CN101133510A - 用于电化学系统的导电陶瓷 - Google Patents

Abstract

本发明总体上涉及导电材料，例如混合离子和电传导材料。根据本发明提供多种材料、材料组合物、具有有利的离子和电子传导组分比例的材料、包括该材料的结构等。在一个方面，本发明涉及用于电化学系统的导电陶瓷，具体涉及可以用于例如电化学系统的混合离子和电传导陶瓷，具体涉及可以用于例如从气化烃气流产生氢气的混合离子和电传导陶瓷。本发明的一个方面提供一种材料，该材料包括含有陶瓷离子导体的第一相和含有陶瓷电导体的第二相。该材料的一个实例包括用Sc₂O₃掺杂的ZrO₂以及用Y₂O₃掺杂的SrTiO₃。本发明的另一个方面提供利用上述材料，例如存在于反应器的膜内，由燃料例如含碳燃料产生氢气的系统和方法。在某些实施方案中，可以通过原位电解产生基本纯的氢气流。在某些情况下，可以使用上述材料以促进涉及燃料如含碳燃料的第一反应与涉及水－氢转换反应(即，其中水被还原成氢气)的第二反应之间的离子和/或电子交换。在其它方面，本发明提供用于由燃料源如含碳燃料源产生电能的系统和方法。

Description

用于电化学系统的导电陶瓷

相关申请

本申请要求由Rackey等人于2004年10月5日提交的题为“Conducting Ceramics for Hydrogen Generation”的美国临时专利申请序列第60/616,475号，以及由Rackey等人于2005年3月16日提交的题为“Conducting Ceramics for Electrochemical Systems”的美国临时专利申请序列第60/662,321号的优先权，上述申请均通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及用于电化学系统的导电陶瓷，更具体而言，涉及混合离子和电传导陶瓷。

背景技术

目前，对使用氢作为燃料源有很大的关注。氢可以由例如含碳燃料产生。用于从含碳燃料中分离氢的传统方法通常需要如图1所示的步骤。总括地说，这些步骤包括：(1)含碳燃料的气化反应产生合成气(水(H₂O)、一氧化碳(CO)和其它化合物的混合物)；(2)净化步骤，其中从合成气流中去除颗粒；(3)水气变换应，其中使水和一氧化碳反应以生成氢气(H₂)和二氧化碳(CO₂)；以及(4)氢气的分离。

合成气可以通过使含碳燃料与水蒸汽、空气、或纯氧反应生成氢气、一氧化碳、二氧化碳、水、以及低级烃的混合物而获得。由该反应产生的颗粒和污染物在后续步骤中去除。然后，使合成气流反应，从而通过使合成气流通过合适催化剂、经水-气变换反应而形成氢气。水-气变换反应如下：

更先进的“变换”反应器试图在降低的温度下获得化学平衡，同时还在单个反应器中完成全部水-气变换反应。因此需要随后的分离步骤以除去在该反应中产生的CO₂，其在该工艺中典型地通过变压吸附技术完成。然而，变压吸附技术能量消耗量大并无法以连续方式实施。

气体分离方法的其它实例包括利用通过材料的气体分子之间的扩散系数差异的扩散方法来实现气体分离。在这些方法中使用的材料典型地具有允许较小的分子相对于较大的分子以更高的速率扩散的微孔性，和/或优先溶解某些原子或分子，这造成它们迁移通过材料的能力的差异。然而，这些材料的妨害以及成本和能量强度是仍然需要更先进的氢气分离方法的原因。

发明内容

在一个方面，本发明总体上涉及用于各种用途的不同布置的混合离子和电传导材料。在一组实施方案中，本发明涉及用于电化学系统的导电陶瓷，更具体而言，涉及混合离子和电传导陶瓷。本发明的各种实施方案涉及相对无孔或致密的混合传导材料、具有相对低的联合电阻率的混合传导材料，具有特殊的相粒子或颗粒尺寸或等级的用作混合离子和电传导材料的特定材料，以及包括采用包括有孔和无孔结构的多层布置的混合离子和电传导材料的结构，在所述布置中，其某些结构可以支撑其它结构。

在另一方面，本发明还涉及用于由燃料产生能量的系统，其中反应器使燃料(和相关杂质，如果存在的话)与可能被燃料的杂质或其它组分损坏或妨害的燃料电池或相关的电化学能量转换装置物理分离。在某些实施方案中，本发明还涉及能使氢反应以产生电能和水的电化学能量转换系统、由水生成氢、以及利用氢作为电化学反应中的燃料以产生能量。

在又一方面，提供了一种系统，其组合本文所描述的多个单独的发明方面。在这种系统中，使包括或单独基于氢的燃料在反应器(例如，燃料电池或其它电化学装置)的第一部分中反应，以产生电能。在反应中产生的包括水的废气通过消耗不同的第二燃料而驱动，在反应器的第二部分中进行电化学反应被再转化成氢。所述第一部分和第二部分可以容纳在相同的室或容器内，或所述第一和第二部分可以位于如利用管线、管道系统等流体连通的分离容器内。

在本发明的某些实施方案中，由此生成的氢可以被用来在第一部分中产生电流，再产生水，其以循环方式在第二部分中被再转换成氢。在其它实施方案中，在第二部分中由水(其由第一部分产生)产生的氢也可以用于其它目的，例如作为用于不包括第一部分或第二部分的电化学装置的燃料。

在一些实施方案中，第二部分包括混合离子和电传导材料，其物理隔离第一部分中产生的水与第二部分中提供的第二燃料，除了通过混合传导材料的离子和/或电子传导外。这样，包括如果存在的任意杂质的第二燃料可以与第一部分物理隔离，由此防止污染第一部分，如果这种污染可能对第一部分有害的话。

在某些情况下，本发明的主题涉及相关产物、具体问题的替代解决方案和/或一种或多种系统和/或制品的多种不同用途。

在一个方面，本发明是一种方法。在一组实施方案中，该方法包括以下过程：使包含氢的燃料在反应器的第一部分中反应产生电流和水；使水在反应器的第二部分中反应产生氢；以及使在反应器的第二部分中产生的至少一部分氢反应产生电流。根据另一组实施方案，该方法包括以下过程：使穿过混合离子和电传导材料的燃料和水反应生成氢，其中除穿过材料的离子和电子传导之外，水与燃料隔离；以及使至少一部分氢反应产生电流。

在一组实施方案中，该方法包括以下过程：利用由包括含有陶瓷离子导体的第一相和含有陶瓷电导体的第二相的材料提供的电子，使水反应以产生具有至少约90％纯度的H₂(不包括可能存在的任何残留物、未反应的水)。在另一组实施方案中，该方法包括以下过程：使含碳燃料反应以在材料内产生电子，以及使电子与水反应以在材料内产生氧离子，该氧离子能够与含碳燃料反应。在又一组实施方案中，该方法包括以下过程：使可氧化物质反应以在材料内产生电子，以及使电子与不与可氧化物质物理接触的可还原物质反应以产生H₂。在部分这些实施方案中，第一相基本在整个材料中互连使得该材料是离子传导的，并且第二相基本在整个材料中互连使得该材料是电子传导的。

在一组实施方案中，该方法包括以下过程：提供具有第一侧和第二侧的混合离子和电传导材料，使可氧化物质流过所述材料的第一侧，以及使可还原物质沿相对于可氧化物质的流动基本逆流的方向流过所述材料的第二侧。

在另一方面，本发明包括反应器。在一组实施方案中，该反应器包括将室分成第一隔室和第二隔室的材料、与第一隔室的入口流体连通的含碳燃料源、以及与第二隔室的入口流体连通的水源。在某些实施方案中，该材料包括含有陶瓷离子导体的第一相和含有陶瓷电导体的第二相。在某些情况下，第一相基本在整个材料中互连使得该材料是离子传导的，并且第二相基本在整个材料中互连使得该材料是电子传导的。

在另一组实施方案中，该反应器包含具有第一侧和第二侧的混合离子和电传导材料，被导引流过材料第一侧的可氧化物质的源，以及被导引沿相对于可氧化物质的流动基本逆流的方向流过所述材料的第二侧的可还原物质的源。在又一组实施方案中，该反应器包括包含具有小于约1开孔/mm²的孔隙率、将室分成第一隔室和第二隔室的混合离子和电传导材料。

在又一组实施方案中，该反应器包含将室分成第一隔室和第二隔室的材料，其中该材料包括含有陶瓷离子导体的第一相和含有陶瓷电导体的第二相。在某些情况下，第一相基本在整个材料中互连使得该材料是离子传导的，并且第二相基本在整个材料中互连使得该材料是电子传导的。在某些实施方案中，陶瓷电导体包括具有化学式A_1-xSr_xTiO₃的陶瓷，其中x在约0.1至约0.5之间，并且A表示一个或多个原子，各自独立地选自Y、La、Nb、Yb、Gd、Sm和Pr。

在另一组实施方案中，该反应器包含将室分成第一隔室和第二隔室的混合离子和电传导材料。在某些实施方案中，该材料包括含有YSZ(“氧化钇稳定的氧化锆”)材料的第一相和含有YST(“钇掺杂的SrTiO₃”)材料的第二相。在某些情况下，第一相基本在整个材料中互连使得该材料是离子传导的，并且第二相基本在整个材料中互连使得该材料是电子传导的。在又一组实施方案中，该反应器包含将室分成第一隔室和第二隔室的材料，其中该材料具有小于约1000欧姆cm的电阻率。在某些实施方案中，该材料包括含有陶瓷离子导体的第一相和含有陶瓷电导体的第二相。在又一实施方案中，该反应器包含将室分成第一隔室和第二隔室的材料。

