米乐(中国)官方网站 开发能够大规模生产氢气的氧化物纳米复合阳极材料

米乐m6官方网站[理事长中钵良二]（以下简称“AIST”）无机功能材料研究部[Masanobu Awano，研究总监]功能集成技术组首席研究员 Hiroyuki Shimada 和 Toshiaki Yamaguchi，首席研究员是固体氧化物电解槽（SOEC用氧化物纳米复合材料）阳极我开发了该材料。这种材料具有高温电解电流密度可以显着改善并且可以大量合成氢气。

水为实现氢社会电解通过（电解）合成氢气的技术正在开发中。其中，采用SOEC的水电解具有比传统水电解技术能够减少20%至30%的制氢所需能量、无需铂等贵金属电极等优点，但单位电池面积的制氢量（合成率）较低。

　这次，钐锶钴矿 (SSC)和掺钐二氧化铈 (SDC)的初级粒子在纳米水平二次粒子设计喷雾热解法制造工艺合成二次粒子氧化物纳米复合颗粒内部有电子和离子的传导路径，表现出较宽的反应场和较高的电导率。当使用该材料使用SOEC进行高温蒸汽电解时，电解电流密度为23A/cm²（750℃，电解电压13V）。此外，单位电池面积的电解氢合成率是聚合物型水电解的两倍以上，这可能有助于使电解槽更加紧凑。

　该技术的详细信息将于 2016 年 11 月 17 日在 TKP 东京站日本桥会议中心（东京中央区）举行的固体氧化物能源转换先进技术联盟公共研讨会上公布。

开发的纳米复合阳极的效果

当前可再生能源发电设备正在全球范围内引进，但为了消除由于天气等环境因素造成的发电量波动，除了发电设备之外还需要蓄电设备。因此，不仅可以储存电力，还可以运输电力。能量载体的电解作为未来的能源系统技术而受到关注。

　目前有利用水电解的固体聚合物和碱性制氢技术，但由于操作温度低和电解电压高，其能量转换效率受到限制。另一方面，采用SOEC的高温蒸汽电解有望成为下一代水电解技术，由于电解电压低，并且可以在系统中无浪费地利用热量，因此可以高效率地产生能量载体。然而，由于电解电流密度低，单位电池面积合成的能量载体的量不足。

　AIST一直致力于开发新的电解技术来合成氢气和碳氢化合物等能源载体。这项工作的范围很广，从材料开发到系统设计再到能量载体合成演示，但我们特别关注利用我们多年来培育的先进陶瓷工艺技术进行电极材料开发和 SOEC 制造。

　SOEC的问题之一是阳极反应过程中出现的大电阻，而传统的阳极材料对电解电流密度有限制。因此，为了通过材料开发来促进SOEC制造商的产品开发，我们承担了新型负极材料的开发，该材料可以实现比传统技术更高的电流密度。

　这项开发得到了国家研究开发机构日本科学技术振兴机构 (JST) 战略创意研究促进项目 (CREST)“创建可再生能源生产能源载体及其使用的创新基础技术”[研究主管：Koichi Eguchi（京都大学工学研究生院）[教授]]研究项目“使用新型固体氧化物型共电解反应池开发创新能源载体合成技术（载体场共电解技术）” （FY2013-2019）”[首席研究员：Yoshinobu Fujishiro（AIST研究战略部材料和化学领域研究计划办公室主任）]。

　SOEC阳极的电导率越高，电极电阻越低，可以获得越高的电流密度。目前，导电钙钛矿型结构材料La_0.6高级_0.4公司_0.2铁_0.8O₃LSCF与离子导电材料掺钆二氧化铈（GDC）相结合，在电极内形成电子和离子的传导路径，同时通过增加反应点的数量来降低电极电阻。

