權(quán)利要求書： 1.一種平管式固體氧化物電解池，包括依次接觸的第一電解質(zhì)層、第一活性陽極層、陽極支撐體、第二活性陽極層、第二電解質(zhì)層、阻擋層、陰極層、緩沖層和金屬導(dǎo)電層；

所述緩沖層包括La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3；所述陰極層包括氧化釓摻雜的氧化鈰和La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3；

所述第一活性陽極層包括NiO?8YSZ和/或NiO?3YSZ；所述第二活性陽極層包括NiO?

8YSZ和/或NiO?3YSZ；

所述陽極支撐體在平行于層疊面方向上設(shè)置有貫通通道。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平管式固體氧化物電解池，其特征在于，所述陽極支撐體按照以下步驟制備得到：

將NiO和3YSZ按照質(zhì)量比1：(0.75～1.25)混合并加入表面活性劑和塑化劑，通過造粒得到粒徑為30～50μm和50～150μm的兩種粉體，將粒徑為30～50μm和50～150μm的兩種粉體按照(7～5)：(3～5)的質(zhì)量比混合，擠壓成型后燒結(jié)，得到陽極支撐體。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平管式固體氧化物電解池，其特征在于，所述第一電解質(zhì)層部分覆蓋第一活性陽極層。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平管式固體氧化物電解池，其特征在于，所述第一電解質(zhì)層包括YSZ；所述第二電解質(zhì)層包括YSZ。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平管式固體氧化物電解池，其特征在于，所述阻擋層包括氧化釓摻雜的氧化鈰。

6.一種電解海水制氫裝置，包括海水存儲(chǔ)裝置、氫氣儲(chǔ)存裝置、電源、加熱裝置和權(quán)利要求1所述的平管式固體氧化物電解池；

所述加熱裝置用于對(duì)權(quán)利要求1所述的平管式固體氧化物電解池進(jìn)行加熱；

所述海水存儲(chǔ)裝置設(shè)置有加熱元件，用于將海水加熱蒸發(fā)。

7.一種利用權(quán)利要求6所述的電解海水制氫裝置電解制氫的工藝，包括以下步驟：將海水水蒸氣通入燃料極，將空氣通入空氣極，開啟電源，對(duì)平管式固體氧化物電解池通電，進(jìn)行電解，得到氫氣；

所述平管式固體氧化物電解池的溫度為700～850℃。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的工藝，其特征在于，對(duì)海水加熱蒸發(fā)的溫度為90～100℃。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的工藝，其特征在于，所述電解的電壓為0.9～1.5。

10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的工藝，其特征在于，使用氫氣作為載氣，與海水水蒸氣一起通入燃料極。

說明書： 一種平管式固體氧化物電解池、電解海水制氫裝置及電解制氫的工藝

技術(shù)領(lǐng)域[0001] 本發(fā)明屬于電解制氫技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種平管式固體氧化物電解池、電解海水制氫裝置及電解制氫的工藝。

背景技術(shù)[0002] 能源是人類賴以生存和發(fā)展的基石，為在保證世界能源安全的同時(shí)緩解溫室效應(yīng)，“氫經(jīng)濟(jì)”的概念被廣泛談?wù)摵脱芯?。氫氣作為一種可再生的、無碳的清潔能源，有望比

傳統(tǒng)化石燃料走得更遠(yuǎn)。目前，世界上絕大多數(shù)氫氣都來源于化石燃料的重整、裂解。然而，

基于化石燃料的制氫過程會(huì)排放二氧化碳，且不可持續(xù)，因?yàn)榛剂辖K將耗盡。而如果由

可再生能源產(chǎn)生的電力電解水得到氫氣，將氫氣儲(chǔ)存于高效儲(chǔ)氫材料中并輸送至需要的地

方，再利用氫燃料電池發(fā)電產(chǎn)生電能和水，整個(gè)過程是綠色、碳中性且可持續(xù)的。并且，若使

用可再生能源產(chǎn)生的富余電力電解水生產(chǎn)氫氣，即能更加充分的利用可再生能源，在用電

需求較小時(shí)將富余的電能部分收集起來，又可實(shí)現(xiàn)氫氣的清潔、高效和大規(guī)模制備。因此，

電解水制氫具有廣闊的應(yīng)用前景。其中，固體氧化物電解池(SOEC)技術(shù)近年來受到廣泛關(guān)