本发明的另一方面涉及一种系统。在一组实施方案中，该系统包括气化室；与该气化室流体连通的燃料源；容纳在该气化室内，通过包含陶瓷的材料与该气化室至少部分流体分离的分离室，其中该材料是离子传导的；以及与第二隔室流体连通的水源。

本发明的又一方面涉及一种制品。在一组实施方案中，该制品包括基本无孔的材料，该材料包括含有陶瓷离子导体的第一相和含有陶瓷电导体的第二相，以及与该材料物理接触的多孔衬底。在某些情况下，第一相基本在整个材料中互连使得该材料是离子传导的，并且第二相基本在整个材料中互连使得该材料是电子传导的。在另一组实施方案中，该制品包括第一多孔混合离子和电传导材料，以及物理上与第一多孔混合导电材料接触的无孔混合离子和电传导材料。

在另一方面，本发明涉及一种实施本发明所描述的一个或多个实施方案的方法，例如，包括含有陶瓷离子导体的第一相和含有陶瓷电导体的第二相的材料。在又一方面，本发明涉及使用本发明所描述的一个或多个实施方案的方法，例如包括含有陶瓷离子导体的第一相和含有陶瓷电导体的第二相的材料。

在结合附图考虑时，通过以下对本发明的各种非限制性实施方案的详细描述，本发明的其它优点和新特征将变得显而易见。在本说明书和以引用方式并入的文献包括抵触和/或不一致的公开内容的情况下，本说明书应该处于支配地位。如果以引用方式并入的两篇或多篇文献包括关于彼此抵触和/或不一致的公开内容，则具有更晚生效期的文献应该处于支配地位。

附图说明

将参照附图通过实施例方式描述本发明的非限制性实施方案，这些附图是示意性的并且不是按比例绘制的。在这些附图中，示出的每一相同或几乎相同的组件通常用单一附图标记表示。为了清楚的目的，没有在每幅附图中标出所有组件，当图示对于本领域普通技术人员理解本发明不是必要的时候，也没有示出本发明每一实施方案的所有组件。在附图中：

图1是由含碳燃料源产生氢气的过程的示意图；

图2A和图2B是本发明的各种实施方案的示意图，其中在电化学装置中使用本发明的材料；

图3是根据本发明的一个实施方案制备的YST-8YSZ材料的XRD图案与单独的YST和单独的8YSZ的XRD图案的对比；

图4是用于反应器中以氧化诸如煤的燃料用来产生氢气的本发明一个实施方案的示意图；

图5是用于反应器中以氧化诸如煤的燃料从而产生氢气的本发明另一实施方案的示意图；以及

图6A-6D是可以与本发明的各种实施方案一起使用的不同燃料电池以及在使用过程中可能发生的化学反应的示意图。

具体实施方式

在某些方面，本发明总体上涉及导电材料，如混合离子和电传导材料。根据本发明提供各种材料、材料组合物、具有有利的离子和电子传导组分比例的材料、包括这种材料的结构等。

在一组实施方案中，本发明总体上涉及用于电化学系统的导电陶瓷，并且具体涉及混合离子和电传导陶瓷，其可用于例如由气化烃气流的氢气产生。虽然混合陶瓷导体在本领域是已知的，但本发明以各种实施方案提供了以特定方式组合以获得有利的导电性能的可选材料、在多层布置中任选被支撑的薄导电材料等的多相系统。

本发明的一个方面提供了一种包括含有陶瓷离子导体的第一相和含有陶瓷电导体的第二相的材料。这样的材料的一个实例是包含Sc₂O₃掺杂的ZrO₂和钇掺杂的SrTiO₃的材料。本发明的另一个方面提供了利用如上所述的那些材料(例如存在于反应器膜内)由例如含碳燃料的燃料产生氢气体的系统和方法。在某些实施方案中，可以通过原位电解产生基本纯的氢气流。在某些实施方案中，可以使用如上所述的材料，以促进在涉及如含碳燃料的燃料的第一反应和涉及水-氢转换反应(即，其中水被还原成氢气)的第二反应之间的离子和/或电子交换。在其它方面，本发明提供了用于由燃料源如含碳燃料源产生电能的系统和方法。

本发明的各种实施方案使用诸如含碳燃料的燃料，以用于消耗和/或驱动各种化学反应如氢的生成。含碳燃料的实例包括但不限于，导电碳、石墨、类石墨、煤、焦炭、木炭、富勒烯、巴克明斯特富勒烯、炭黑、活性碳、脱色碳、烃燃料、含氧烃、一氧化碳、脂肪、油、木制品(wood product)、生物质及其组合。烃燃料可以任意地用化学式C_xH_y表示，尽管实际上，烃燃料还可以包含除碳和氢的另外杂质，例如硫(S)、氧(O)、氮(N)等。因此，应该理解，如本文所使用的，提及的“烃燃料”或“C_xH_y”也可以包括除纯烃外的其它杂质，例如硫、氧、氮等。因此，烃燃料的非限制性实例将包括饱和和不饱和的烃，脂肪族化合物、脂环族化合物、芳族化合物及其混合物。烃类燃料的其它非限制性实例包括汽油、柴油、煤油、甲烷、丙烷、丁烷、天然气及其混合物。含氧烃燃料的实例包括醇，其进一步包括C₁-C₂₀醇及其组合。具体实例包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇及其混合物。

本发明的一个实施方案使用煤如烟煤作为燃料。天然煤含有显著量的结合氢和水。例如，在Kentucky烟煤中，原子组成近似为CH_0.81O_0.08，其一旦在800℃下气化，则产生具有约10^-20atm的氧分压的气体混合物。合适燃料的另外实例包括但不限于，流化燃料(fluidized fuel)，如气化煤、气化石油焦炭、气化油、气化蜡、气化塑料、气化废流、气化的生物衍生燃料例如木材、农业废弃物、污泥、或填埋气体、污水处理厂蒸煮气、天然气、甲烷、丙烷、丁烷、柴油、汽油、原油、重油(bunker)(来自石化工业的副产物)等。

如上所述，本发明的一个方面涉及一种能传导离子和电子的材料，即该材料表现为“混合传导”，因为该材料即是离子传导的又是电子传导的。本文中该材料可以称作“混合离子和电传导材料”、“混合传导材料”、或“MIEC”材料。例如，该材料可以包括既是离子传导又是电子传导的一元材料(unitary material)，或该材料可以包括两种或多种不连续相(即，在材料内基本具有相同组成的不连续区)。例如，如图2A所示，本发明的材料10可以用于反应器中，使高氧分压环境12与低氧分压环境14分离。在该实施例中，材料10包括能传导氧离子的离子传导相11，和能传导电子的电传导相13。在这样的反应器中，使用合适的反应物，净结果可能是氧从具有高氧分压的区域12穿过材料迁移到具有低氧分压的区域14。例如，在隔室12内，可以发生还原过程(例如，使水转化成氢气)，而在隔室14内，可以发生氧化过程(例如，使燃料转化成被氧化的燃料，其可以部分或完全氧化，例如氧化成水、二氧化碳、SO₂等)。由于氧的电离，在某些实施方案中，也可以跨越材料产生电场，其可能形成迁移穿过陶瓷的至少一部分驱动力。应该注意到，虽然在该实施例中使用了氧，但由于离子迁移穿过材料10，因此在其它实施方案中，代替或除了氧之外，其它物质例如氢也可以迁移穿过材料10。

例如，通过识别限定离子或电传导部分的材料的单独部分可以辨别混合传导材料中的不同相。例如，当混合传导材料是陶瓷时，如下文更详细描述的，可以通过识别材料内的单独陶瓷晶粒来辨别不同相，其中，材料的每一相通常包含具有不同化学组成和/或晶格结构的晶粒。例如，使用诸如电子显微镜等的已知技术，本领域的普通技术人员可以很容易地辨别材料内的不连续相。

在某些情况下，本发明的材料或该材料的至少一部分(例如，该材料的一个或多个不连续相)包括陶瓷。例如，在某些实施方案中，该材料包括至少两相，包括含有离子导体的第一相和含有电导体的第二相，其中第一相和/或第二相是陶瓷。如下文更详细描述的，这样的材料的非限制性实例包括YST-YSZ化合物、YST-ScSZ化合物、YST-CGO化合物等。

在某些实施方案中，如果存在两个或多个相，则它们相对于彼此排列，使得第一相基本上在该材料的大部分上完全互连，以使该材料是离子传导的，和/或第二相基本上在整个该材料上互连，以使该材料是电子传导的。如本文所使用的，“基本上互连”是指从材料的第一表面延伸至仅位于材料的一个相内的材料的第二表面的通路。因此，例如，离子传导通路允许离子如氧离子从材料的第一表面迁移到材料的第二表面，同时所述离子仅保持在材料的一个相内，而电子传导通路可以使电子仅在材料的一个相内从材料的第一表面迁移到材料的第二表面。优选地，在该材料中存在多个互连通路，使得从材料的第一表面到材料的第二表面存在多个离子传导通路和多个电子传导通路，在某些实施方案中，足以实现如下文所述的导电特性和/或电阻特性。本领域的普通技术人员利用本文的公开内容可以容易地配制材料，以获得这些结果。例如，该材料可以包含第一离子传导相和与该第一相缠绕在一起(例如，3维缠绕)的第二电子传导相，或该材料可以包含第一离子传导相和第二电子传导相穿过的第三相。