　此次，作为大幅提高SOEC电解电流密度的高性能阳极，我们设计了一种具有氧化物纳米复合结构的二次粒子，其中高电子导电钙钛矿型结构材料SSC和高离子导电材料SDC作为纳米级一次粒子，两者构成均匀的三维网络。通过喷雾热解法合成这些纳米复合结构二次颗粒，并制备由这些颗粒制成的负极材料。这次使用的SSC是一种比LSCF表现出更高电子传导性，并且还具有轻微离子传导性的材料。然而，由于SSC本身的离子导电性，即使与SDC或GDC等高离子导电材料复合，也很难获得改善负极性能的效果。此外，当与这些离子导电材料复合时，电极内的SSC网络被中断，电子电导率降低，因此迄今为止SSC一直被单独使用。这次，我们利用微结构在电极内创建了电子传导路径，并且在不降低SSC本身的电子传导性的情况下，利用纳米结构在二次粒子内创建了离子传导路径，大大扩大了电极中的反应点数量（图1）。结果，可以获得单独使用SSC无法获得的与SDC的联合效果，并且电极性能显着提高。

图1 传统电极的结构（左）、开发的纳米复合电极的结构（中）和透射电子显微照片（右）

　通过纳米复合，我们能够显着降低阳极的电极电阻，这是使用 SOEC 的高温蒸汽电解中最大的损耗因素。使用新开发的材料作为阳极的SOEC的电流密度为23 A/cm²（750℃，电解电压13V）（图2）。这比碱性水电解、聚合物电解和传统SOEC高温蒸汽电解等现有水电解技术高2至10倍。另外，作为实用指南的SOEC的体积为1dm³(假设电极面积1200 cm²) 1 Nm³/h 达到 2 A/cm²

　此外，使用所开发的阳极材料的 SOEC 中电解氢合成的速率是聚合物电解或碱性水电解中每电池面积氢的两倍多。电热中性点电解，可以比传统方法减少20%至30%的外部供电量等优点外，新型阳极材料还可以生产大量氢气，降低了利用可再生能源生产氢气的成本，为实现社会迫切需要的氢社会做出贡献。

图2现有材料和开发的纳米复合负极材料的性能（电流密度、电极电阻、电导率）

　未来，我们将进行实际应用的研发，包括将所开发的纳米复合阳极应用于实际尺寸和形状的SOEC进行示范测试，以实现高效、低成本的高温水电解系统作为电力存储技术，为实现氢社会做出贡献。

◆电解、固体氧化物电解槽

也称为电解。通过外部电源供电引起化学变化（例如，将水分离为氢气和氧气）的行为。进行电解的元件称为电解池，由固体氧化物制成的电解池称为固体氧化物电解池（SOEC）。[返回来源]

◆阳极

较高电位侧的电极。在电解中，它通常被称为阳极，但在电池中，它也被称为正极。[返回来源]

◆电解电流密度

电解时单位面积电流（A/cm²）。电解电流密度越高，产氢速度越快，单位体积产氢量增加。[返回来源]

◆钐锶钴矿(SSC)

化学式：Sm_0.5高级_0.5COO₃。一种具有高电子传导性的钙钛矿型结构材料。[返回来源]

◆添加钐二氧化铈(SDC)

化学式：Ce_0.8SM_0.2O_1.9一种具有离子导电性的萤石型结构材料。[返回来源]

◆纳米复合粒子、一次粒子、二次粒子

一种颗粒材料，其中多种材料的纳米颗粒（一次颗粒）聚集形成二次颗粒。除了一次颗粒和二次颗粒的颗粒设计（尺寸、形状等）之外，还可以通过改变一次颗粒在二次颗粒内的分散状态来进行各种材料设计。[返回来源]

◆喷雾热解法

粒子合成方法之一。通过使用超声波振动器等喷雾溶解有金属元素的水溶液(硝酸水溶液等)，并使用载气将该水溶液液滴输送到电炉内，可以连续地合成纳米粒子。[返回来源]

◆可再生能源

太阳能、风能等自然能源的总称。反义词是可耗尽的能源（石油、煤炭、天然气等）。[返回来源]

◆能量载体

一种可以作为运输和储存能量的载体的化学物质。能量载体包括氢、氮化合物、碳氢化合物和无机氢化物。[返回来源]

◆电热中性点

平衡电解的吸热效应（电解反应是需要热量的吸热反应）和电解槽内阻产生的热量的电压。理论上，它无需供热或除热，可以100%电解效率（利用电电解水制氢的效率）转换能量。[返回来源]