日本开发固体氧化物型电解新材料,从可再生能源中高效制氢

2016-11-180阅读0

  日本产业技术综合研究所(简称“产综研”)于2016年11月9日宣布,开发出了可大量制备氢气的材料。

  

原来的电极结构(左)和此次的纳米级复合电极结构(中)。右边是透射电子显微镜照片(照片来自产综研)

  这种材料与原来的水电解技术相比,大幅提高了电解电流密度,可大量合成氢气。该技术有助于吸收光伏发电等可再生能源发电的输出变动及剩余电力。

  

电极电阻减小,电流密度和电导率增大

  (照片来自产综研)

  这种材料由产综研的无机功能材料研究部门——功能集成化技术小组开发,是使用固体氧化物型电解单元(SOEC)阳极的纳米级氧化物复合材料。

  基于固体氧化物型电解单元的水电解与原来的水电解技术相比,制氢所需要的能源可削减20~30%,并且不需要铂(Pt)等贵金属电极。但按单元面积平均的制氢量(合成速度)很少。

  要想克服这一课题,就必须改进固体氧化物型电解单元的阳极。这种阳极电导率越高,电极电阻越小,获得的电流密度就越高。

  以前一般用作阳极的是具有电子导电性的钙钛矿结构材料(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3,LSCF)。通过与离子导电性材料——氧化钆掺杂氧化铈(GDC)复合,在电极内分别形成电子和离子的导电路径,同时增加反应点,来降低电极电阻。

  此次,以高电子导电性的钙钛矿结构(Sm0.5Sr0.5CoO3,SSC,钐锶钴)和高离子导电性材料——氧化钐掺杂氧化铈(Ce0.8Sm0.2O1.9,SDC)作为纳米级原生颗粒,设计了氧化物复合结构的二次颗粒,构成两种材料均质的三维网络。利用喷雾热分解法,合成复合结构的二次颗粒,制成了阳极材料。

  此次使用的SSC具有比原来的LSCF更高的电子导电性。但也具有一点离子导电性,因此,即使与高离子导电性材料复合,也难以提高阳极的性能。

  另外,与这些离子导电性材料复合时,电极内的SSC的网络中断,会导致电导率降低。

  因此,此次构建了微结构的电极内导电路径,不降低SSC自身的电导率,还在二次颗粒内构建离子导电路径,从而实现了大的反应场和高导电性。

  利用采用这种材料的固体氧化物型电解单元进行高温水蒸气电解,电解电流密度达到2.3A/cm2(750℃、电解电压为1.3V)。这是现有水电解技术——碱性水电解、高分子型电解、传统SOEC高温水蒸气电解的2~10倍,超过了实用化标准——2A/cm2。

  按单元面积平均的电解氢的合成速度也比高分子型水电解高2倍以上,可以实现电解单元的紧凑化。

  这样,可以减小制氢装置用电解装置的尺寸等,可以降低使用可再生能源制氢时的成本。

  相关技术详情将在11月17日举行的固体氧化物能源转换尖端技术联盟公开研讨会上公布。(记者:加藤伸一,日经BP清洁技术研究所)

  (全文完)