如果在该材料中存在两相，则这些相可以以任意比例存在，例如，离子传导相可以以按重量计约5％至约98％、按重量计约10％至约95％、按重量计约30％至约92％、按重量计约40％至约90％等之间的百分数存在于材料中，其余为电子传导相。在某些实施方案中，例如，在陶瓷混合离子和电传导材料的情况下，一相(例如，在多数陶瓷材料的情况下的离子传导相)具有显著大于电子传导相的电阻率。本发明认识到这种特征，因此提供了调节相对于彼此的两种材料的比率的能力(以及其它性能，例如密度)以赋予平衡的电导率，同时保持整个材料中的每一相的良好导电性。也就是说，在这种情况下，可以提供相对于电传导材料更多的离子传导材料，以弥补增加的离子传导相电阻率，而无需改变离子与电传导材料的比例以致于电传导材料的存在量不足以为整个材料提供充足的电子传导互连通路以提供充分的电导率。例如，离子传导相可以以如上文所述的百分数存在，或按重量计约50％至约90％、或按重量计约60％至约88％之间的百分数存在，其余为电子传导相。在其它实施方案中，这些比例存在于离子和电子传导相相对于彼此之间，但是材料中可以存在其它组分，使电子和离子传导材料的总量降低到它们相对于彼此存在的百分数以下。

如本文所使用的，“离子传导材料”是其中能够迁移一种或多种类型的离子如氧离子或氢离子的材料。在一组实施方案中，离子导体是陶瓷离子导体或者包括陶瓷离子导体。在某些情况下，陶瓷离子导体可以包括La-铁酸盐材料、二氧化铈和氧化锆中的一种或多种，其各自可以是掺杂或无掺杂的，如在下文所详细描述的。陶瓷离子导体的非限制性实例是La-铁酸盐材料，例如包括La、Sr、Cr、Fe、以及O(例如，诸如La_0.2Sr_0.8Cr_0.2Fe_0.8O₃的“LSCrF”材料)的材料。

在某些情况下，陶瓷离子导体具有钙钛矿结构，或立方结构。在相对低的氧分压下(例如，pO₂低于约10^-15atm)，在约800℃至约1000℃之间的温度下，陶瓷离子导体可以具有约0.2S/cm至约0.8S/cm的离子电导率。在其它情况下，在该温度下，离子电导率可以为至少约0.2S/cm、至少约0.3S/cm、至少约0.4S/cm、至少约0.5S/cm、至少约0.6S/cm、至少约0.7S/cm、至少约0.8S/cm、至少约0.9S/cm、或至少约1.0S/cm或更高。

在一个实施方案中，离子导体包括铈酸盐(即，氧化铈)，例如，铈土或CeO₂。含铈土的材料包括但不限于CeO₂基钙钛矿，例如Ce_0.9Gd_0.1O₂或Ce_1-xGd_xO₂，其中x不大于约0.5；或镧掺杂的铈土，例如(CeO)_1-n(LaO₅)_n其中n为约0.01至约0.2。在某些情况下，铈土可以用钆掺杂。例如，在生产过程中，氧化钆和氧化铈可以混合在一起生成“CGO”(钆掺杂的氧化铈)。CGO材料可以具有钙钛矿结构。CGO材料可以包括约10％至约20％的钆，或约12％至约18％的钆。在某些情况下，在约700℃至约900℃之间的温度下，在相对低的氧分压(例如，低于约10^-15atm)下，和/或在氧化气氛下，CGO材料可以具有约0.06S/cm至约0.24S/cm之间的电导率。在低于约10^-15atm的分压下，CGO材料可以表现出更高的离子电导率。例如，在10^-18atm的分压和900℃温度下，CGO材料可以具有超过约0.4S/cm的离子电导率和约1.6S/cm的电子电导率。CGO也可以具有用作还原催化剂的额外优点。这种还原可以有效地增加材料的界面面积。

在本发明的又一实施方案中，离子导体包括氧化锆(即，氧化锆材料)。氧化锆材料的实例包括但不限于，(ZrO₂)(ZrO₂)(HfO₂)_0.02(Y₂O₃)_0.08、(ZrO₂)(Y₂O₃)_0.08、(ZrO₂)(HfO₂)_0.02(Y₂O₃)_0.08、(ZrO₂)(HfO₂)_0.02(Y₂O₃)_0.05、(ZrO₂)(HfO₂)_0.02(Y₂O₃)_0.08(TiO₂)_0.10、(ZrO₂)(HfO₂)_0.02(Y₂O₃)_0.08(Al₂O₃)_0.10、(ZrO₂)(Y₂O₃)_0.08(Fe₂O₃)_0.05、(ZrO₂)(Y₂O₃)_0.08(CoO)_0.05、(ZrO₂)(Y₂O₃)_0.08(ZnO)_0.05、(ZrO₂)(Y₂O₃)_0.08(NiO)_0.05、(ZrO₂)(Y₂O₃)_0.08(CuO)_0.05、(ZrO₂)(Y₂O₃)_0.08(MnO)_0.05以及ZrO₂CaO。在某些实施方案中，可以使用一种或多种掺杂剂例如金属诸如镍、或过渡金属诸如Y或Sc，将氧化锆稳定在立方结构中，其加入的量可以足以赋予掺杂的氧化锆以立方结构。例如，在生产氧化锆过程中，氧化钇(Y₂O₃)和/或氧化钪(Sc₂O₃)可以作为掺杂剂材料加入，以产生氧化钇稳定的氧化锆材料(“YSZ”)、氧化钪稳定的氧化锆材料(“ScSZ”)、或既用氧化钇又用氧化钪稳定的氧化锆。如本文所使用的，“稳定”氧化锆是向氧化锆中加入(掺杂)足以使氧化锆形成立方结构的量的材料。氧化钇和/或氧化钪可以以任何合适的浓度，例如以约2mol％、约4mol％、约6mol％、约8mol％、约10mol％等的摩尔比加入。作为非限制性的实例，在约800℃至约1000℃之间的温度下，可以制备“8YSZ”材料(即，掺杂有8mol％氧化钇的YSZ材料)，其可以具有约0.02S/cm至约0.1S/cm之间的离子电导率；或在约800℃至约1000℃之间的温度下，可以制备“10ScSZ”材料(即，掺杂有10mol％氧化钪的ScSZ材料)，其可以具有约0.1S/cm至约0.3S/cm之间的离子电导率。在某些实施方案中，不与离子传导材料混合的YSZ也可以是有用的。

在又一实施方案中，离子导体可以包括具有化学式(ZrO₂)(HfO₂)_a(TiO₂)_b(Al₂O₃)_c(Y₂O₃)_d(M_xO_y)_e的材料，其中a为从0至约0.2，b为从0至约0.5，c为从0至约0.5，d为从0至约0.5，x大于0且小于或等于2，y大于0且小于或等于3，e为从0至约0.5，以及M选自钙、镁、锰、铁、钴、镍、铜和锌。非限制性的实例包括LaGaO₃基钙钛矿氧化物，例如La_1-xA_xGa_1-yB_yO₃，其中A可以是Sr或Ca，B可以是Mg、Fe、Co，以及x为从约0.1至约0.5，y为从约0.1至约0.5(例如，La_0.9Sr_0.1Ga_0.8Mg_0.2O₃)；PrGaO₃基钙钛矿氧化物电解质，例如Pr_0.93Sr_0.07Ga_0.85Mg_0.15O₃或Pr_0.93Ca_0.07Ga_0.85Mg_0.15O₃；以及Ba₂In₂O₅基钙钛矿氧化物电解质，例如Ba₂(In_1-xGa_x)₂O₅或(Ba_1-xLa_x)In₂O₅，其中x为从约0.2至约0.5。

如本文所使用的，“电子传导材料”是电子可以容易地迁移通过的材料。电子导体可以是例如导电材料或半导体材料。在一组实施方案中，电子导体可以是陶瓷电子导体或者包括陶瓷电子导体。例如，陶瓷电子导体可以包括LST材料、YST材料、YLST材料、以及LCC材料中的一种或多种。如本文所使用的，“LCC”是指任意镧-钙-铬氧化物，即LCC材料包括La、Ca、Cr和O，例如，La_0.8Ca_0.2CrO₃。在某些实施方案中，La_0.8Ca_0.2CrO₃可以具有约40S/cm(例如，在还原气氛下)至约80S/cm(例如，在氧化气氛下)之间范围内的电子电导率。在某些情况下，在可以采用在1400℃下无压烧结至LCC的真密度。

在一个实施方案中，陶瓷电子导体包括YST(Y-Sr-Ti)材料，即包括Y、Sr、Ti和O的陶瓷材料，例如Sr_0.88Y_0.08TiO₃。在某些情况下，YST材料可以具有化学式Y_1-xLa_xTiO₃，其中x可以在约0.1至约0.5之间，或在某些情况下在约0.2至约0.4之间。在某些情况下，YST材料也可以具有还原电极极化。在某些实施方案中，可以通过用钇掺杂SrTiO₃来制备YST材料。这种YSZ材料在高温下可以具有相对高的电子电导率，例如在800℃温度下和在约10^-14至约10^-19atm之间的氧分压下具有约50S/cm至约80S/cm的电子电导率。作为特别的非限制性实施例，制备YST材料并在1400℃下烧结。该材料的X射线衍射(“XRD”)分析表明没有反应发生(图3)，并且通过SEM分析表明非常致密。在图3中，上面的图示出在1400℃下烧结5小时的50/50wt％的YST-8YSZ材料的XRD图案。两个较小的图(在下面)示出根据单独的YST和单独的YSZ的已知标准的两个单一组分的XRD图案。在上面的图中的每一条线在两个较小的图上都被发现，因此可以推断，在本实施例中没有形成可以利用XRD探测到的新的化合物。

在另一实施方案中，陶瓷电子导体可以包括含有LST(La-Sr-Ti)材料的材料，即包括La、Sr、Ti以及O的陶瓷材料。该材料可以例如通过使SrTiO₃与氧化镧掺杂来制备。在某些实施方案中，LST材料可以具有化学式Sr_1-xLa_xTiO₃，其中x可以在约0.1至约0.5之间，或在一些情况下在约0.2至约0.4之间。例如，氧化镧可以作为约20mol％La至约40mol％之间的浓度的掺杂剂加入。