注，因其工作溫度高，具有更高的電/化學(xué)能量轉(zhuǎn)化效率，若不考慮電解過程的吸熱，其能量

轉(zhuǎn)換效率可超過100％。

[0003] 然而，現(xiàn)有電解水研究大都針對(duì)較純凈的淡水，而人類所能夠支配的淡水資源卻并不充裕。根據(jù)聯(lián)合國發(fā)布的《2018年世界水資源開發(fā)報(bào)告》，由于人口增長、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和消

費(fèi)方式轉(zhuǎn)變等因素，全世界對(duì)水資源的需求正在以每年1％的速度增長，且未來二十年，增

速還將加快；另外，全世界目前共有約36億人居住在缺水地區(qū)，到2050年，這一數(shù)字將擴(kuò)大

至48億至57億之多。因此，任何面向未來的技術(shù)都應(yīng)盡量避免占用過多的淡水資源。與淡水

不同的是，海水是一種極為豐富易得的資源，地球表面超過70％的面積被海水覆蓋，廣闊的

海洋中儲(chǔ)存著地球上絕大部分水。目前，這一巨大的寶庫遠(yuǎn)未得到充分利用。若能以海水為

原料，結(jié)合高效的水電解技術(shù)，利用海上豐富的風(fēng)電和光電制取氫氣，必將為人類帶來巨大

的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

[0004] 雖然電解海水制氫應(yīng)用前景廣闊，但目前的水電解技術(shù)并不適用于大規(guī)模海水電解，與雜質(zhì)較少的淡水相比，海水成分復(fù)雜，含有大量有害的陰離子，這些陰離子可能直接

侵蝕電解槽，也可能與水分解反應(yīng)競爭。常見的堿性電解、質(zhì)子交換膜電解等技術(shù)，雜質(zhì)直

接與膜或電極直接接觸，對(duì)膜性能要求高，更容易腐蝕電極和電解槽，降低壽命。同時(shí)質(zhì)子

交換膜電解技術(shù)還采用貴金屬，成本高；海水電解的其它挑戰(zhàn)還有電解時(shí)電解槽局部pH值

的變化，細(xì)菌、顆粒物的影響等。低溫直接電解海水的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是陽極上氯化物氧化與

水氧化反應(yīng)的競爭，海水中高濃度的氯離子可在陽極失電子產(chǎn)生氯氣或次氯酸鹽；常見的

電解水制氫技術(shù)需要持續(xù)提供電能維持設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，也大大提高了海水制氫的成本。

發(fā)明內(nèi)容[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種平管式固體氧化物電解池、電解海水制氫裝置及電解制氫工藝，本發(fā)明中的平管式固體氧化物電解池能夠直接電解未經(jīng)任何處理的天然海水，

且電/化學(xué)能量轉(zhuǎn)化效率更高，成本更低。

[0006] 本發(fā)明提供一種平管式固體氧化物電解池，包括依次接觸的第一電解質(zhì)層、第一活性陽極層、陽極支撐體、第二活性陽極層、第二電解質(zhì)層、阻擋層、陰極層、緩沖層和金屬

導(dǎo)電層；

[0007] 所述緩沖層包括La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3；所述陰極層包括氧化釓摻雜的氧化鈰和La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3；

[0008] 所述第一活性陽極層包括NiO?8YSZ和/或NiO?3YSZ；所述第二活性陽極層包括NiO?8YSZ和/或NiO?3YSZ；

[0009] 所述陽極支撐體在平行于層疊面方向上設(shè)置有貫通通道。[0010] 優(yōu)選的，所述陽極支撐體按照以下步驟制備得到：[0011] 將NiO和3YSZ按照質(zhì)量比1：(0.75～1.25)混合并加入表面活性劑和塑化劑，通過造粒得到粒徑為30～50μm和50～150μm的兩種粉體，將粒徑為30～50μm和50～150μm的兩種

