INL 研究：质子陶瓷燃料电池与电解槽
美国爱达荷州研究人员正在进行一项最新研究，要让燃料电池/电解更高效更稳定。
铂道看到来自爱达荷国家实验室（INL）官网发的最新信息。
报道说，在爱达荷州爱达荷瀑布市一个看似普通的实验室里，Wei Tang、Wenjuan Bian 和 Dong Ding 等人（都是华人的名字啊？），正在研发高度精密的先进能源材料。
这些研究人员和他们在爱达荷国家实验室（INL）的同事，正在制造质子陶瓷燃料电池/质子陶瓷电解槽（PCFC/PCEC）的电化学能量转换装置。
这些设备可以帮助氢气在能源未来中发挥重要作用。
研究人员从含有关键材料合成所需元素和化合物的粉末开始，将它们混合在一起，制造成比晶圆还薄的多层三明治结构，形成陶瓷电化学装置的框架。
工作原理
PCFC/PCEC，也就是燃料电池和电解水本质上可以是同一个设备，只是运行方向相反：
| 模式 | 运行方式 |
|---|---|
| 燃料电池（PCFC） | 设备在阳极消耗氢气，在阴极从空气中获取氧气，形成水并产生电能 |
| 电解堆（PCEC） | 设备将水和电能转换为氢气和氧气 |
这两种不同的模式可以为公用事业提供显著的灵活性。当电网上电力充足且价格低廉时，该设备可以将蒸汽和电力转化为氢气，可以储存或用于工业化学生产。
当电力稀缺且价格高昂时，电池可以反向运行，将储存的氢气转换回电力。
这些设备对众多工业过程还有另一个宝贵的好处：与氧离子传导电池相比，在燃料电池模式下会在氢气侧产生水分子，或在电解模式下在氢气侧输入蒸汽，而 PCFC/PCEC 设备在空气侧产生或输入水。这避免了昂贵的燃料循环或氢气净化步骤。
克服关键挑战
研究人员设计了一种制造这些电池的方法，克服了几个关键挑战。研究结果发表在备受推崇的《自然·合成》杂志上。
美国能源部氢气和燃料电池技术办公室通过质子陶瓷电化学电池项目资助了这个项目。
要将廉价热量（来自包括核电厂在内的发电厂的蒸汽形式）和电力通过高温蒸汽电解转换为高价值氢气，研究人员必须使这些电池高效、耐用且具有成本效益。
虽然过去版本的电池在燃料电池方向（即将氢气转换为电力）上工作良好，但由于高效氢气生产所需的高浓度蒸汽，它们在氢气生产模式下变得不稳定。
为了提高技术的稳定性，研究人员对多层陶瓷三明治结构进行了调整，找到了解决方案。
钙钛矿：具有有用可定制特性的陶瓷
用于构建 PCEC 设备的基本材料是一种叫做钙钛矿的陶瓷。这类化合物具有晶体结构，对成分修改的容错性很高，允许相应改变其物理和化学特性。钙钛矿及其类似物在广泛的能源技术中都有应用，包括燃料电池和太阳能电池板。
创新的结构工程设计
为了克服这些挑战，研究人员进行了新颖的结构工程设计。他们重新设计了半电池多层结构：
- 将高烧结性电解质 BaCe0.7Zr0.1Y0.2O3−δ（BCZY）与氧化镍（BCZY+NiO）混合用于支撑层
- 使用缓冲层（BZY+NiO）来减少支撑层和电解质之间的烧结不匹配
这些修改创造了设备的四层结构：
- 多孔空气/蒸汽电极
- 由钡、锆和钇制成的薄钙钛矿氧化物电解质（BZY）
- 由 BZY 电解质和氧化镍制成的功能层（BZY + NiO）
- 钡、铈、锆、钇和氧化镍的支撑层（BCZY + NiO）
更好的性能和稳定性
由此产生的电化学电池在法拉第效率方面显示出更好的性能，即提供给电解电池的电力将蒸汽转换为氢气的效率。换句话说，新电池具有更高的氢气生产率。
Wenjuan Bian 说：这种材料能够传导更多离子，在高蒸汽大气这种陶瓷电解器的恶劣条件下，氢气生产的电子泄漏更少。这里更高的导电性和更长的寿命意味着更好的性能。我们的设备显示出最佳的氢气生产性能。同时实现优异的性能和长寿命通常很困难，但我们通过结构设计和工程成功了。
Wei Tang 说：“法拉第效率要高得多。在这种高电流密度下，产生氢气更有效率。能量浪费更少，氢气生产率更高，能源效率更高。”
以烘烤形式，面向能源未来
制造这些高度精密的电池与在厨房烘烤并没有太大不同。首先将成分——钡、铈、锆和钇的前体——倒入混合器中。在这种情况下，混合器是一台球磨机，它混合粉末并分解粒径以获得更好的均匀性。混合物经过煅烧进行陶瓷电解质材料合成。
然后将电解质与氧化镍、有机溶剂和功能添加剂混合，浇铸成薄膜并烘烤。
结果是在半透明塑料片上形成一层令人愉悦的绿色薄膜——与果卷零食并无太大差异。然后将不同的陶瓷薄膜层叠在一起，再次在 1450°C 下加热——这是将材料连接在一起的烧结过程。
该团队已成功将该技术扩大到 25 平方厘米的电池，这是连接小型纽扣电池和将用于全规模工业设备的电池堆之间差距的关键步骤。研究人员现在专注于将技术推进到更高的成熟度水平。
如果他们的努力成功，该设备可能在能源未来中发挥重要作用，其中氢气是重要的化学前体、储能和运输介质以及燃料。
项目经理兼理事会研究员 Dong Ding 说：PCEC 在中等温度下绝对是一个游戏规则改变者。在这个温度范围内操作可以使用具有成本效益的材料，并能缓解在更高温度下通常看到的快速降解。这是降低成本并使技术具备商业化可行性的关键。先进制造技术对于克服 PCEC 技术的规模化挑战至关重要，我们在 INL 正在取得强劲进展。
除了生产氢气外，PCEC 还可以作为广泛应用的平台，通过改变原料和定制催化剂来进行工艺强化的化学和燃料生产，如天然气升级、一氧化碳转化和氨合成。
Dong Ding 说：正在与工业合作伙伴密切合作。