在又一实施方案中，陶瓷电子导体可以既是LST又是YST材料(“YLST”材料)，即陶瓷材料包含Y、La、Sr、Ti以及O。YLST材料可以具有化学式(Y_zSr_1-z)_1-xLa_xTiO₃，其中x可以在约0.1至约0.5之间，或在一些情况下在约0.2至约0.4之间，以及z可以是0到1之间的任何数，例如，0.25、0.5、0.75等。在又一实施方案中，该材料可以包含用Y、La、Nb、Yb、Gd、Sm以及Pr中的一种或多种掺杂的钛酸锶。例如，在一个实施方案中，该材料具有化学式A_1-xSr_xTiO₃，其中A表示一个或多个原子，各自独立地选自Y、La、Nb、Yb、Gd、Sm或Pr，x可以在约0.1至约0.5之间，或在一些情况下在约0.2至约0.4之间。例如，在该结构中的A_1-x可以表示A¹ _al(即，A¹ _1-xLa_xTiO₃)、A¹ _a1A² _a2(即，A¹ _a1A² _a2La_xTiO₃)、A¹ _a1A² _a2A³ _a3(即，A¹ _a1A² _a2A³ _a3La_xTiO₃)、...，等，其中A¹，A²，A³，...，等各自独立地选自Y、La、Nb、Yb、Gd、Sm或Pr，并且a₁，a₂，a₃，...，等中的每一个合计为1-x。

如上文所述，本发明提供了其中电子和离子传导相表现良好的材料，并且这通常意味着提供遍及材料的分别互连的、连续的离子和电传导通路的良好网络。在这点上，上文描述了相对于彼此(其中提供两相材料)的各相的比例。本领域的普通技术人员根据本发明公开的内容可以调整以获得良好导电率的另外参数是材料的密度和/或孔隙率。通常，更致密的材料将包括在材料相的单一部分(例如，陶瓷的晶粒)之间更大的接触，使存在的每一连续导电通路最大化。例如，在某些情况下，混合离子和电传导材料可以具有至少约80％的密度。例如，该材料的密度可以为至少约85％、至少约90％、或至少约95％，基于体积测量。本领域的普通技术人员将知晓用于基于体积来测量材料的相对密度的合适技术。

在某些实施方案中，混合离子和电传导材料是基本无孔的，即材料的孔隙率小于约1开孔/mm²，这可以改善离子和/或电传导率。例如，该材料可以具有小于约1开孔/mm²的孔隙率等。材料中的“开孔”可以通过以下步骤来测量，通过从材料的一侧到另一侧产生至少约5psi(34.5kPa)的压力差，用液体如乙醇的薄膜来涂覆低压表面，以及确定由压力差产生的气泡数，其中存在的气泡流表示存在的开孔。确定孔隙率的另一实例方法为氦泄漏试验，其中需要每cm²单元面积和每psi压力至多约0.01cm³/min的氦泄漏率(1psi为约6.9千帕(kPa))。

根据本发明的公开内容，可以进行密度、无孔性、离子与电传导相的比例、和/或其它调整的组合以调节材料的组合电导率，即组合(离子和电)电阻率。例如，材料的电阻率可以小于约1000欧姆cm(Ωcm)、小于约750欧姆cm、小于约500欧姆cm、小于约250欧姆cm、小于约200欧姆cm、小于约150欧姆cm、小于约100欧姆cm等。

在某些情况下，该材料也可以基本不透气的，即该材料可以用来保持在材料一侧的室的第一隔室内第一气体与材料的另一侧的第二隔室内第二气体的分离(例如，如图2A示意性示出的，在材料的每一侧上具有隔室)，两种气体处于环境压力(约1atm)下。例如，离子和电传导材料可以是充分不透气的，如果两种气体置于混合离子和电传导材料的各一侧，则在至少一天的期间后，在材料的各一侧的小于约5％的气体、小于约3％、或小于约1％的气体能够混合。在某些情况下，在一天后并不能检测到气体的混合。

然而，在其他实施方案中，该材料是多孔的，并允许至少一些气体经其迁移。在某些情况下，该材料可以是选择性渗透的，也就是说，对一些气体是可渗透的，但对于其它气体是不可渗透的。例如，该材料可以对氢气可渗透，但对其它气体不可渗透。在一个实施方案中，该材料是足够多孔的，使得在材料的第一侧和第二侧之间的压力差可以用来引导气体穿过该材料传递，例如，从高压到低压。在其它实施方案中，该材料在环境压力下是气体不可渗透的，但在高压下，该材料可以是对气体可渗透的或选择性可渗透的。

在一组实施方案中，本发明提供利用混合离子和电传导材料的结构。例如，该混合离子和电传导材料的位置可以设置为接触衬底例如多孔衬底。多孔衬底可具有的孔隙率至少足以允许气体诸如氧气、氢气、和/或水蒸汽进入材料，同时提供材料的至少某些力学稳定性，例如，当混合离子和电传导材料作为薄膜层存在时，例如厚度小于约50微米，例如在约10至约20微米之间或者在约10至约40微米之间。在这些或其它厚度下，该材料还可以具有特别高的总长厚比，即其厚度相对于垂直于该厚度的另一尺寸或相对于各自垂直于该厚度的其它两个尺寸可以非常小。长厚比定义为至少一个垂直于厚度的尺寸与厚度自身的比率，可以提供具有长厚比为至少约5∶1，10∶1，20∶1，50∶1，或100∶1的本发明混合导电材料，任选具有可以是多孔的邻接支撑衬底(例如，分层排列)。衬底可以具有任意形状。例如，在一个实施方案中，将材料沉积在作为多孔管的衬底的外部。在另一实施方案中，材料沉积在平面多孔衬底的表面上。该多孔衬底可以为任意合适的多孔材料，例如陶瓷、聚合物、或金属。

因此，在一组实施方案中，提供的混合离子和电传导材料可以是陶瓷，其具有第一侧和第二对侧，一侧或两侧由多孔支撑层定址(address)。一个或多个多孔支撑层可以自身是混合离子和电传导材料，或仅仅离子导体或电导体，并且在某些情况下各自可以由辅助的多孔惰性层支撑。在一种这样的排列中，多层结构存在为包括第一多孔层和第二陶瓷致密混合传导材料。在另一排列中，多层结构包括第一多孔层、第二陶瓷致密混合传导材料和第三多孔层。在又一排列中，多层结构包括第一多孔层、第二多孔混合传导材料、第三陶瓷致密混合传导材料、以及第四多孔混合传导材料。在另一排列中，多层结构存在为包括第一多孔层、第二多孔混合传导材料、第三陶瓷致密混合传导材料、第四多孔混合传导材料、以及第五多孔层。

在某些情况下，例如，如果沉积的材料表面太“光滑”，则可以向已沉积在多孔衬底上的混合传导材料表面加入粉末附加层。例如，粉末可以是混合传导材料的粉末，其可以沉积在混合传导材料的表面上，或另外类型的粉末。在一种实施方案中，使用真空侵入(vacuum intrusion)来沉积粉末附加层，其也可以有助于减少某些情况下粉末的极化。

在本发明的另一方面，如本文所描述的，利用容纳混合离子和电传导材料的反应器来产生氢例如基本纯的氢气。例如，参照图2B，混合离子和电传导材料10可以用来分离第一隔室21和第二隔室22。在隔室21中，燃料被氧化，例如产生氧化的燃料，其可以部分或完全氧化，例如氧化成水、二氧化碳、SO₂等，而在隔室22内，发生还原反应，例如水被还原产生氢气，即原位电解。

由水还原成氢气(或其它还原反应)产生的氧穿过材料10从隔室22迁移至隔室21，其中所述氧可以与燃料反应，同时由燃料氧化产生的电子穿过材料10返回，参与将水还原为氢气。在该反应中产生的氢气可以被分离和离析，和/或通入可以消耗氢的装置，例如下文详细讨论的燃料电池。因此，在某些实施方案中，本发明的反应器可以氧化燃料，同时在同一反应器中产生氢气。

在某些实施方案中，用来氧化燃料的氧仅来自处于稳态的混合传导材料，尽管为了启动和热平衡要求可以加入额外的氧。然而，在其它实施方案中，即使在稳态过程中也可以供给额外的氧，例如，如果期望燃料的更完全氧化，如果需要更高的反应温度等。

由反应器产生的氢气可以在第一气流中排出反应器，同时由燃料氧化产生的废气可以在第二气流中排出反应器，和/或用于反应器内的其它操作中。因此，当在与其中燃料被氧化的隔室物理分隔的隔室内产生氢气时，由反应器产生的氢气基本上是纯的并且没有污染物(气态颗粒等，例如其可以存在于燃料中)。这样的物理分离布置可以是有利的，例如，在燃料中的杂质或其它组分可能损害或阻碍水还原为氢气的实施方案中。因此，在某些实施方案中可以产生基本纯的氢气流。例如，基本纯的氢气流可以为至少约90％、至少约95％、至少约97％、至少约98％、或至少约99％的纯度，基于体积。然而，在其它实施方案中，一些水可以存在于排除反应器的氢气流(即，“湿氢”气流)中。当然，在这样的情况下，该湿氢气流在离开反应器之前和/或之后，可以任选地随后被分离成水和氢气，例如，利用冷凝操作。

在某些情况下，废气可以在反应器内再循环，例如，用于促进燃料如含碳燃料诸如煤的气化。再循环过程的实例示于图4和图5中。在一个实施方案中，从反应器排出的部分氧化的燃料可以被再循环，以实现进一步氧化。在另一实施方案中，根据以下吸热反应，可以使用诸如水和二氧化碳的废气作为气化煤的反应物：