粉體按照(7～5)：(3～5)的質(zhì)量比混合，擠壓成型后燒結(jié)，得到陽極支撐體。

[0012] 優(yōu)選的，所述第一電解質(zhì)層部分覆蓋第一活性陽極層。[0013] 優(yōu)選的，所述第一電解質(zhì)層包括YSZ；所述第二電解質(zhì)層包括YSZ。[0014] 優(yōu)選的，所述阻擋層包括氧化釓摻雜的氧化鈰。[0015] 本發(fā)明提供一種電解海水制氫裝置，包括海水存儲(chǔ)裝置、氫氣儲(chǔ)存裝置、電源、加熱裝置和上文所述的平管式固體氧化物電解池；

[0016] 所述加熱裝置用于對(duì)上文所述的平管式固體氧化物電解池進(jìn)行加熱；[0017] 所述海水存儲(chǔ)裝置設(shè)置有加熱元件，用于將海水加熱蒸發(fā)。[0018] 本發(fā)明提供一種利用上文所述的電解海水制氫裝置電解制氫的工藝，包括以下步驟：

[0019] 將海水水蒸氣通入燃料極，將空氣通入空氣極，開啟電源，對(duì)平管式固體氧化物電解池通電，進(jìn)行電解，得到氫氣；

[0020] 所述平管式固體氧化物電解池的溫度為700～850℃。[0021] 優(yōu)選的，對(duì)海水加熱蒸發(fā)的溫度為90～100℃。[0022] 優(yōu)選的，所述電解的電壓為0.9～1.5。[0023] 優(yōu)選的，使用氫氣作為載氣，與海水水蒸氣一起通入燃料極。[0024] 本發(fā)明提供了一種平管式固體氧化物電解池，包括依次接觸的第一電解質(zhì)層、第一活性陽極層、陽極支撐體、第二活性陽極層、第二電解質(zhì)層、阻擋層、陰極層、緩沖層和金

屬導(dǎo)電層；所述緩沖層包括La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3；所述陰極層包括氧化釓摻雜的氧化鈰和

La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3；所述第一活性陽極層包括NiO?8YSZ和/或NiO?3YSZ；所述第二活性陽

極層包括NiO?8YSZ和/或NiO?3YSZ；所述陽極支撐體在平行于層疊方向上設(shè)置有貫通通道。

本發(fā)明采用一種獨(dú)特結(jié)構(gòu)的固體氧化物電解池(SOEC)在高溫下直接電解未經(jīng)任何處理的

天然海水，將海水加熱蒸發(fā)，以氫氣為載氣，攜帶不同量的水蒸氣在750℃高溫下進(jìn)行電解。

一方面可將海水中的絕大部分雜質(zhì)與電解池分離，減緩或避免海鹽對(duì)電解池的不良影響；

另一方面，在高溫下電解可獲得更高的電/化學(xué)能量轉(zhuǎn)化效率，因?yàn)樗纸夥磻?yīng)的吉布斯自

由能隨溫度的升高而降低，低自由能意味著低電壓，低電壓意味著低成本。最后，可以將電

解后的高溫尾氣用來加熱海水，則可大大降低蒸發(fā)海水所需的成本，且熱能的成本遠(yuǎn)低于

電能，尾氣中未被完全分解的水蒸汽冷凝后又有較高的純度，可收集利用。

附圖說明[0025] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本

發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)

提供的附圖獲得其他的附圖。

[0026] 圖1為本發(fā)明中電解海水制氫裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；[0027] 其中，1為氫氣/氮?dú)獯鎯?chǔ)裝置，2為海水加熱元件，3為海水存儲(chǔ)裝置，4為溫度傳感器，5為平管式固體氧化物電解池，6為加熱裝置，7為空氣泵，8為電池測試系統(tǒng)，9為冷凝裝

