像，發(fā)現(xiàn)隨著電壓的增加，LSM/YSZ界面形成的新相La2Zr2O7逐漸增多，且YSZ晶界的孔隙度逐漸增多。最后，他們還對(duì)LSM/YSZ界面的形貌隨電壓的變化作了分析，觀察到隨著電池的運(yùn)行，氧離子從陰極轉(zhuǎn)移到陽(yáng)極/電解質(zhì)界面，產(chǎn)生O2，使界面處于高氧分壓狀態(tài)，導(dǎo)LSM/YSZ界面不斷產(chǎn)生La2Zr2O7，堆積在LSM/YSZ界面，而La2Zr2O7的熱膨脹系數(shù)比LSM和YSZ都要低，從而導(dǎo)致LSM與YSZ電解質(zhì)的脫層。陽(yáng)極/電解質(zhì)界面的生長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致陽(yáng)極從電解質(zhì)表面分層，新提出的機(jī)理包括復(fù)合界面的形成、YSZ晶界孔隙度的發(fā)展和其它形貌的變化。

針對(duì)SOEC模式下的LSM/YSZ界面存在的分層問(wèn)題，康涅狄格大學(xué)的Na Li等人[11]提出了新的解決辦法，利用錳對(duì)YSZ電解質(zhì)表面進(jìn)行修飾改性，減緩LSM陽(yáng)極的分層。他們采用兩種不同的方法對(duì)YSZ界面進(jìn)行了修飾，一種是固態(tài)擴(kuò)散法，將YSZ基底嵌入MnO2粉末中，在1250 ℃熱處理2 h。另一種是采用sol-gel法制備Mn-YSZ薄膜涂層，然后涂覆在YSZ電解質(zhì)上，1250 ℃熱處理2 h。制備的兩種電池在840 ℃、300 cm3流動(dòng)空氣下運(yùn)行200 h后，進(jìn)行XRD、EDS、SEM表征和電化學(xué)測(cè)試，觀察到采用sol-gel法制備的Mn-YSZ/LSM界面沒有發(fā)生脫層現(xiàn)象，且界面處形成的La2Zr2O7明顯減少。而采用固態(tài)擴(kuò)散法制備的陽(yáng)極LSM與YSZ完全脫離。研究表明采用sol-gel方法制備的Mn-YSZ能減少陽(yáng)極分層，Mn改性的電解質(zhì)表面通過(guò)減少M(fèi)n從LSM擴(kuò)散到Y(jié)SZ，能減少鋯酸鑭的形成。提出多孔sol-gel涂層能阻止高氧分壓的建立，緩和陽(yáng)極分層。但其在SOEC模式下運(yùn)行的長(zhǎng)期穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步研究。

清華大學(xué)的Wenqiang Zhang等人[12]對(duì)Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(BSCF)陽(yáng)極和SDC阻擋層作了研究。文中提出一種新的方法，在Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ陽(yáng)極和YSZ中間加一層SDC阻擋層，以避免其在高溫下的固相反應(yīng)。他們制備了BSCF-SDC/YSZ/SDC-BSCF對(duì)稱電池和BSCF-SDC/YSZ/Ni-YSZ單電池，測(cè)試結(jié)果表明，在850 ℃，BSCF-SDC/YSZ的ASR為0.42 Ωcm2，使用BSCF-SDC陽(yáng)極產(chǎn)氫率達(dá)177.4 ml·cm-2·h-1，電池性能穩(wěn)定。

還有人研究了不同電極材料Ni-YSZ、Ni-GDC、Ni/Ru-GDC在不同運(yùn)行條件下，如水電解、CO2電解、H2O/CO2共電解等模式下的性能，研究對(duì)比了LSM-YSZ、LSCF、LSF陽(yáng)極的性能。得出Ni/Ru-GDC共電解性能最高，LSCF＞LSF＞LSM-YSZ的活性順序[13]。

