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电解水制氢新方法诞生:效率提升四倍以上!

返回列表 来源:未知 浏览: 发布日期:2018-11-27 【

氢气,在常温常压下,是一种极易燃烧,无色透明、无臭无味的气体。它作为可以一种清洁高效的燃料使用。氢燃烧的产物是水,不会对环境造成任何污染。同时,氢燃烧的热值高居各种燃料之冠,据测定,每千克氢燃烧放出的热量为1.4*10^8J,为石油热值的3倍多。

目前,氢燃料不仅在航空航天项目中用于推进火箭,还可以用于新能源汽车,未来有望成为一种非常重要的可持续能源。如今,绝大多数的氢气制备是通过一种称为“甲烷水蒸气重整”的工艺,从天然气中提取出来,但缺点是它会同时释放出二氧化碳。

然而,电解水也是产生氢气的一种重要方法,而且不会生成二氧化碳。它将水(H2O)通过电流电解生成氧气(O2)和可作为燃料的氢气(H2)。电流通过水时,在阴极通过还原水形成氢气;在阳极则通过氧化水形成氧气,氢气生成量大约是氧气的两倍。

(图片来源:维基百科)

前不久,笔者介绍过美国哥伦比亚大学工程学院化学工程系助理教授 Daniel Esposito 的团队,采用太阳能光伏电池产生的电力进行电解水,有望取代“甲烷水蒸气重整”,成为制备氢燃料的下一代方法。

创新

近日,电解水制氢机技术方面又有了新的突破。隶属于韩国蔚山国立科技大学(UNIST)的联合研究团队成功研制出混合固态电解槽(Hybrid-SOEC)系统。据报道,该系统在制氢方面具有极高的电化学性能。对于廉价且高效地制氢,这种受推荐的系统是一个新的有希望的选择。因为相比于其他水电解系统来说,它的性能更加优越,因此也备受各界关注。

UNIST 能源与化学工程学院的教授 Guntae Kim 与韩国能源研究所(KIER)教授 Tak-Hyoung Lim 以及淑明女子大学的教授 Jeeyoung Shin,合作领导了这项突破性研究。

(图片来源:UNIST)

技术

固体氧化物电解槽(SOEC)由两个电极和一种电解质组成,它们全是固态的。它们被强烈推荐为制氢的一种新的候选方案,因为无需补充损失掉的电解质,同时解决了腐蚀问题。除此之外,SOEC也可以工作在相对较高的温度下(700-1000 °C),这样也降低了电能损耗。

Kim 教授和他的研究团队正在寻找一种途径,利用SOEC提高制氢的能量效率。在这项研究中,研究团队演示了一种基于混合离子的导电电解质,让电解水在氢气电极和空气电极上都能发生。

现有的SOEC电解质只允许氢离子或者氧离子中的一种运输到其他电极。例如,SOEC电解质运输氧离子,电解水发生于阳极,从而产生出氢气;作为对比,SOEC电解质运输氢离子,水电解发生于阴极,从而生产出氧气。在这里,氢气从电解质传输到阳极。

理论上来说,采用氢离子和氧离子都可以运输的电解质,能够在电解槽的两端,生产出两种电解产品:氢气和氧气。这将极大提升氢气生产率。在这项研究中,研究团队致力于控制电解质的特性。

Kim 教授和他的研究团队报告了他们在开发基于混合离子导体的SOEC系统方面的新发现。这种混合离子导体可以同时传输氧离子和质子,所以被称为“Hybrid-SOEC”。

(图片来源:UNIST)

与文献中报道的其他SOEC系统和具有代表性的水基装置相比,这种受推荐的系统在生产氢气方面,需要更少的电力,同时具备卓越的电化学性能和稳定性。更进一步说,混合的SOEC系统的性能,在运行超过60小时后,不会出现可以观察得到的退化,因此表明它在制氢方面是一个鲁棒的系统。

价值

论文的首作者、能源和化学工程系博士生 Junyoung Kim 表示:“通过控制氢离子导电电解质的运输环境,实现了一种可以让两种离子通过的‘混合离子导电电解质’。在首次引入这种电解质的混合SOEC系统中,两个电极上都会发生电解水,从而显著提升了总的氢气产量。

混合SOEC的电极采用了具有卓越电化学性能的层状钙钛矿。通过在混合离子导电电解质中添加一种卓越的电极材料,将提升电化学性能。因此,在电解槽电压达1.5V和温度达700 °C的条件下,相应的氢气产量为每小时1.9 L。该系统的氢气生产效率是现有的水电解槽系统的4倍以上。

最后,让我们再看一下SOEC系统的经济价值。如下图所示:通过下一代可再生能源,例如太阳能和风能提供能量,转化为电力进行电解水,产生的氢气可用于氢燃料电池汽车。例如,一小时生成0.9升的氢气,大约够氢燃料电池汽车行驶25公里。