置，10為氫氣存儲(chǔ)裝置；

[0028] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1條件下電解池的初始性能曲線；[0029] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中不同水浴溫度時(shí)的極化曲線；[0030] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例2條件下中電解池的初始性能曲線；[0031] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例2中不同水浴溫度時(shí)的極化曲線；[0032] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例2中1.3電解時(shí)的水蒸氣轉(zhuǎn)化率；[0033] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例2中1.3電解時(shí)的氫氣產(chǎn)量；[0034] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例3在不同水浴溫度時(shí)的極化曲線；[0035] 圖9為本發(fā)明實(shí)施例3在水浴溫度94℃時(shí)不同電流密度的瞬時(shí)?T曲線；[0036] 圖10為本發(fā)明實(shí)施例3在長期恒流下的電壓和產(chǎn)氫量變化曲線；[0037] 圖11為本發(fā)明平管式固體氧化物電解池的結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式[0038] 本發(fā)明提供了一種平管式固體氧化物電解池，包括依次接觸的第一電解質(zhì)層、第一活性陽極層、陽極支撐體、第二活性陽極層、第二電解質(zhì)層、阻擋層、陰極層、緩沖層和金

屬導(dǎo)電層；

[0039] 所述緩沖層包括La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3；所述陰極層包括氧化釓摻雜的氧化鈰和La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3；

[0040] 所述第一活性陽極層包括NiO?8YSZ和/或NiO?3YSZ；所述第二活性陽極層包括NiO?8YSZ和/或NiO?3YSZ；

[0041] 所述陽極支撐體在平行于層疊方向上設(shè)置有貫通通道。[0042] 在本發(fā)明中，所述陽極支撐體在電解海水過程中作為染燃料極，所述陽極支撐體在平行于層疊面方向上設(shè)置有貫通孔，用于通入海水水蒸氣。

[0043] 所述陽極支撐體的厚度優(yōu)選為4～5mm。所述陽極支撐體的成分包括NiO和3YSZ(NiO?3YSZ)，按照以下步驟制備得到：

[0044] 將NiO和3YSZ按照質(zhì)量比1：(0.75～1.25)混合并加入表面活性劑和塑化劑，通過造粒得到粒徑為30～50μm和50～150μm的兩種粉體，將粒徑為30～50μm和50～150μm的兩種

粉體按照(7～5)：(3～5)的質(zhì)量比混合，擠壓成型后燒結(jié)，得到陽極支撐體。

[0045] 在本發(fā)明中，所述NiO和3YSZ的質(zhì)量比優(yōu)選為1：(0.75～1.25)，更優(yōu)選為1：(0.9～1.1)，最優(yōu)選為1：1；粒徑為30～50μm和50～150μm的兩種粉體的質(zhì)量比優(yōu)選為(7～5)：(3～

5)，更優(yōu)選為6：4。

[0046] 本發(fā)明對(duì)所述表面活性劑和塑化劑的種類不進(jìn)行特殊的限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)性能進(jìn)行實(shí)際調(diào)控即可。

[0047] 所述造粒的方法為本領(lǐng)域技術(shù)人員的常用方法，如球磨或噴霧造粒。[0048] 所述燒結(jié)的溫度優(yōu)選為1200～1500℃，更優(yōu)選為1300～1400℃，所述燒結(jié)的時(shí)間優(yōu)選為5～10小時(shí)，更優(yōu)選為6～9小時(shí)，最優(yōu)選為7～8小時(shí)。

[0049] 制備得到陽極支撐體之后，本發(fā)明采用絲網(wǎng)印刷法在陽極支撐體的兩側(cè)各絲印一層活性陽極層，即第一活性陽極層和第二活性陽極層，活性陽極主要用于催化燃料極反應(yīng)

并傳導(dǎo)氧離子和電子。

[0050] 所述第一活性陽極層的成分為NiO?8YSZ和/或NiO?3YSZ；所述第一活性陽極層的厚度優(yōu)選為15～25μm，更優(yōu)選為20～22μm；所述第二活性陽極層包括NiO?8YSZ和/或NiO?