SOEC的陽(yáng)極材料除了對(duì)LSM和BSCF有研究外，該領(lǐng)域的研究者還對(duì)La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3（LSCF）作了研究。Y.Tao等人[14]制備了YSZ電解質(zhì)/SDC中間層/LSCF+SDC/LSCF電荷收集層結(jié)構(gòu)的單電池，測(cè)試得到的電化學(xué)性能比LSCF+SDC單層電極和LSCF單層電極的性能都要優(yōu)異，表明雙層氧電極的可行性。

近來(lái)，丹麥技術(shù)大學(xué)的Per Hjalmarsson等人[15]制備了兩種不同氧電極的單電池，LSM-YSZ氧電極和LSCF-CGO氧電極，旨在研究氧電極和中間擴(kuò)散層在SOEC模式下運(yùn)行材料的惡化。電池在800 ℃，-1.5 Acm-2的恒電流，H2O/CO2=1∶1，轉(zhuǎn)化率為60%下放電；測(cè)試結(jié)果表明LSCF電極比LSM-YSZ電極更穩(wěn)定，YSZ電解質(zhì)裂紋的擴(kuò)展沒有LSCF電極劇烈。雙層YSZ/CGO電解質(zhì)電化學(xué)性能更穩(wěn)定。采用中間擴(kuò)散阻擋層CGO能減少YSZ內(nèi)部顆粒的形成，降低極化電阻，而且SOEC在高電流密度下YSZ電解質(zhì)的穩(wěn)定性與Ni∶YSZ燃料電極的比值有關(guān)。韓國(guó)的Moon-Bong Choi等人[16]也研究了Ce0.9Gd0.1O2阻擋層在可逆SOEC下的性能。制備三種類型電池：NiO-YSZ/YSZ/ GDC/LSCF，NiO-YSZ/NiO-YSZ/YSZ/GDC/ LSCF，NiO-YSZ/NiO-YSZ/YSZ/GDC/ LSCF-GDC。結(jié)果表明，LSCF比LSCF-GDC性能更好，但LSCF-GDC比LSCF更穩(wěn)定，該文獻(xiàn)還發(fā)現(xiàn)其可逆性很弱，主要是由于LSCF基氧電極的晶界生長(zhǎng)。

為了進(jìn)一步了解在SOEC模式下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，F(xiàn).Tietz對(duì)LSCF/CGO/YSZ/Ni-YSZ結(jié)構(gòu)的單電池運(yùn)行了9000 h。通過(guò)顯微分析觀察到，晶界有大量的孔洞形成，在電化學(xué)活性區(qū)域形成再結(jié)晶的LSCF。而且CGO擴(kuò)散阻擋層有離子通過(guò)。運(yùn)行9000 h，主要是想了解電解狀態(tài)下材料的衰減問(wèn)題，結(jié)果表明，熱循環(huán)和SOEC運(yùn)行條件的改變對(duì)電池的壽命影響較大[17]。

由此可知，影響SOEC制氫技術(shù)的一個(gè)重要因素就是氧電極與電解質(zhì)脫層的問(wèn)題。而解決脫層問(wèn)題主要是提高陽(yáng)極/電解質(zhì)界面在高氧分壓濃度下的穩(wěn)定性，研究者在這方面想了很多辦法，比如在對(duì)電解質(zhì)進(jìn)行改性、表面修飾，或者在陽(yáng)極和電解質(zhì)中間加一層阻擋層，旨在減緩其在SOEC模式下分層、性能衰減的現(xiàn)象，提高材料穩(wěn)定性。