ΔH＝+170kJ/mol在800℃下

ΔH＝+136kJ/mol在800℃下

在本发明的某些实施方案中，在混合传导材料的两侧使用相同的压力。然而，在本发明的其它实施方案中，材料上的压力不必相同。例如，在某些情况下，水-氢反应隔室内的压力可以更高，而在其它实施方案中，在该隔室内的反应可以小于燃料氧化隔室内的压力。在某些情况下，材料上的一种或两种压力可以是环境压力。即使该材料是多孔的和/或至少部分选择性渗透的，但仍然可以产生基本纯的氢气，例如，如果水-氢反应室的压力大于燃料氧化隔室内的压力，则由于压力差使得来自燃料氧化隔室的气体不能穿过材料。

如上文所述，反应器并不一定必须要求由合成气直接产生氢气的水-气变换反应，因此原始气化的含碳燃料气流可以被氧化产生氢气，与现有技术系统相反，现有技术系统中的燃料或合成气需要附加处理以不含污染物例如H₂S，该污染物可以毒害现有技术系统内的催化剂。在某些实施方案中，反应器可以置于气化器隔室自身(即，其中使含碳燃料反应以生成气化烃例如合成气的室)内，例如，如在图5所示的实施例中所举例说明的，并在下文详细讨论。

应该注意到，如上文所述的系统仅作为实施例方式且不用于限制，并且其它反应也可以认为在本发明的范围内。例如，在还原隔室内可以采用任何还原反应，除使水还原为氢气外，其还能够产生可穿过混合传导材料迁移的离子，例如产生氧离子、氢离子等的还原反应。类似地，除含碳燃料外，在氧化隔室内可以使用其它燃料，该燃料当被氧化(部分地或完全地)时可以产生可以穿过混合传导材料迁移的电子。

本领域技术人员将认识到，上述系统将用于任何工艺，其中在混合传导材料的一侧存在可氧化物质，如本文所描述，并且在另一侧存在可还原物质。因此，作为另一实施例，在混合传导材料的一侧CO₂可以被还原成CO，而在混合导电材料的其它侧甲烷(例如，来自天然气)可以被氧化，例如，如下所示：

4CO₂+8e^-→4CO+4O^2-        阴极

CH₄+4O^2-→CO₂+2H₂O+8e^-    阳极

在一组实施方案中，在可氧化物质(例如，燃料)和可还原物质(例如，水)的反应器中的流动可以是并流的，例如穿过混合传导材料的两种物质的流动在基本相同的方向上发生。然而，在其它实施方案中，流动可以是逆流(例如，两种物质的流动在基本相反的方向上)或错流(例如，两种物质的流动不是并流也不是逆流)。相对于并流或错流，逆流可以给出某些优点，例如，较高的效率或反应后产物流的较好纯度。例如，在逆流中，当进入反应器的可氧化物质离开反应器时可以基本上被氧化(例如，通过在可氧化物质出口附近与基本上未还原的可还原物质的电子/离子连通)，而进入反应器的可还原物质离开反应器时可以基本上被还原(例如，通过在可还原物质出口附近与基本上未氧化的可氧化物质的电子/离子连通)。

这种反应器的一个非限制性的实施例示于图4中，其中反应器50包括多个不同单元或位于其中的容器。在该图示意性示出的布置中，水和燃料源例如煤供应至反应器50，并反应生成氢气和废气例如CO₂。将煤进料器(coal feed)52中的煤供给气化器53。当然，在其它实施方案中，可以使用替代煤或除了煤之外的其它燃料，例如含碳燃料，诸如前述的那些燃料。在气化器内，煤(或其它燃料)被分解并流化成烃流，例如包含水、CO、CO₂、低级烃(例如，含碳数小于最初供给气化器的有机分子)的气流、未反应的烃、和/或其它化合物，例如杂质、无机体(inorganic entity)等。在某些实施方案中，以形成合成气的方式进行气化。

典型地，烃气流将包括杂质、未反应的燃料等。在某些情况下，这些物质可以作为颗粒存在于气流中。在某些情况下，这些物质可以利用本领域普通技术人员已知的分离技术，例如使用过滤器、旋风分离器、离心分离器、碰撞分离器等从烃气流中除去。例如，如图4所示，旋风分离器55用来使气化器53内产生的烃气流57与各种杂质、未反应燃料等分离。任选地，杂质、未反应的燃料等可以在气流59中供应回气化器53。

烃气流离开旋风分离器55时，从气流61流至反应室60。气流62也进入反应室60。气流62含有水，例如，其可以以蒸汽存在。含有混合传导材料的反应室60将反应室分成两个隔室(或多个隔室)，至少一个所述隔室由气流61供应，而至少一个所述室分别由气流62供应。在反应室60内，烃气流被氧化，例如，完全氧化成CO₂，而水被还原成H₂，例如利用图2B示意性图解说明的反应。H₂(其可以或不可以包括水)通过气流64(并且可以被收集和/或纯化)离开反应器，而被氧化的燃料通过气流63离开反应器。在某些情况下，例如，使用热流动68所指示的热交换器，热可以在气流62和64之间交换，这可以增加总效率。

在某些实施方案中，根据反应室60的效率，可以向气流63添加涤气器和/或吸收床(未示出)。气流63一旦离开反应室60，就被供回至气化器53。这导致再循环操作，该操作可以增加系统的总效率。在图4所示的实施例中，气流63分成气流66和气流67。气流66供应至煤层，为用于下一循环的气化剂，而气流67供应至燃烧器，其中残留的CO与通过气流69引入的氧或空气燃烧。这在气化器53内用虚线表示，其代表例如反应器内的管束，燃烧产物可以流过该管束。这些燃烧产物向气化器释放热，其可以促进吸热气化过程。然后，这些气体在气流70中排出气化器53，这些气体可以包括废气例如CO₂、H₂O等。在某些情况下，CO₂可以进一步被处理和/或分离。

本发明一个实施方案的另一实施例示于图5中。在该图中，虽然布置类似于图4所示的布置，但在此反应器60现在位于气化器53的内部。如前所述，向反应器60供应水(蒸汽)，通过使用混合传导材料将其从气化器53中分离。然而，与如图4所示的单独的烃气流不同，在图5所示的实施方案中，气化器53内的燃料被直接暴露于混合传导材料。由于在气化器53内利用了来自反应室的热损失，所以这样的布置可以产生额外的效率。

使用如上述技术产生的氢气可以从反应器中分离出来，例如，用于反应或发电，或用于本发明的某些方面，氢气可以被氧化产生电能，例如在燃料电池中。在某些情况下，发电过程可以与氢气产生同时发生。可以使用任何可以使氢气反应生成水和能量的合适的系统，例如燃料电池。燃料电池的非限制性实例包括固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池、聚合物电解质燃料电池(例如，使用质子交换膜)、碱性燃料电池等。因此，在一个实施方案中，在反应器中提供氢(例如，作为燃料从外部供给，和/或由反应器产生)，所述氢在反应器的第一部分中反应生成水，然后在反应器的第二部分中再转化成氢。氢可以被再循环回反应器的第一部分，例如图6A-6D所示，和/或氢可以如上所述被分离，或甚至用作不包括第一或第二部分的电化学装置的燃料、用作化学过程的反应物等。所述第一部分和第二部分可以容纳在相同的室或容器内，或所述第一和第二部分可以位于例如利用管、管道系统等流体连通的分离容器内，例如，第一容器可以含有混合传导材料(例如，如本文所描述的)并且第二容器可以包含燃料电池，其中容器可以包含混合传导材料和燃料电池二者(例如，使得容器内的氢和/或水与混合传导材料和燃料电池流体连通)等。本领域的普通技术人员仅利用常规技术和本文公开的内容将能够设计和构造适合的系统，例如，通过增加适合的反应容器、管线、管道系统、热交换器、气体收集系统等。

图6A-6C示出利用本发明的混合传导材料30以及燃料电池的几个一般反应图解。在这些图中，电子(e^-)和氧二者可以穿过混合传导材料30迁移，其使氧化隔室31和还原隔室32分开。在材料30的一侧，任选包含硫或其它杂质(用C_xH_y+S_z表示)的燃料例如含碳燃料可以被完全氧化生成H₂O、CO₂、SO₂等。然而，在其它实施方案中，燃料可以仅部分被氧化。氧化反应也产生电子，其可以穿过混合传导材料30迁移。电子用于还原反应，例如与水(H₂O)反应以产生氢气(H₂)和氧离子。这些离子可以穿过混合传导材料30迁移。

氢气可以用于在燃料电池中再生成水，任选在该过程中产生电流，这可以被利用。燃料电池可以从反应器中分离出来，其中氢由水产生，例如，燃料电池包含在与其中由水产生氢的隔室物理分离但流体连通的隔室内或容器中；或在某些情况下，燃料电池可以是反应器的成为一体的部分(integral part)，即在反应器的隔室内，氢和水(其可以以蒸汽存在)的混合物被同时暴露于其中由水产生氢(例如，如前所述，使用混合离子和电传导材料)的反应以及其中由氢产生水(例如，在燃料电池内)的反应下。燃料电池可以使H₂通过与氢氧根离子(OH^-)、氧离子(O^2-)、碳酸根离子(CO₃ ^2-)等反应而生成H₂O，其在过程中可以释放被利用为电能35的电子。