3YSZ；所述第二活性陽極層的厚度優(yōu)選為15～25μm，更優(yōu)選為20～22μm；所述第一活性陽極

層與第二活性陽極層的成分以及厚度可以相同也可以不同，優(yōu)選相同。

[0051] 本發(fā)明對(duì)所述活性陽極層的絲印方法沒有特殊的限制，采用本領(lǐng)域常用的絲印方法即可。

[0052] 然后在第一活性陽極層表面部分絲印電解質(zhì)層，形成第一電解質(zhì)層，露出部分活性陽極用于陽極集流；在第二活性陽極層表面絲印第二電解質(zhì)層，所述第二電解質(zhì)層完全

覆蓋第二活性陽極層。

[0053] 本發(fā)明在第一活性陽極側(cè)只印刷了部分電解質(zhì)YSZ，以便于電池陽極側(cè)與金屬連接件之間的密封；且第一電解質(zhì)層YSZ表面沒有再絲印GDC阻隔層，是因?yàn)镚DC的功能是為了

防止陰極與電解質(zhì)之間發(fā)生元素的擴(kuò)散，沒有陰極就不用再印刷GDC層了，降低工藝和成

本。

[0054] 在本發(fā)明中，所述第一電解質(zhì)層的成分優(yōu)選為YSZ；所述第一電解質(zhì)層的厚度優(yōu)選為10～20μm；所述第二電解質(zhì)層的成分優(yōu)選為YSZ，所述第二電解質(zhì)層的厚度優(yōu)選為10～20

μm。所述第一電解質(zhì)層與第二電解質(zhì)層的成分以及厚度可以相同也可以不同，優(yōu)選相同。

[0055] 然后在所述第二電解質(zhì)表面絲印一層阻擋層，所述阻擋層用于防止空氣極與電解質(zhì)之間的相互擴(kuò)散；所述阻擋層的成分為氧化釓摻雜的氧化鈰(GDC)，所述阻擋層的厚度優(yōu)

選為1～3μm，更優(yōu)選為2μm。

[0056] 然后在阻擋層表面絲印一層陰極層，所述陰極層的成分為氧化釓摻雜的氧化鈰(GDC)和La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3(LSCF)，所述陰極層的厚度優(yōu)選為15～25μm，更優(yōu)選為20～23

μm。

[0057] 在陰極層表面絲印一層緩沖層，用來增加陰極與連接板的界面接觸面積，所述緩沖層的成分包括LSCF；所述緩沖層的厚度優(yōu)選為100～300μm，更優(yōu)選為120～180μm，最優(yōu)選

為150～160μm。

[0058] 最后在陰極層的表面絲印一層金屬導(dǎo)電層，可以是金、鉑或銀，優(yōu)選使用高導(dǎo)電性的銀漿或者銀漿網(wǎng)格，用于增加陰極層的電子集流強(qiáng)度。所述銀網(wǎng)格層的厚度優(yōu)選為10～

30μm，更優(yōu)選為15～25μm。

[0059] 本發(fā)明中的平管式固體氧化物電解池具有單陰極結(jié)構(gòu)，在電解海水制氫中具有更高的效率。電解時(shí)，在外加電場作用下，水蒸氣在金屬Ni?YSZ?氣體三相界面上發(fā)生分解，得

電子產(chǎn)生氫氣并直接從陰極出，氧離子穿過電解質(zhì)在陽極失電子析出氧氣并被排出。

[0060] 基于上述平管式固體氧化物電解池，本發(fā)明還提供了一種電解海水制氫裝置，包括海水存儲(chǔ)裝置、氫氣儲(chǔ)存裝置、電源、加熱裝置和上文所述的平管式固體氧化物電解池；

[0061] 所述加熱裝置用于對(duì)上文所述的平管式固體氧化物電解池進(jìn)行加熱；[0062] 所述海水存儲(chǔ)裝置設(shè)置有加熱元件，用于將海水加熱蒸發(fā)。[0063] 本發(fā)明中的電解海水制氫裝置如圖1所示，海水儲(chǔ)存裝置3設(shè)置有海水入口、載氣入口和蒸汽出口，所述蒸汽出口與平管式固體氧化物電解池的燃料極的海水蒸汽入口相連

通，用于將載氣和海水蒸汽的混合氣輸入電解池中與燃料極相接觸。

[0064] 所述海水儲(chǔ)存裝置3配套設(shè)置有加熱元件2，用于對(duì)海水進(jìn)行加熱以產(chǎn)生蒸汽，所述加熱元件2可以是水浴加熱裝置，所述海水的最高界面應(yīng)低于水浴加熱裝置的水面，以保