Ni-YSZ金屬陶瓷是SOEC的首選氫電極材料，但研究發(fā)現(xiàn)，在高電流密度和高蒸汽濃度下，Ni易被氧化為NiO，導(dǎo)致電催化活性降低，電池?zé)岱€(wěn)定性差。近兩年，科研工作人員對(duì)SOEC氫電極的研究主要集中在對(duì)Ni-YSZ進(jìn)行優(yōu)化和開發(fā)新材料[18]。美國(guó)南卡羅萊納大學(xué)的Yu Chen等人[19]在Ni-YSZ氫電極中浸漬Mo0.1Ce0.9O2+δ，能夠提高三相界面長(zhǎng)度，提高電導(dǎo)性，其在SOFC和SOEC模式下運(yùn)行性能穩(wěn)定，且具有很好的抗硫性。清華大學(xué)的Xue Wang等人[20]也研究了SOEC制氫時(shí)陰極/電解質(zhì)界面結(jié)構(gòu)修飾。開發(fā)了一種新型的界面改性方法，在致密電解質(zhì)上制備一層多孔電極，獲得高性能的Ni-YSZ/YSZ界面。該作者對(duì)YSZ電解質(zhì)預(yù)燒溫度、致密YSZ電解質(zhì)膜厚度的影響，多孔YSZ層微結(jié)構(gòu)的制備和單電池性能測(cè)試作了研究。優(yōu)化后，在850℃、1.072 V、9 μm多孔YSZ上制備4μm致密的YSZ電解質(zhì)膜。電化學(xué)性能性能測(cè)試表明，在SOEC模式下，電壓為1.5 V，電流密度從-0.681 Acm-2增加到-1.118 Acm-2，增加了活性電極面積和電解性能。他們還研究了SOEC致密YSZ薄膜的制備和電化學(xué)性能。在多孔NiOYSZ上制備氣密性好的YSZ薄膜，減少電解質(zhì)的歐姆阻抗，發(fā)現(xiàn)預(yù)燒溫度1000 ℃，YSZ燒結(jié)溫度1400℃，10～15μm的YSZ電解質(zhì)最適宜[21]。

Xiangling Yue等人[22]用LSCM/GDC復(fù)合材料做陰極，電解質(zhì)為8YSZ，氧電極為 LSM/ ScSZ，分別采用用于水電解和H2O/CO2共電解。以LSCM/GDC為陰極，當(dāng)蒸汽供給速率小于30 mL/min時(shí)，LSCM/GDC陰極有很大的擴(kuò)散電阻。P.K.Patro等人[23]開發(fā)并優(yōu)化了微結(jié)構(gòu)Ni-1Ce10ScSZ金屬陶瓷電極在SOEC上的應(yīng)用。制備1Ce10ScSZ電極，對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后能減小極化阻抗和電池衰減。結(jié)果表明，它的最適燒結(jié)溫度為1300 ℃，NiO∶1Ce10ScSZ = 60%∶40%，厚度約為35 μm。但該文獻(xiàn)沒討論性能衰減現(xiàn)象和水蒸氣濃度的影響。

除此之外，人們還對(duì)La0.5Sr0.5Ti0.75Ni0.25O3、NbTi0.5M0.5O4、Pr0.8Sr1.2(Co、Fe)0.8Nb0.2O4+δ合金氫電極等材料作了研究[24-26]。華南理工大學(xué)的Chenghao Yang等人制備以LSGM為電解質(zhì)，Ba0.9Co0.7Fe0.2Nb0.2O3-δ(BCFN)為氧電極，K2NiF4結(jié)構(gòu)的Pr0.8Sr1.2(Co、Fe)0.8Nb0.2O4+δ為氫電極的單電池，在絕對(duì)濕度為60%，900 ℃的高溫下電解，測(cè)試結(jié)果表明，極化電阻為0.31 Ωcm2，開路電壓為1.3 V，產(chǎn)氫量高達(dá)707 mL/cm2，且具有較好的穩(wěn)定性。該電池在氫氣含量較少甚至無(wú)氫氣狀態(tài)也可工作。

在眾多SOEC氫電極材料的研究中，很少有報(bào)道無(wú)Ni陶瓷材料作為SOEC陰極的，Pr0.8Sr1.2(Co、Fe)0.8Nb0.2O4+δ合金材料的研究為我們開發(fā)性能優(yōu)異的在SOEC和SOFC模式下運(yùn)行皆穩(wěn)定的氫電極材料提供了一個(gè)方向。

5 目前亟待解決的問(wèn)題

(1)怎樣能將SOFC與SOEC完美地結(jié)合，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能與放電的雙重應(yīng)用，怎樣提高其循環(huán)穩(wěn)定性，在兩種模式下自由切換，且保持材料性能穩(wěn)定。在SOFC模式下運(yùn)行要求性能穩(wěn)定、優(yōu)異，在SOEC模式下長(zhǎng)期運(yùn)行，要有高的產(chǎn)氫效率。