应该注意到，如图6A-6D所示，这种反应系统的净结果是氧进入燃料电池，并且通过一系列反应与燃料反应并氧化燃料。因此，通过该反应系统的氧的净迁移如箭头37所示。

在图6A中，作为一个实施例，示出了碱性燃料电池，其中OH^-通过燃料电池迁移，将氢气还原成水(H₂+2OH^-→2H₂O+2e^-)，在该过程中产生可利用的电子。OH^-可以来自例如纯氧源、或空气源(如图6A所示)或包含氧的其它源，例如利用水在反应(O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-)中产生含氧源。在某些情况下，碱性燃料电池采用以碱性水溶液例如氢氧化钾(KOH)饱和的基体34，其中OH^-被迁移。

在图6B中，示出了使用质子交换膜的燃料电池。在该燃料电池中，虽然电子不能通过质子交换膜迁移，但质子可以通过质子交换膜迁移。因此，当质子(H⁺)穿过膜时，电子必须通过外电路，在此它们可以被用作电源35。在该系统中，隔室32内的一些氢气被分解生成通过质子交换膜迁移的H⁺。因此，可以向隔室32加入补充氢，例如，作为氢气和/或水。一旦排出质子交换膜，H⁺例如与氧(例如，空气中的)反应生成水。质子交换膜在本领域是众所周知的并且可以例如由作为电解质/膜36夫人某些聚合物制成。

图6C示出了作为另一实施例的熔融碳酸盐燃料电池。在该熔融碳酸盐燃料电池中，电解质34包括熔融碳酸盐混合物，其可以悬浮于多孔陶瓷基体39中，例如锂铝氧化物(LiAlO₂)基体。燃料例如在空气中燃烧41，并且燃烧产物暴露于熔融碳酸盐燃料电池。任选地，燃烧过程从隔室31再循环，如箭头42所示。在基体中产生碳酸盐，然后将其输送至隔室32。隔室32内的H₂O和/或CO₂如前所述被分别还原成H₂和/或CO。然后，H₂和/或CO可以与来自基体39的碳酸盐反应，以分别再生成H₂O和/或CO₂。应该强调，在某些实施方案中，H₂/H₂O不是必需的，仅使用CO/CO₂作为隔室32内的氧化还原物质。

另一非限制性实施例示于图6D中。在该图中，反应器100包括混合传导材料102、阳极104、电解质106、以及阴极108。阳极104、电解质106、以及阴极108共同构成燃料电池，例如固体氧化物燃料电池。在反应器100内，氧(例如，来自空气)通过电解质106被输送到阳极104。在某些情况下，阳极104是液体阳极。在阳极104内，氧离子与氢反应生成水。氧可以来自反应器100内，和/或氢可以从外部供应。该反应中产生的水然后在混合传导材料102处被还原，产生通过混合传导材料102迁移的氧，用来氧化燃料，例如含碳燃料(在图6D中用C_xH_y和S_z表示)。

应该注意到，这些附图用于有用的一般反应图解的示意图示，并且为了清楚已被简化。图6A-6D所示的反应可以发生在一个或多个容器内，例如混合传导材料和燃料电池可以容纳在单个容器中，或混合传导材料可以容纳在第一容器中，而燃料电池可以容纳在物理分离但与第一容器如使用管、管道等流体连通的第二容器内。

以下实施例用于举例说明本发明的某些实施方案，但并不用于例举本发明的全部范围。

实施例1

在该实施例中，计算了来自陶瓷的氢产率，该陶瓷用于使一侧的可氧化物质与另一侧的可还原物质分离(参见图2)。该陶瓷通过电子流动被短路。

在这种情况下，根据欧姆定律，电流I可以预期为：

$I=\frac{V}{R}$

电压V可以利用能斯特方程根据膜各侧的氧分压比来计算。电阻R可以被分为至少以下部分：(1)在阴极上由电荷转移引起的极化电阻，R_c；(2)由通过膜的离子迁移产生的欧姆电阻，R_i；(3)由阳极上电荷转移引起的极化电阻，R_a；以及(4)电池短路的电子电阻，R_e：

R＝R_c+R_i+R_a+R_e

在某些实施方案中，通过适当选择离子和/或电子材料，电子电阻R_e相对于R是可以忽略的。离子电阻可以取决于所使用的材料，并且可以形成R的主要部分。根据陶瓷加工的观点，其例如可以通过将厚度减小到可实际上并可靠地获得的最小值而被最小化。极化电阻可以取决于表面特性。电阻最小化的方法包括，例如利用具有催化性能的细粉增加反应接触面积。作为具体实施例，在某些情况下，可以获得400mΩcm²(毫欧-cm²)的面积比总电阻(area specifictotal resistance)。在200mV的能斯特电压下，基于这些计算，该电阻产生0.5A/cm²的电流，换算为3.5ml H₂/cm²/分钟的产率(在1013毫帕和273.15K下测得的体积)。

作为具体的非限制性实施例，可以如下所述确定对具体膜的厚度的估计。对于离子传导率，可以假定用8mol％Y₂O₃(8YSZ)稳定的ZrO₂的导电率在800℃下为0.024S/cm。在某些情况下，电子相的存在可以稀释离子相，这可以对有效电导率具有显著的影响。例如，在某些情况下，电子相可以构成50％的体积；这可以将有效离子传导率减少到未稀释材料的离子传导率的30％。在这样的情况下，需要30％×400mΩcm²×0.024S/cm＝32微米的膜厚度。该厚度和低于该厚度的陶瓷膜可以在可接受的低泄漏率下可靠地制得。

极化电阻可以包括总电阻的余项。在高温(例如，约1000℃)下，反应界面处的动力学可以足够快到没有发生显著极化，使得在某些情况下可不需要额外的催化剂。然而，在某些情况下，例如在较低温(750℃至800℃)下，在基膜(base membrane)上的材料的高表面积涂层也可能是有用的。

实施例2

该实施例举例说明了根据本发明一个实施方案的反应器。在该实施例中使用的反应器示意性地示于图4中。表2示出了1MW制氢系统的质量和能量平衡。在表3中H₂管道64和蒸汽管道62之间的焓流量差是所产生的氢的潜热值(1MW)。在该实施例中已假定，在表中的蒸汽管道62内存在一部分氢。在全部系统内，这可以来自产物气流。在气流中，CO与CO₂的比设为等于8。这是在存在C、CO、和CO₂和800℃下，运行的气化器中将获得的平衡值。

从气流57到气流63，气体经过分离器，并且CO气流的减少量与CO₂气流的增加量一样多。形成的CO₂相对于进入分离室的总流量可能似乎相当低。然而，这是以下事实的结果：顺序的气流57、气流63、和气流66形成环路，在每一通路过程中，从该环路中仅有小量气流被取走。因此，环路内的反应器可以暴露于更大的流量。某些优点在于：降低沿反应器的浓度梯度，并且改善传质。燃料电池系统内阳极气体的再循环也是发生该情况的一个实例。

在该实施例中，分离器中的反应方程表明，每转换一个CO分子，就产生一个H₂分子。因此，在H₂管道和蒸汽管道之间的氢流量差等于转化的CO，在本例中，为4.1mol/s。

根据产生的净氢的潜热，相对于消耗的碳，该过程的效率为(参见表2)：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{{\mathrm{\Δ\φ}}_{H2}{\mathrm{\ΔH}}_{H2}}{{\mathrm{\φ}}_c{\mathrm{\ΔH}}_c}=\frac{(4.3-0.17)*242}{3.16*400}=80\%,$

其中，ΔH_c＝-400kJ/mol是碳的燃烧热，ΔH_H2＝-242kJ/mol是氢的燃烧热(在20℃下，蒸发潜热值)。净生成的氢气流与进入的碳气流的自由焓通量比等于(参见表3)：

${\mathrm{\ϵ}}_G=\frac{{\mathrm{\Δ\φ}}_{H2}{\mathrm{\ΔG}}_{H2}}{{\mathrm{\φ}}_c{\mathrm{\ΔG}}_c}=\frac{(4.3-0.17)*228}{3.16*395}=75\%,$

其中ΔG_c＝-395kJ/mol是碳氧化的自由焓变，ΔG_H2＝-228kJ/mol是氢氧化的自由焓变，均在20℃下。

根据该实施例，自由焓变可以是由反应所获得的功(机械的，电的)理论最大量。因此，上述商确定了相对于气体进入系统之前的有用功(work potential)，有多少所得到的有用功仍然可用。

表2

	C进料	管道a	管道b	管道c	管道d	蒸汽	H2管道	CO2管道	O2管道	热输出	单位
												CO	0	18.7	14.6	12.4	2.2	0	0	0	0		mol/s
CO2	0	2.4	6.5	5.5	1.0	0	0		0
											H2	0	0	0	0	0	0.17	4.3	0	0
H2O	0	0	0	0	0	17.0	12.9	0	0
											C	3.16	0	0	0	0	0	0	3.16	0
O2	0	0	0	0	0	0	0	0	2.2

焓通量

0

-3.0

-4.1

-3.5

-0.6

-4.1

-3.1

-1.2

0

0.2

MW

表3显示了对于该实施例在到达和来自分离器的气流中的氧分压以及驱动氧离子通过膜的所得电压。在阴极侧，即氢侧，从入口到出口的pO₂梯度范围从约4.3×10^-15巴到4.0×10^-18巴。这表示氢含量从1％提高到25％。如从表4中的电压可见，可用的强驱动力降至pO₂＝4.0×10^-18巴。氢含量增加至50％使pO₂降至8.9×10^-20，剩下基本上较小的驱动力(仅65mV)。这将减少膜反应器的产率，但也将减小产生每单位体积的氢需要的蒸汽产量。

表3

驱动力	pO2阴极	pO2阳极
			电压    256mV管道a-蒸汽	4.3×10-15	7.7×10-20
电压    153mV管道b-H2管道	4.0×10-18	6.1×10-21

