[发明专利]用于优化导电膜中由H+质子和/或OH-离子的位移提供的电导率的方法

说明书

技术领域

本发明涉及优化导电膜中由H⁺质子和/或OH^-离子的位移(displacement)提供的电导率的方法。 

背景技术

离子导电陶瓷膜时下受到广泛研究以提高它们的性能；离子导电陶瓷膜发现在以下领域中有着尤为令人感兴趣的应用： 

用于生产氢的高温水电解， 

氢燃料电池的制造， 

与碳基产品相比，氢及其同位素的分离和纯化。 

今天，氢气(H₂)看上去是非常令人感兴趣的能量载体，其对于例如石油产品的处理会变得越来越重要且可能最终有利地取代石油和化石能源，其中石油和化石能源的储备在未来几十年将急剧减少。然而，从这个角度来看，需要研发有效的氢制备方法。 

尽管已经描述用于从不同源来合成氢的许多方法，不过大多数这些方法实际上不适合于氢的大规模工业化生产。 

在此上下文中，可以提及例如从碳氢化合物中合成氢。此合成路线的主要问题之一是作为副产物产生大量的温室气体诸如CO₂。实际上，目前为生产1吨的氢，释放了8至10吨的CO₂。 

还可提及用于将水热化学转换成氢的方法，这些方法中大多数不能转化成工业规模，特别是，水的直接热分解，它需要不切实际的约3000到4000°K的温度，尽管在存在催化剂时这个温度可以降低。 

由硫、碘或溴化物催化剂进行的其他类型的水热化学分解需要 850℃的较低温度，但会导致严重的腐蚀问题而妨碍它们的工业化。 

用于工业化生产氢的最有希望的途径是基于高温蒸汽电解(称为HTE)的技术。 

当前提出两个实施方式： 

-如图1所说明，使用能传导O^2-离子的电解质且通常在介于750℃和1000℃之间温度下工作的电解， 

-如图2所说明，使用能传导质子的电解质且通常在介于400℃和800℃之间温度下工作的电解。给定电解质根据温度而定可以是质子或离子O^2-导体。 

图1以示意方式示出包括作为分隔阳极(3)和阴极(4)的电解质的O^2-离子导电陶瓷膜(2)的电解器(1)。电势差应用在阳极(3)和阴极(4)之间。H₂O蒸汽在阴极(4)侧被还原。蒸汽在阴极(4)处进入并离解以形成阴极表面上的氢气(H₂)以及O^2-离子。O^2-离子迁移通过电解质(2)以形成阳极3表面上的氧气(O₂)，电子(e^-)被释放。在一侧，氧气在电解器(1)的输出处被收集，且在另外一侧，氢气被收集，与其余蒸汽混合。 

图2以示意方式示出包括作为分隔阳极(12)和阴极(13)的电解质的质子导电陶瓷膜(11)的电解器(10)。电势差应用在阳极(12)和阴极(13)之间。H₂O蒸汽在阳极(12)侧沿着电解质(11)被电解。蒸汽在阳极(12)处进入并氧化以形成氧气(O₂)和H⁺离子；此反应释放电子(e^-)。H⁺离子穿过电解质(11)以于阴极(13)表面形成氢气(H₂)。在一侧，氢气随后在电解器(10)的输出处被收集，且在另一侧，氧气被收集，与其余蒸汽混合。 

质子导电电解，诸如图2中说明的质子导电电解，与O^2-离子导电电解相比显示出两个无可争议的优势： 

-较低的工作温度允许使用商业结构材料而不产生任何腐蚀的问题， 

-生产高纯度氢，因为氢在阴极被收集而不需要将氢与水分离，这与O^2-离子导电电解不同。 

由于设备成本降低，这两个优点允许降低氢生产成本。 

然而，这种类型的电解仍然处于实验室水平的研发中。 

这些研究的目的是为了获得氢生产的最大产量。为此，大部分使用的电流需要在法拉第过程中发生，即，该大部分使用的电流需要用于还原水且因此用于生产氢。例如，用于极化的电压必然受到至少下述因素的影响： 

-在电极处的过电压， 

-在电极/电解质界面上的接触电阻， 

-在材料内，特别是电解质内部的欧姆压降(ohmic drop)。