(2)確定SOEC關(guān)鍵材料的組成、結(jié)構(gòu)與衰減機(jī)理的關(guān)系。研究SOEC材料的結(jié)構(gòu)，開發(fā)新的電極結(jié)構(gòu)。

(3)對(duì)于SOEC氧電極脫層的問(wèn)題，加阻擋層，或?qū)SZ電解質(zhì)界面進(jìn)行修飾改性；采用新型材料，或在材料的制備方法上下功夫。對(duì)SOEC氫電極高蒸汽濃度問(wèn)題，緩解Ni被氧化為NiO，或采用無(wú)Ni陶瓷材料。

(4)怎樣有效利用外部熱能。

(5)對(duì)材料進(jìn)行優(yōu)化，運(yùn)行條件的優(yōu)化。降低成本，優(yōu)化制備工藝，制備出可商業(yè)化的SOEC裝置，最終能實(shí)現(xiàn)氫氣的大規(guī)模生產(chǎn)。

6 結(jié)論與展望

利用SOEC高溫水蒸氣電解制氫，具有效率高，能耗低的優(yōu)點(diǎn)。如果將風(fēng)能、太陽(yáng)能或者先進(jìn)核反應(yīng)堆作為SOEC的能量來(lái)源，有望實(shí)現(xiàn)氫氣的大規(guī)模制備。目前，SOEC的材料多采用傳統(tǒng)的SOFC的材料，產(chǎn)氫率較低。雖然近年來(lái)，新型電解質(zhì)材料如鑭鍶鎵鎂(LSGM)，電極材料如鑭鍶鈷鐵(LSCF)、鑭鍶銅鐵(LSCuF)、鎳酸鈮氧化物(NdNiO4+δ)、Pr0.8Sr1.2(Co、Fe)0.8Nb0.2O4+δ合金氫電極等方面取得了一些進(jìn)展，但這些具有新結(jié)構(gòu)的新材料應(yīng)用于SOEC高溫水蒸氣電解的長(zhǎng)期穩(wěn)定性還需進(jìn)一步研究。優(yōu)化SOEC的結(jié)構(gòu)和開發(fā)新型電極和電解質(zhì)材料，提高產(chǎn)氫率，開發(fā)新的SOEC裝置，是加快SOEC電解水商業(yè)化制氫的重要課題。開發(fā)集SOFC和SOEC功能于一體的能量轉(zhuǎn)換裝置，利用SOEC電解水制備氫氣，再以氫氣為燃料利用SOFC發(fā)電，將是今后研究的重點(diǎn)目標(biāo)。

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Water Electrolysis Using SOECs: A Review

CHEN Ting, WANG Shaorong
(Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China)

Renewable energy resources have attracted great interests in recent years. Hydrogen is a renewable energy source. Of all the methods of producing hydrogen, water electrolysis is probably the cleanest when it is combined with a renewable energy source to produce the electricity. Compared with the conventional low temperature water electrolysis process, which consumes a huge amount of electrical energy, high temperature steam electrolysis using solid oxide electrolysis cells (SOEC) can generate hydrogen with high effciency. In this paper, the cell structure, material selection and working principal of SOEC for water electrolysis are introduced. The recent developments on high temperature SOEC for water electrolysis are also reviewed. The improvement on recycle stability and development of novel materials for increasing the electrolysis effciency of SOEC are discussed as well.

solid oxide cell; oxygen electrode; hydrogen production rate; stability

TQ174.75

A

1000-2278(2014)01-0001-06

2013-09-02。

2013-09-18

陳 婷(1989-)，女，碩士研究生。

王紹榮(1964-)，男，博士，研究員

Received date:2013-09-02. Revised date:2013-09-18.

Correspondent author: WANG Shaorong(1964-),male,Ph.D., Professor.

E-mail: srwang@mail.sic.ac.cn