證海水的溫度均勻、準(zhǔn)確。

[0065] 所述平管式固體氧化物電解池設(shè)置有海水蒸汽入口、空氣入口、空氣出口和產(chǎn)品出口；所述空氣入口與、用于通入空氣與空氣極接觸；所述空氣出口與通過管道通入水浴加

熱裝置中，利用空氣出口尾氣的熱量加熱水浴加熱裝置中的水。所述氫氣/水蒸氣出口連接

冷凝裝置9，收集純水，氫氣則繼續(xù)通入氫氣儲(chǔ)存器10中保存。

[0066] 所述平管式固體氧化物電解池還配套設(shè)置有加熱裝置6，用于對(duì)平管式固體氧化物電解池進(jìn)行加熱，使電解在設(shè)定的高溫下進(jìn)行。

[0067] 本發(fā)明還提供了一種電解制氫的工藝，包括以下步驟：[0068] 將海水水蒸氣通入燃料極，將空氣通入空氣極，開啟電源，對(duì)平管式固體氧化物電解池通電，進(jìn)行電解，得到氫氣；

[0069] 所述平管式固體氧化物電解池的溫度為700～850℃。[0070] 本發(fā)明對(duì)海水進(jìn)行加熱使其蒸發(fā)以獲得海水蒸汽，所述加熱的溫度優(yōu)選為90～100℃，如90℃、94℃、97℃或100℃，優(yōu)選為以上述任意數(shù)值為上限或下限的范圍值。

[0071] 本發(fā)明直接將海水加熱蒸發(fā)，將海水中的雜質(zhì)與電解槽分離，避免了陽極上氯化物氧化與水氧化反應(yīng)之間的競爭，大大的提高了電解槽的壽命和效率。

[0072] 本發(fā)明的高溫電解雖然需要更多的能量將海水加熱蒸發(fā)，但是可以將電解后的高溫尾氣用來加熱海水，這樣可以大大降低海水所需要的成本，且熱能的成本遠(yuǎn)低于電能，尾

氣中未被完全分解的水蒸汽冷凝后又有較高的純度，可收集利用。

[0073] 在本發(fā)明中，所述電解的電壓為0.9～1.5，更優(yōu)選為1.0～1.4，如0.941、1.061、1.085、1.175、1.260、1.332、1.405，優(yōu)選為以上述任意數(shù)值為上限或下限的

范圍值。

[0074] 在本發(fā)明中，可直接將海水蒸汽通入電解池中電解制氫，也可以氫氣為載氣與海水蒸汽一起通入電解池中，可提高海水蒸汽的分布均勻性。

[0075] 在本發(fā)明中，所述平管式固體氧化物電解池的溫度優(yōu)選為700～850℃，更優(yōu)選為750～800℃。

[0076] 本發(fā)明可以直接將海水加熱蒸發(fā)，在750℃高溫下利用固體氧化物電解池(SOEC)對(duì)水蒸氣進(jìn)行電解，可以將海水中的絕大部分雜質(zhì)與電解槽分離，降低海鹽或者有害陰離

子對(duì)電解槽的腐蝕影響。在SOEC特有的高溫環(huán)境下電解，可獲得更高的電/化學(xué)能量轉(zhuǎn)化效

率，因?yàn)樗纸夥磻?yīng)的吉布斯自由能隨溫度的升高而降低，低自由能意味著低電壓，低電壓

意味著低成本。SOEC在電解純水時(shí)的理論制氫效率和單位面積上的產(chǎn)氫速率均明顯優(yōu)于堿

性電解槽和質(zhì)子交換膜電解槽。

[0077] 為了進(jìn)一步說明本發(fā)明，以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的一種平管式固體氧化物電解池、電解海水制氫裝置及電解制氫的工藝進(jìn)行詳細(xì)描述，但不能將其理解為對(duì)本發(fā)明

保護(hù)范圍的限定。

[0078] 本發(fā)明實(shí)施例所用的海水取自中國浙江省寧波市近海，實(shí)驗(yàn)時(shí)直接使用未經(jīng)任何處理的天然海水。所用海水原液及揮發(fā)分成分如表1所給，由表可知，將海水揮發(fā)再冷凝后，

