元素含量及孔隙率梯度变化的高温电解水制氢池及方法技术

一种元素含量及孔隙率梯度变化的高温电解水制氢池及方法，该高温电解水制氢池是利用电能将水蒸气电解制备氢气的反应装置；高温电解水制氢池形成为管状，包括由包含质子导体材料的材料构成的多个功能层，质子导体材料为BaCe1‑

【技术实现步骤摘要】
元素含量及孔隙率梯度变化的高温电解水制氢池及方法


[0001]本专利技术属于高温电解水蒸汽制氢
，具体涉及一种元素含量及孔隙率梯度变化的高温电解水制氢池及方法。

技术介绍

[0002]能源与环境问题是制约我国乃至全球经济可持续发展的瓶颈。氢气由于具有资源丰富、来源多样、环保、可存储等特性，几乎可同时满足资源、环境和持续发展的要求，成为人类未来的能源。随着能源结构的多元化调整和燃料电池技术的突破，市场对氢气的需求将大幅增长。发展氢能必须解决的一个重要问题是制氢问题。利用风能或太阳能的过剩电力高温电解水蒸气制取“绿氢”是一项低污染、高效率的技术。
[0003]高温电解水制氢池是高温下将水蒸气电解制造氢气的电化学装置，一般由空气电极、电解质和氢电极组成。按照其电解质的导电类型，可分为氧离子导电型和质子导电型。高温质子导体材料被Iwahara等人报道用于电解水制氢，但质子导体型高温电解水制氢池长期以来受制于材料的稳定性等难题。钙钛矿结构的质子导体材料中，BaCeO3材料虽然电导率高，但易与H2O和CO2等反应而失活；BaZrO3材料虽然稳定性较好，但电导率相对较低，且难于烧结致密。BaCe1‑
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Zr
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O3质子导体材料目前在研究中被较为广泛地使用。已有文献报道的质子导体型高温电解水制氢池的衰减率较高，无法兼顾其在高温湿环境中的稳定性和电化学性能的要求。

