高溫固體氧化物電解(SOEC)系統的最基本組成單元是SOEC電解池,多個電解池組裝在一起成為SOEC電堆。多個電堆和氣體處理系統、氣體輸送系統一起可以組合成SOEC電解模塊。最終多個模塊可以組合成一個完整的SOEC系統。由于各個SOEC設備制造公司的技術和工藝存在差異性,組成SOEC電解電堆的電解池數量、組成SOEC電解模塊的電堆數量和組成SOEC電解系統的模塊數量也會存在不同。接下來本篇將對電解系統的關鍵材料進行介紹。
SOEC電解池:電解質、陰極和陽極是SOEC電解池的核心組成部分,直接影響著SOEC設備的工作性能和工作效率。
電解質的性質決定了SOEC的技術路線和陰、陽極材料的選擇(高溫下熱膨脹系數需保持一致)。電解質的主要作用是將在陰極產生的氧離子傳導至陽極,阻隔電子電導,并防止陰陽極產生的氫氣和氧氣相互接觸。因此,電解質層需要有極高的離子傳導率和極低的電子傳導率。為了防止陰極的氫氣滲透進入陽極,電解質層的氣密性必須高。此外,為了減少電解池的歐姆損失,電解質層的厚度要盡可能減小。
電解質材料通常選用導電陶瓷材料。在800—1000°C的高溫運行環境下,常用的電解質材料有釔穩定的氧化鋯(YSZ)和鈧穩定的氧化鋯(ScSZ)。由于YSZ即可以提供優良的氧離子電導率,相比ScSZ又具備一定的成本優勢,已經成為了最常用的電解質材料。在600—800°C的中溫運行環境下,鑭鍶鎵鎂(LSGM)、釤摻雜的氧化鈰(SDC)和釓摻雜的氧化鈰也是較為常用的電解質材料。
陰極是原料水分解的場所,并提供電子傳導通道。這要求陰極材料具有良好的電子導電率、氧離子導電率和催化活性,以確保反應的順利進行。與此同時,由于陰極需要和高溫水蒸氣直接接觸,陰極材料需要在高溫高濕下具備化學穩定性。材料還必須具備合適的孔隙度,保證電解所需水蒸氣的供應和氫氣產物的輸出。由于在高溫下,熱膨脹系數不匹配會導致過高的機械應力,最終使材料破碎。因此,陰極材料必須和電解質材料具有類似的熱膨脹屬性。
陰極材料通常選用金屬陶瓷復合材料。鎳、鈷、鉑、鈀都滿足SOEC對陰極材料的要求。鎳的成本較低,對水的分解反應具有良好的催化活性,用鎳和YSZ制造的金屬陶瓷復合材料成為了最常用的陰極材料。使用YSZ和鎳作為陰極材料,可以使陰極的熱膨脹系數接近以YSZ為主要材料的電解質,保持SOEC的機械穩定性。YSZ還可以提高界面的電化學反應活性,確保SOEC的工作效率。
陽極是產生氧氣的場所。陽極材料必須要在高溫氧化的環境下保持穩定。與此同時,為了確保氧氣的順利生成,陽極材料必須具備優良的電子導電率、氧離子導電率和催化活性;材料必須采用多孔結構,便于氧氣的流通。最后,為了保持高溫下的機械穩定,陽極材料的熱膨脹系數也必須和電解質相匹配。
使用鈣鈦礦氧化物制備的導電陶瓷材料是目前最常用的陽極材料。其中,摻雜鍶的錳酸鑭(LSM)的化學催化活性高,和YSZ電解質的熱膨脹系數接近,是其中最具代表性的材料之一。
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