其中離子濃度降至ppm量級(jí)，認(rèn)為該揮發(fā)分為進(jìn)入電池的蒸汽成分。

[0079] 表1海水原液與揮發(fā)分成分[0080][0081] 1)平管式固體氧化物電解池的制備[0082] 首先將NiO與3YSZ按1:1混合并加入表面活性劑和塑化劑，用球磨或者噴霧造粒方法得到尺寸為30～50μm和50～150nm的兩種粉體，并將兩種尺寸的粉體按60％：40％的比例

混合，加壓擠出成型后在1300℃下燒結(jié)得到陽極支撐體；采用絲網(wǎng)印刷法在陽極支撐體兩

側(cè)各絲印一層活性陽極，活性陽極成分為NiO?8YSZ；在電池兩面絲印YSZ電解質(zhì)，電解質(zhì)僅

完全覆蓋一側(cè)活性陽極，另一側(cè)露出部分活性陽極用于陽極集流；在被電解質(zhì)完全覆蓋的

一側(cè)絲印一層GDC(氧化釓摻雜的氧化鈰)阻擋層；然后在GDC表面絲印一層(La0.6,Sr0.4)

(Co0.2,Fe0.8)O3(LSCF)+GDC陰極；然后在陰極表面絲印一層LSCF作為緩沖層；最后陰極表面

用絲網(wǎng)印刷的方法絲印一層高導(dǎo)電性的銀漿或者銀漿網(wǎng)格。最終得到全尺寸為155mm×

2

63mm×5mm、有效面積為73cm的NiO?8YSZ/NiO?3YSZ/NiO?8YSZ/YSZ/GDC/GDC+LSCF/LSCF/

Ag結(jié)構(gòu)中空平管電池。

[0083] 2)海水電解制氫裝置[0084] 如圖1所示，將未經(jīng)過處理的海水直接裝入海水儲(chǔ)存裝置中，海水儲(chǔ)存裝置放入水浴鍋中加熱，三頸瓶中的海水的最高界面低于水浴鍋中的水面，保證海水的溫度均勻、準(zhǔn)

確。海水儲(chǔ)存裝置的連接口一為氫氣入口，二為氫氣/水蒸氣出口，三為海水注入口。氫氣出

口處連接有溫度傳感器，顯示水蒸氣溫度。氫氣/水蒸氣通過海水儲(chǔ)存裝置和SOEC之間的管

道通入SOEC中。SOEC的空氣出口通過管道通入水浴鍋中，可以利用空氣出口尾氣的熱量加

熱水浴鍋中的水。SOEC的氫氣/水蒸氣出口連接冷凝裝置，收集純水，氫氣則繼續(xù)通入氫氣

儲(chǔ)存器中保存。

[0085] 3)電解海水制氫[0086] 將電池裝入電池測試夾具中并置于加熱爐恒溫在750℃下進(jìn)行測試。測試前，先將加熱爐按照0℃(20min)100℃(50min)200℃(250min)450℃(30min)450℃(180min)800℃

(20min)800℃(50min)750℃的程序升溫至750℃；而后用0.3L/minN2吹掃燃料極以排除燃

料極中的氧氣；再向電池燃料極通入0.3L/min氫氣、空氣極通入1.5L/min空氣還原陽極中

的NiO，待電池開路電壓穩(wěn)定后，開始測試。

[0087] 測試時(shí)，將干燥的氫氣通入裝有海水的海水儲(chǔ)存裝置，海水儲(chǔ)存裝置置于控溫水浴鍋中，通過改變水浴溫度控制水蒸氣含量。將攜帶海水揮發(fā)物的氫氣通入電池燃料極，空

氣極則不斷通入3.0L/min空氣。利用電池測試系統(tǒng)得到電流密度?電壓(J?)曲線并進(jìn)行恒

流電解試驗(yàn)。

[0088] 實(shí)施例1[0089] 采用上述1)～3)中的測試方法對(duì)電解池電解海水制氫進(jìn)行性能測試，在電解池中通入0.6L/minH2和3.0L/minAir，電池的開路電壓為1.061，電解池初始放電性能如圖2

