再生燃料电池

再生燃料电池(RFC)是一种以反向模式运行的燃料电池，它消耗电力和化学物质B来产生化学物质A。根据定义，任何燃料电池的过程都可以逆转。但是，给定的设备通常针对在一种模式下运行进行了优化，并且可能不会以可以向后运行的方式构建。向后运行的标准燃料电池通常不会形成非常高效的系统，除非它们是专门为这样做而设计的，例如高压电解槽、再生燃料电池、固体氧化物电解槽和组合式再生燃料电池。

例如，氢燃料质子交换膜燃料电池使用氢气(H2)和氧气(O2)来产生电和水(H2O)；可再生氢燃料电池使用电和水来产生氢气和氧气。当燃料电池在再生模式下运行时，发电模式（燃料电池模式）的阳极变成氢气产生模式（反向燃料电池模式）的阴极，反之亦然。当外加电压时，阳极侧的水会发生电解，生成氧气和质子；质子将通过固体电解质传输到阴极，在那里它们可以被还原形成氢气。在这种反向模式下，电池的极性与燃料电池模式的极性相反。以下反应描述了氢生成模式下的化学过程：在阴极：H2O+2e−→H2+O2−在阳极：O2−→1/2O2+2e−总体：H2O→1/2O2+H2

RFC的一个例子是固体氧化物再生燃料电池。固体氧化物燃料电池在高温下运行，具有较高的燃料电转化率，是高温电解的良好候选者。由于高温，固体氧化物再生燃料电池(SORFC)的电解过程需要较少的电力。电解质可以是O2-传导和/或质子(H+)传导的。使用Ni-YSZ作为氢电极和LSM（或LSM-YSZ）作为氧电极的基于O2-导电氧化钇稳定氧化锆(YSZ)的SORFC的最新技术已得到积极研究。Dönitz和Erdle报道了电流密度为0.3Acm-2和xxx法拉第效率仅为1.07V的YSZ电解质电池的运行情况。

瑞典研究人员最近的研究表明，基于氧化铈的复合电解质，其中质子和氧化物离子传导存在，产生用于燃料电池操作的高电流输出和用于电解操作的高氢气输出。掺杂氧化钪和二氧化铈(10Sc1CeSZ)的氧化锆也被研究作为SORFC中用于在中间温度(500-750°C)下生产氢气的潜在电解质。研究并记录了电流密度-电压(j-V)曲线和阻抗谱。在30kHz的频率范围内应用1–2ARMS（均方根）的交流电流来实现阻抗谱到10-1赫兹。阻抗谱显示电阻在低频（<10kHz）时很高，而在高频（>10kHz）时电阻接近零。由于高频对应电解质活动，而低频对应电极过程，可以推断出总电阻中只有一小部分来自电解质，大部分电阻来自阳极和阴极。因此，开发高性能电极对于高效SORFC至关重要。面积比电阻可以从jV曲线的斜率得到。常用/测试的电极材料是用于SORFC阴极的镍/氧化锆金属陶瓷(Ni/YSZ)和镧取代的钛酸锶/二氧化铈复合材料，以及用于SORFC阳极的镧锶锰酸盐(LSM)。其他阳极材料可以是镧锶铁氧体(LSF)、镧锶铜铁氧体和镧锶钴铁氧体。研究表明，Ni/YSZ电极在反向燃料电池操作中的活性低于燃料电池操作，这可归因于电解方向上的扩散受限过程，或其在高蒸汽环境中的老化敏感性，主要是由于镍颗粒的粗化。因此，已经提出了替代材料，例如钛酸盐/二氧化铈复合材料（La0.35Sr0.65TiO3–Ce0.5La0.5O2-δ）或（La0.75Sr0.25）0.95Mn0.5Cr0.5O3（LSCM）作为电解阴极。LSF和LSM/YSZ都被报道为电解模式的良好阳极候选者。此外，较高的工作温度和较高的xxx湿度比会导致较低的面积比电阻。