实施例3

以下实施例举例说明了在根据本发明的一个实施方案反应器中所使用的混合离子和电传导陶瓷的制备。

首先，挤出并干燥支撑管。该支撑管由Ni-YSZ制成，虽然除Ni-YSZ前体外，挤出捏塑体(extrusion dough)还可以包含粘合剂、成孔剂等。利用本领域的普通技术人员已知的标准挤出技术挤出Ni-YSZ管。该管具有1mm壁厚和9mm直径(未硬化)。在下一步骤前，该管允许进行干燥和硬化。

接着，给该管加上帽(cap)。该帽是从未加工的Ni-YSZ板上切割的圆形物，然后利用溶剂中的Ni-YSZ浆胶合到管的末端上以形成帽。该帽然后在1100℃下在空气中素烧2小时。然后在管冷却后，涂覆内功能层。通过在含有Ni-CGO的溶液中浸渍涂覆陶瓷来制备功能层。该内功能层可任选被烧结。在该烧结过程中，管在1100℃下在空气中烧制2小时。

如下所述将YSZ/YST涂敷至管上。该管在含有按烧结体积计50％YSZ和50％YST的溶液中浸渍涂覆。然后，将YSZ/YST在1350℃下在空气中烧制5小时。

然后在该管再次冷却后，涂覆外功能层。通过在含有Ni-CGO的溶液中浸渍涂覆陶瓷来制备功能层。该外功能层可任选被烧结。在该烧结过程中，该管在1000℃至1200℃下在空气中烧制2小时。

然后，在高温下还原YST。这通过在1100℃下在氢中烧制该管2小时来实现。

以下文献并入本文以供参考：由Rackey等人于2004年10月5日提交的题为“Conducting Ceramics for Hydrogen Generation”的美国临时专利申请序列第60/616,475号，以及由Rackey等人于2005年3月16日提交的题为“Conducting Ceramics for ElectrochemicalSystems”的美国临时专利申请序列第60/662,321号。

虽然本文已经描述并示出了本发明的几个实施方案，但本领域的普通技术人员将容易地预想，用于实现这些功能和/或获得这些结果和/或本文所描述的一个或多个优点的各种类型的其它装置和/或结构以及每一个这种变化和/或更改被认为在本发明的范围内。更一般而言，本领域技术人员将容易理解，本文所描述的所有参数、尺寸、材料以及构造意味着是示例性的，而实际参数、尺寸、材料和/或构造将取决于具体应用或使用本发明教导的那些应用。本领域技术人员仅使用常规试验将认知或能识别本文所描述的本发明的特定实施方案的多种等同物。因此，应该理解前述实施方案仅以实施例方式提出，除非明确描述和要求外，可以在所附权利要求书和其等价物的范围内实践本发明。本发明涉及本文所描述的各单独的特征、系统、制品、材料、成套材料(kit)和/或方法。此外，如果该特征、系统、制品、材料、成套材料、和/或方法是相互一致的话，则两个或多个这样的特征、系统、制品、材料、成套材料、和/或方法的组合被包含在本发明的范围内。

如本文所定义和所用的所有定义应该被理解为限制字典定义、以引用方式并入文献中的定义、和/或已定义术语的普通含义。

如本文在说明书和权利要求书中所使用的不定冠词“a”和“an”，除非明确指明为相反的以外，应该理解为指“至少一个”。

如本文在说明书和权利要求书中所使用的短语“和/或”应该理解为指如下结合的“两者之一或两者”的要素，即在一些情况下这些要素结合性地存在，而在其它情况下分离性地存在。用“和/或”列出的多个要素应该以相同方式解释，即如此结合的“一个或多个”要素。除了通过“和/或”从句明确确定的要素外，其它元件可以任选地存在，不论是否与这些明确确定的要素相关或不相关。因此，作为非限制性实例，当与开放式表述例如“包括”一起使用时，“A和/或B”的含义在一个实施方案中可以指仅A(任选包括除了B之外的要素)；在另一实施方案中，指仅B(任选包括除了A之外的要素)；在又一实施方案中，既指A又指B(任选包括其它要素)等。

如在说明书和权利要求书中所使用的，“或”应该理解为与如上所述的“和/或”具有相同的含义。例如，当在列举中分开术语时，“或”或“和/或”应被解释为是包括在内的，即包括至少一个，而且包括多于一个的多个要素，并且任选包括额外未列出的术语。与此相反只有清楚指明的术语，例如“仅一个”或“正好一个”，或当在权利要求书中使用“由...组成”时，指包括多个要素中的正好一个要素。通常，当如本文所使用的术语“或”前有排他性的先行词例如“两者之一”、“一个”、“仅一个”、或“正好一个”时，术语“或”应仅仅解释为是指排他性的选择(即“一个或另一个而非二者)。当在权利要求书中使用“基本由...组成”时，其应具有如在专利法领域所使用的普遍含义。

如本文在说明书和权利要求书中所使用的，关于一个或多个要素列举的短语“至少一个”应该理解为指选自列举要素中的任意一个或多个要素中的至少一个要素，但不必包括列举要素中明确列出的每一和全部要素中的至少一个，并且不排除列举要素中的任意要素组合。除了在短语“至少一个”所指的列举要素中明确列出的那些要素外，不论是否与明确列出的那些要素相关还是不相关，该定义也允许那些要素可以任选存在。因此，作为非限制性的实例，在一个实施方案中，“A和B中的至少一个”(或，等价的“A或B中的至少一个”，或等价的“A和/或B中的至少一个”)可以指至少一个A，任选包括多于一个A，不存在B(以及任选包括除了B之外的要素)；在另一实施方案中，指至少一个B，任选包括多于一个B，不存在A(以及任选包括除了A之外的要素)；在又一实施方案，指至少一个A，任选包括多于一个A，以及至少一个B，任选包括多于一个B(以及任选包括其它要素)等。

还应该理解，除非清楚指出与此相反，在本文要求的包括多于一个的步骤或过程的任意方法中，该方法的步骤或过程的顺序不必限于所列举的方法的步骤或过程的顺序。

在权利要求书中，以及在上述说明书中，所有过渡短语例如“包含”、“包括”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”“容纳”、“组合有”等理解为是开放式的，即指包括但不限于。仅过渡短语“由...组成”和“基本由...组成”分别是封闭式或半封闭式的过渡短语，如在美国专利局专利审查程序手册2111.03节中所提出的。

Claims (116)

1.一种方法，包括以下过程：

在反应器的第一部分中，使包含氢的燃料反应以产生电流和水；

在所述反应器的第二部分中，使水反应以产生氢；以及

使在所述反应器的第二部分中产生的至少一部分氢反应，以产生电流。

2.根据权利要求1的方法，包括使在所述反应器的第二部分中产生的至少一部分氢作为反应器第一部分中的燃料而反应。

3.根据权利要求1的方法，其中所述使水反应以生成氢的过程包括使水与由材料提供的电子反应，所述材料包括含有陶瓷离子导体的第一相和含有陶瓷电导体的第二相。

4.根据权利要求1的方法，其中所述使包含氢的燃料反应以产生电流和水的过程包括使所述包含氢的燃料在燃料电池内反应。

5.根据权利要求1的方法，其中所述燃料电池是固体氧化物燃料电池。

6.根据权利要求1的方法，其中所述燃料包括含碳燃料。

7.根据权利要求1的方法，其中所述燃料包括气化煤。

8.一种方法，包括以下过程：

使燃料和水通过混合的离子和电传导材料反应以产生氢，其中除了通过所述材料的离子和电子传导外，将水从燃料中分离；以及

使至少一部分氢反应，以产生电流。

9.根据权利要求8的方法，其中所述使燃料和水反应的过程发生在反应器的第一部分中，并且使至少一部分氢反应以产生电流的过程发生在反应器的第二部分中。

10.根据权利要求9的方法，其中所述第一部分和所述第二部分是流体连通的物理分隔的室。

11.根据权利要求8的方法，其中所述使至少一部分氢反应以产生电流的过程包括使所述至少一部分氢反应以产生电流和水。

12.根据权利要求8的方法，包括使用在使至少一部分氢反应以产生电流的过程中产生的至少一部分水，作为使燃料和水通过混合的离子和电传导材料反应的过程中所使用的水。

13.根据权利要求8的方法，其中所述混合的离子和电传导材料包括陶瓷。

14.根据权利要求8的方法，其中所述混合的离子和电传导材料包括含陶瓷离子导体的第一相和含陶瓷电导体的第二相，所述第一相基本上在整个所述材料上互连，使得所述材料是离子传导的，并且所述第二相基本上在整个所述材料上互连，使得所述材料是电子传导的。

15.根据权利要求8的方法，其中所述使至少一部分氢反应以产生电流的过程包括使至少一部分氢在燃料电池内反应以产生电流。

16.根据权利要求15的方法，其中所述燃料电池是固体氧化物燃料电池。

17.根据权利要求8的方法，其中所述燃料包括含碳燃料。

18.根据权利要求8的方法，其中所述燃料包括气化煤。

19.一种方法，包括以下过程：

利用由材料提供的电子使水反应以产生具有至少约90％纯度的H₂，所述材料包括含有陶瓷离子导体的第一相和含有陶瓷电导体的第二相，所述第一相基本上在整个所述材料上互连，使得所述材料是离子传导的，并且所述第二相基本上在整个所述材料上互连，使得所述材料是电子传导的。

