固体氧化物电解槽

固体氧化物电解槽(SOEC)是一种固体氧化物燃料电池，它以再生模式运行，通过使用固体氧化物或陶瓷电解质产生氢气（和/或一氧化碳）和氧气。纯氢的生产之所以引人注目，是因为它是一种可以储存的清洁燃料，使其成为电池、甲烷和其他能源的潜在替代品（参见氢经济）。与热化学和光催化方法相比，电解是目前最有前途的水制氢方法，因为它的转化效率高，所需的能量输入相对较低。

固体氧化物电解槽在允许发生高温电解的温度下运行，通常在500到850°C之间。这些操作温度类似于固体氧化物燃料电池的那些条件。净电池反应产生氢气和氧气。一摩尔水的反应如下所示，水的氧化发生在阳极，水的还原发生在阴极。阳极：2O2−→O2+4e−阴极：H2O+2e−→H2+O2−净反应：2H2O→2H2+O2在298K(25°C)下电解水需要每摩尔285.83kJ的能量才能发生，并且随着温度的升高，反应会越来越吸热。然而，由于电解槽的焦耳加热，能量需求可能会降低，这可以用于高温下的水分解过程。正在进行研究以增加来自外部热源的热量，例如集中式太阳能集热器和地热源。

电解槽的一般功能是将水以蒸汽的形式分解成纯H2和O2。蒸汽被送入多孔阴极。当施加电压时，蒸汽移动到阴极-电解质界面并被还原形成纯H2和氧离子。然后氢气通过阴极扩散回来并在其表面作为氢燃料收集，而氧离子则通过致密的电解质传导。电解质必须足够稠密，以使蒸汽和氢气不能扩散通过并导致H2和O2-复合。在电解质-阳极界面处，氧离子被氧化形成纯氧气，并被收集在阳极表面。

固体氧化物电解槽电池遵循与固体氧化物燃料电池相同的结构，由燃料电极（阴极）、氧电极（阳极）和固体氧化物电解质组成。

最常见的电解质也类似于固体氧化物燃料电池，是一种致密的离子导体，由掺杂8mol%Y2O3（也称为YSZ）的ZrO2组成。使用二氧化锆是因为它具有高强度、高熔点（约2700°C）和优异的耐腐蚀性。添加氧化钇(III)(Y2O3)是为了减轻在快速冷却时从四方晶相到单斜晶相的相变，这会导致裂纹并通过引起散射降低电解质的导电性能。SOEC的其他一些常见选择是Scandia稳定氧化锆(ScSZ)、二氧化铈基电解质或没食子酸镧材料。尽管材料与固体氧化物燃料电池相似，但运行条件不同，导致诸如燃料电极处的高蒸汽浓度和电解质/氧电极界面处的高氧分压等问题。最近的一项研究发现，在电解槽和燃料电池模式之间定期循环电池可以减少氧分压的增加，并xxx延长电解槽的使用寿命。

最常见的燃料电极材料是Ni掺杂的YSZ。然而，Ni-YSZ界面处的高蒸汽分压和低氢分压会导致镍氧化，从而导致催化剂降解。钙钛矿型镧锶锰（LSM）也常用作正极材料。最近的研究发现，用钪掺杂LSM以形成LSMS可促进阴极中氧化物离子的迁移率，增加与电解质界面处的还原动力学，从而在低温下比传统的LSM电池具有更高的性能。然而，需要进一步开发烧结工艺参数以防止氧化钪沉淀到LSM晶格中。这些沉淀颗粒是有问题的，因为它们会阻碍电子和离子的传导。尤其是，正在研究LSM晶格中钪的处理温度和浓度，以优化LSMS阴极的性能。正在研究新材料，例如镧锶锰铬酸盐(LSCM)，它已被证明在电解条件下更稳定。LSCM具有很高的氧化还原稳定性，这在与电解质的界面处尤其重要。掺杂钪的LCSM(LSCMS)也因其高离子电导率而被研究作为阴极材料。然而，稀土元素引入了显着的材料成本，并且被发现会导致整体混合电导率略有下降。尽管如此，LCSMS材料已在低至700°C的温度下表现出高效率。

锰酸锶镧（LSM）是最常见的氧电极材料。LSM在电解条件下提供高性能，因为在阳极极化下会产生氧空位，有助于氧扩散。此外，发现用Gd掺杂的CeO2(GDC)纳米粒子浸渍LSM电极可通过防止电极/电解质界面分层来延长电池寿命。如何发生这种情况的确切机制需要进一步探索。在2010年的一项研究中，发现镍酸钕作为阳极材料在集成到商业SOEC并在700°C下运行时提供的电流密度是典型LSM阳极的1.7倍，在800°下运行时电流密度约为4倍C。

基于固体氧化物的可再生燃料电池的优点包括效率高，因为它们不受卡诺效率的限制。其他优势包括长期稳定性、燃料灵活性、低排放和低运营成本。然而，xxx的缺点是工作温度高，导致启动时间和磨合时间长。高工作温度还会导致机械兼容性问题（例如热膨胀失配）和化学稳定性问题（例如电池中材料层之间的扩散）原则上，由于化学反应固有的可逆性，任何燃料电池的过程都可以逆转。然而，给定的燃料电池通常针对在一种模式下运行进行优化，并且可能不会以可以反向运行的方式构建。向后运行的燃料电池可能不会产生非常有效的系统，除非它们被构造成这样做，例如在固体氧化物电解槽电池、高压电解槽、组合式再生燃料电池和再生燃料电池的情况下。然而，目前正在进行研究以研究固体氧化物电池可以有效地沿任一方向运行的系统。

已经观察到以电解模式运行的燃料电池主要由于阳极与电解质的分层而退化。分层是电解质-阳极界面处高氧分压的结果。电解质-阳极材料中的孔起到限制高氧分压的作用，从而在周围材料中引起应力集中。阳极与电解质的分层会增加电池的电阻，并且需要更高的工作电压以保持稳定的电流。较高的施加电压会增加内部氧分压，进一步加剧降解。

固体氧化物电解槽可能在燃料生产、二氧化碳回收和化学品合成中得到应用。除了生产氢气和氧气外，SOEC还可用于通过电解水蒸气和二氧化碳来生产合成气。这种转换可用于能量产生和能量存储应用。

2014年，麻省理工学院在毅力号火星车上成功测试了用于火星氧气ISRU实验的设备，作为为人类食物和液氧火箭推进剂生产氧气的一种手段。2021年4月，美国宇航局声称已成功利用火星大气中的二氧化碳生产1加仑地球当量的氧气（火星上为4克和5克氧气）。

SOEC模块可以在三种不同的模式下运行：放热、吸热和热中性。在放热模式下，由于热量积累，烟囱温度在运行过程中会升高，该热量用于进气预热。因此，当电能消耗增加时，不需要外部热源。在吸热堆操作模式下，由于平均电流密度也降低，热能消耗增加，电能消耗和氢气产生减少。第三种模式是热中性模式，其中通过不可逆损失产生的热量等于反应所需的热量。由于存在一些热损失，因此需要外部热源。这种模式比吸热运行模式消耗更多的电能。