技术实现思路

[0004]专利技术要解决的问题：针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种能兼顾运行稳定性和电化学性能的结构简单、高效且长寿命的元素含量及孔隙率梯度变化的高温电解水制氢池及其方法。
[0005]解决问题的技术手段：为解决上述问题，本专利技术提供一种元素含量及孔隙率梯度变化的高温电解水制氢池，是利用电能将水蒸气电解制备氢气的反应装置；所述高温电解水制氢池形成为管状，包括由包含质子导体材料的材料构成的多个功能层，所述质子导体材料为BaCe1‑
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Zr
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O3，其中0≤x≤0.9，0≤y≤0.2，且0≤x+y≤1，M为Y、In、Yb、Sc、Cu、Zn；；所述多个功能层包括氢电极层、位于所述氢电极层的外侧的电解质层以及位于所述电解质层的外侧的空气电极层；所述多个功能层的Ce含量随着从所述氢电极层至所述空气电极层而梯度下降；所述电解质层与所述空气电极层为多孔结构，且形成为孔隙率随着从所述电解质层向所述空气电极层而梯度增大。
[0006]根据本专利技术，各功能层元素含量梯度变化一方面适应电解水制氢池的工作环境，另一方面材料组成的连续梯度变化可使各功能层相容性更好，避免因材料组成变化过大带来的开裂、分层等现象，提高了成品率。梯度孔隙率结构一方面使各功能层的孔隙率更匹配其电化学反应的需求，另一方面提高了电解质层和空气电极的界面稳定性。通过有效进行
元素含量和孔隙率的梯度调配，能兼顾电解水制氢池的电化学性能和运行稳定性。
[0007]也可以是，本专利技术中，采用所述氢电极层为支撑体，所述氢电极层为NiO、CeO2或CuO中的至少一种与所述质子导体材料的混合材料，其厚度为0.5~1.0mm。
[0008]也可以是，本专利技术中，还包括位于所述电解质层与所述氢电极层之间的活性层；所述活性层为NiO与所述质子导体材料的混合材料，其厚度为5
‑
20
µ
m。
[0009]也可以是，本专利技术中，所述电解质层为多层结构，由多层Ce含量呈梯度变化的所述质子导体材料组成；所述电解质层的孔隙率为5%以下，厚度为5
‑
20
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m。Ce含量梯度变化的多层电解质可提高其在高温湿环境中的化学稳定性。
[0010]也可以是，本专利技术中，所述空气电极层为多层结构，由作为活性材料的钴酸锶镧、锰酸锶镧或镍酸锶镧中的至少一种与多层孔隙率梯度变化的所述质子导体材料的混合材料组成，其厚度为20
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30
µ
m。孔隙率梯度变化的多层结构有利于气体、电子和质子在各功能层中的传输。
[0011]本专利技术还提供一种制备上述元素含量及孔隙率梯度变化的高温电解水制氢池的方法，包括以下步骤：1）制备氢电极层作为支撑体；2）在所述氢电极层的外侧制备形成为多层结构的电解质层；3）在所述电解质层的外侧制备空气电极层；4）安装集流体并连接导线组装所述高温电解水制氢池。
[0012]也可以是，所述步骤3）中，通过将Ce含量不同的所述质子导体材料配制成浆料在所述氢电极层的外侧依次浸渍，最后在1300～1500℃下共烧后制得Ce含量呈梯度变化的所述电解质层。
[0013]也可以是，所述步骤4）中，通过在所述质子导体材料中添加不同含量的造孔剂，并配置成浆料在所述电解质层的外表面依次浸渍，最后在1300～1500℃下共烧后制得孔隙率呈梯度变化的多孔电解质层，将活性材料配制成金属硝酸盐溶液，然后注入到所述多孔电解质层中，再于600～800℃焙烧，多次重复后制得所述空气电极。
[0014]也可以是，本专利技术中，在制备所述电解质层之前，还包括在所述氢电极层的外表面制备活性层的步骤，通过将煅烧后的所述支撑体浸入活性层粉体配制的浆料中，使其外表面均匀涂覆一层，再经过1000～1200℃煅烧得到所述活性层；在制备得到所述活性层后，在其外表面制备形成为多层结构的电解质层。活性层是高温电解水制氢池的活性电极，通过在氢电极层的外侧制备活性层，能加速氢电极的反应。
[0015]采用上述浸渍法等工艺方法，可以对各层的组分进行调控，工艺的可控性强，能实现元素梯度组成和不同孔隙率的多层结构的共烧结。
[0016]专利技术效果：本专利技术结构简单，能兼顾电解水制氢池的电化学性能和运行稳定性，大幅提高了高温电解水制氢池的寿命。
附图说明
[0017]图1是根据本专利技术一实施形态的元素含量及孔隙率梯度变化的高温电解水制氢池的结构示意图，（a）示出了高温电解水制氢池的结构，（b）是示出高温电解水制氢池的孔隙
率梯度结构的局部放大图；图2是示出了高温电解水制氢池在使用环境中的气体浓度梯度和各功能层的元素浓度梯度以及孔隙率梯度，（a）示出了高温电解水制氢池使用环境中的气体浓度梯度，（b）示出了各功能层的元素浓度梯度，（c）示出了各功能层的孔隙率梯度；图3是实施例1的高温电解水制氢池的实物照片；图4是实施例1的高温电解水制氢池的电子显微镜照片和Ce含量线扫描图，（a）是高温电解水制氢池的电子显微镜照片，（b）是高温电解水制氢池从位于外侧的空气电极层至位于内侧的氢电极层的Ce含量线扫描图；图5 是示出实施例1的高温电解水制氢池在650℃和700℃下在恒定电流密度下电解水蒸气时的电压随运行时间变化的曲线图；图6 是示出实施例2的高温电解水制氢池700℃下在恒定电压下电解水蒸气时的电流密度随运行时间变化的曲线图；符号说明：10、高温电解水制氢池；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种元素含量及孔隙率梯度变化的高温电解水制氢池，其特征在于，是利用电能将水蒸气电解制备氢气的反应装置；所述高温电解水制氢池形成为管状，包括由包含质子导体材料的材料构成的多个功能层，所述质子导体材料为BaCe1‑
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Zr
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O3，其中0≤x≤0.9，0≤y≤0.2，且0≤x+y≤1，M为Y、In、Yb、Sc、Cu、Zn；所述多个功能层包括氢电极层、位于所述氢电极层的外侧的电解质层以及位于所述电解质层的外侧的空气电极层；所述多个功能层的Ce含量随着从所述氢电极层至所述空气电极层而梯度下降；所述电解质层与所述空气电极层为多孔结构，且形成为孔隙率随着从所述电解质层向所述空气电极层而梯度增大。2.根据权利要求1所述的元素含量及孔隙率梯度变化的高温电解水制氢池，其特征在于，采用所述氢电极层为支撑体，所述氢电极层为NiO、CeO2或CuO中的至少一种与所述质子导体材料的混合材料，其厚度为0.5~1.0mm。3.根据权利要求1或2所述的元素含量及孔隙率梯度变化的高温电解水制氢池，其特征在于，还包括位于所述电解质层与所述氢电极层之间的活性层；所述活性层为NiO与所述质子导体材料的混合材料，其厚度为5
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20
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m。4.根据权利要求1至3中任一项所述的元素含量及孔隙率梯度变化的高温电解水制氢池，其特征在于，所述电解质层为多层结构，由多层Ce含量呈梯度变化的所述质子导体材料组成；所述电解质层的孔隙率为5%以下，厚度为5
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m。5.根据权利要求1至4中任一项所述的元素含量及孔隙率梯度变化的高温电解水制氢...

【专利技术属性】
技术研发人员：温兆银，叶晓峰，温亚兵，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：