2

所示，由圖2可知，本發(fā)明中的電解池最大功率密度為429mW/cm。

[0090] 然后以0.4L/minH2為載氣、在不同水浴溫度(不同濕度)下電解的電流?電壓(I?)極化曲線如圖3，水浴鍋溫度分別為81℃、86℃、90℃、94℃、97℃(分別為純水飽和蒸汽壓

為50％、60％、70％、80％、90％)，氣管加熱溫度T＝120℃。由圖3可知，隨著水蒸氣量增加，

同電壓下充電電流密度顯著升高，水浴94℃以上時(shí)，極化曲線變得平直。電解電壓可在高電

流密度下保持平穩(wěn)增長。

[0091] 實(shí)施例2[0092] 采用上述1)～3)中的測試方法對(duì)電解池電解海水制氫進(jìn)行性能測試，通入0.6L/minH2和4.0L/minAir，電池的開路電壓為0.941，電解池初始放電性能如圖4所示，由圖4

2

可知，最大功率密度為411mW/cm。

[0093] 然后以0.4L/minH2為載氣、不同水浴溫度(不同濕度)時(shí)電解的電流?電壓(I?)極化曲線如圖5，水浴鍋溫度分別為81℃、86℃、90℃、94℃、97℃(分別為純水飽和蒸汽壓為

50％、60％、70％、80％、90％)，氣管加熱溫度T＝120℃。由圖5可知，隨著水蒸氣量增加，同

電壓下充電電流密度顯著升高，水浴94℃以上時(shí)，極化曲線變得平直。電解電壓可在高電流

密度下保持平穩(wěn)增長。

[0094] 圖6為不同溫度下，1.3電解時(shí)水蒸氣轉(zhuǎn)化率，水蒸氣轉(zhuǎn)化率是指參與電解反應(yīng)轉(zhuǎn)化成氫氣的水蒸氣量/水高溫蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣量，溫度越高，水蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣量越

多，即分母越大，則轉(zhuǎn)化率越低。圖6為不同溫度下，1.3電解時(shí)氫氣產(chǎn)量，由圖6可以看出，

溫度越高，水蒸氣轉(zhuǎn)化率越低，同時(shí)因?yàn)?4℃以上的極化曲線都變得穩(wěn)定，所以我們選擇在

94℃時(shí)進(jìn)行長時(shí)間的恒流電解。如實(shí)施例3所示進(jìn)行了約500h的電解。圖7說明了同水浴溫

度下的產(chǎn)氫量，同時(shí)94℃以上產(chǎn)氫量變化較小。

[0095] 實(shí)施例3[0096] 采用上述1)～3)中的測試方法對(duì)電解池電解海水制氫進(jìn)行性能測試，以0.2L/minH2為載氣和3.0L/minAir、不同水浴溫度(不同濕度)時(shí)電解的電流?電壓(I?)極化曲線如

圖8，水浴鍋溫度分別為81℃、86℃、90℃、94℃、97℃(分別為純水飽和蒸汽壓為50％、60％、

70％、80％、90％)，氣管加熱溫度T＝120℃。由圖8可知，隨著水蒸氣量增加，極限電流密度

增加。直線部分充電電流的增加主要依賴于歐姆阻抗的變化。水浴94℃和97℃時(shí)，極化曲線

變得平直且基本重合。

[0097] 然后在水浴94℃時(shí)進(jìn)行恒流電解，電解電壓分別為1.085，1.175,1.260,1.332,1.405。結(jié)果如圖9所示，圖9所示為不同電流密度下的電解電壓以及穩(wěn)定性，電流

2

密度為200mA/cm時(shí)，電解電壓～1.3，且長時(shí)間電解時(shí)電壓基本保持穩(wěn)定。

[0098] 在電流密度為200mA/cm2時(shí)進(jìn)行長時(shí)間的海水電解，海水加熱溫度是94℃。電解電壓為1.3，氫氣載氣為0.2L/min，空氣極通入3.0L/minAir，產(chǎn)氫量如圖10示，實(shí)際產(chǎn)氫量

為183mL/min(已扣除氫氣載氣用量)，與理論值一致。并且展示了良好的長期穩(wěn)定性。

[0099] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)

視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。