20.根据权利要求19的方法，包括使水反应以在所述材料内产生氧离子。

21.根据权利要求20的方法，还包括使所述氧离子与可氧化物质反应。

22.根据权利要求21的方法，其中所述可氧化物质包括含碳燃料。

23.根据权利要求21的方法，其中所述可氧化物质包括气化煤。

24.根据权利要求19的方法，还包括氧化所述H₂以产生电流。

25.根据权利要求19的方法，还包括将所述H₂引入到燃料电池内。

26.根据权利要求19的方法，还包括使所述H₂在燃料电池内反应以产生水。

27.根据权利要求26的方法，还包括将由所述燃料电池产生的水再循环以产生H₂。

28.根据权利要求19的方法，其中所述材料基本上是不透气的。

29.根据权利要求19的方法，其中所述第一相包括氧化锆。

30.根据权利要求29的方法，其中利用一种或多种掺杂剂使所述氧化锆稳定成立方结构。

31.根据权利要求30的方法，其中利用Y稳定所述氧化锆。

32.根据权利要求30的方法，其中利用Sc稳定所述氧化锆。

33.根据权利要求19的方法，其中所述第一相包括至少含氧化铈和氧化钆的氧化物。

34.根据权利要求19的方法，其中所述第一相包括La-铁酸盐材料。

35.根据权利要求19的方法，其中所述第一相包括用Ce掺杂的Gd₂O₃。

36.根据权利要求19的方法，其中所述第一相包括掺杂的LaFeO₃。

37.根据权利要求36的方法，其中所述掺杂的LaFeO₃是用Sr、Ca、Ga、或Fe中的一种或多种掺杂的。

38.根据权利要求19的方法，其中所述第二相包括LST材料。

39.根据权利要求19的方法，其中所述第二相包括YST材料。

40.根据权利要求19的方法，其中所述第二相包括LCC材料。

41.根据权利要求19的方法，还包括与所述材料物理接触的多孔衬底。

42.根据权利要求41的方法，其中所述多孔衬底基本上为管状。

43.根据权利要求41的方法，其中所述多孔衬底基本上为平面状。

44.根据权利要求19的方法，其中所述材料基本上是不透气的。

45.根据权利要求41的方法，其中在所述多孔衬底上的所述材料具有不大于200微米的厚度。

46.一种方法，包括以下过程：

使含碳燃料反应以在材料内产生电子，所述材料包括含有陶瓷离子导体的第一相和含有陶瓷电导体的第二相，所述第一相基本上在整个所述材料上互连，使得所述材料是离子传导的，并且所述第二相基本上在整个所述材料上互连，使得所述材料是电子传导的；以及

使所述电子与水反应以在所述材料内产生氧离子，所述氧离子能与所述含碳燃料反应。

47.根据权利要求46的方法，其中所述可氧化物质和所述水没有物理接触。

48.根据权利要求46的方法，包括使所述电子与水反应以产生H₂。

49.根据权利要求48的方法，还包括分离所述H₂。

50.根据权利要求49的方法，还包括氧化所述H₂以产生电流。

51.根据权利要求50的方法，其中所述氧化所述H₂以产生电流的过程与使所述电子与水反应以产生H₂的过程同时发生。

52.根据权利要求46的方法，其中所述含碳燃料包括气化煤。

53.根据权利要求46的方法，其中所述第一相包括YSZ。

54.根据权利要求46的方法，其中所述第二相包括YST。

55.一种方法，包括以下过程：

使可氧化物质反应以在材料内产生电子，所述材料包括含有陶瓷离子导体的第一相和含有陶瓷电导体的第二相，所述第一相基本上在整个所述材料上互连，使得所述材料是离子传导的，并且所述第二相基本上在整个所述材料上互连，使得所述材料是电子传导的；以及

使所述电子与可还原物质反应以产生H₂，所述可还原物质与所述可氧化物质没有物理接触。

56.根据权利要求55的方法，其中所述第一相包括YSZ。

57.根据权利要求55的方法，其中所述第二相包括YST。

58.根据权利要求55的方法，其中所述可氧化物质包括含碳燃料。

59.根据权利要求55的方法，其中所述可氧化物质包括气化煤。

60.根据权利要求55的方法，其中所述可还原物质包括水。

61.根据权利要求55的方法，还包括使所述H₂在燃料电池内反应以产生水。

62.根据权利要求61的方法，还包括使由所述燃料电池产生的所述水再循环，作为所述可还原物质的至少一部分。

63.一种反应器，包括：

将容器分成第一隔室和第二隔室的材料，所述材料包括含陶瓷离子导体的第一相和含陶瓷电导体的第二相，所述第一相基本上在整个所述材料上互连，使得所述材料是离子传导的，并且所述第二相基本上在整个所述材料上互连，使得所述材料是电子传导的；

与所述第一隔室的入口流体连通的含碳燃料源；以及

与所述第二隔室的入口流体连通的水源。

64.根据权利要求63的反应器，其中所述第一相包括YSZ。

65.根据权利要求63的反应器，其中所述第二相包括YST。

66.根据权利要求63的反应器，还包括与所述材料流体接触的第一气体和与所述第一气体流体分离、与所述材料流体接触的第二气体。

67.根据权利要求66的反应器，包括含所述第一气体的第一隔室和含所述第二气体的第二隔室，其中所述材料限定分隔所述第一隔室与所述第二隔室的壁。

68.根据权利要求67的反应器，其中所述第一气体的氧分压高于所述第二气体的氧分压。

69.根据权利要求63的反应器，其中所述反应器还包括与所述第二隔室的出口流体连通的燃料电池。

70.根据权利要求69的反应器，其中所述燃料电池是固体氧化物燃料电池。

71.根据权利要求63的反应器，其中所述含碳燃料源包括气化煤。

72.一种系统，包括：

气化室；

与所述气化室流体连通的燃料源；

容纳在所述气化室内的分离室，其通过含有陶瓷的材料至少部分地与所述气化室流体分隔，其中所述材料是离子传导的；以及

与所述第二隔室流体连通的水源。

73.根据权利要求72的系统，其中所述材料是电子传导的。

74.根据权利要求72的系统，其中所述材料包括含有陶瓷离子导体的第一相和含有陶瓷电导体的第二相。

75.根据权利要求72的系统，其中所述材料包括含有陶瓷离子导体的第一相和含有陶瓷电导体的第二相，所述第一相基本上在整个所述材料上互连，使得所述材料是离子传导的，并且所述第二相基本上在整个所述材料上互连，使得所述材料是电子传导的。

76.根据权利要求72的系统，其中所述材料包括YSZ。

77.根据权利要求72的系统，其中所述材料包括YST。

78.一种制品，包括：

基本上无孔的材料，所述材料包括含有陶瓷离子导体的第一相和含有陶瓷电导体的第二相，所述第一相基本上在整个所述材料上互连，，使得所述材料是离子传导的，并且所述第二相基本上在整个所述材料上互连，使得所述材料是电子传导的；和

与所述材料物理接触的多孔衬底。

79.根据权利要求78的制品，其中所述第一相包括YSZ。

80.根据权利要求78的制品，其中所述第二相包括YST。

81.根据权利要求78的制品，其中所述多孔衬底基本上为管状。

82.根据权利要求78的系统，其中所述多孔衬底基本上为平面状。

83.一种制品，包括：

第一多孔混合离子和电传导材料；和

与所述第一多孔混合导电材料物理接触的无孔混合离子和电传导材料。

84.根据权利要求83的制品，还包括与所述第一材料物理接触的第二多孔混合离子和电传导材料。

85.根据权利要求83的制品，还包括与所述第一材料物理接触的多孔衬底。

86.根据权利要求83的制品，还包括与所述无孔材料物理接触的多孔衬底。

87.根据权利要求83的制品，其中所述无孔混合离子和电传导材料包括陶瓷。

88.根据权利要求83的制品，其中所述无孔混合离子和电传导材料包括陶瓷离子导体和陶瓷电导体。

89.一种方法，包括以下过程：

提供具有第一侧和第二侧的混合离子和电传导材料；

使可氧化物质流过所述材料的第一侧；以及

使可还原物质沿相对于所述可氧化物质流动基本逆流的方向流过所述材料的第二侧。

90.根据权利要求89的方法，其中所述可氧化物质包括含碳燃料。

91.根据权利要求89的方法，其中所述可还原物质包括水。

92.根据权利要求89的方法，其中所述混合离子和电传导材料包括陶瓷。

93.根据权利要求89的方法，其中所述混合离子和电传导材料包括陶瓷离子导体和陶瓷电导体。

94.一种反应器，包括：

具有第一侧和第二侧的混合离子和电传导材料；

流过所述材料的第一侧的可氧化物质源；以及

沿相对于所述可氧化物质流动基本逆流的方向流过所述材料的第二侧的可还原物质源。

95.根据权利要求94的反应器，其中所述混合离子和电传导材料包括陶瓷。

96.根据权利要求94的反应器，其中所述混合离子和电传导材料包括陶瓷离子导体和陶瓷电导体。

97.一种反应器，包括：

将室分成第一隔室和第二隔室的混合离子和电传导材料，其具有小于约1开孔/mm²的孔隙率。

98.根据权利要求97的反应器，其中所述材料包括陶瓷。

99.根据权利要求97的反应器，其中所述材料包括陶瓷离子导体和陶瓷电导体。

100.根据权利要求97的反应器，其中所述材料包括含有陶瓷离子导体的第一相和含有陶瓷电导体的第二相，所述第一相基本上在整个所述材料上互连，使得所述材料是离子传导的，并且所述第二相基本上在整个所述材料上互连，使得所述材料是电子传导的。

101.根据权利要求97的反应器，其中所述材料包括YSZ。

102.根据权利要求97的反应器，其中所述材料包括YST。

103.根据权利要求97的反应器，其中所述材料具有小于约1开孔/mm²的孔隙率。

104.一种反应器，包括：

将室分成第一隔室和第二隔室的材料，所述材料包括含有陶瓷离子导体的第一相和含有陶瓷电导体的第二相，所述第一相基本上在整个所述材料上互连，使得所述材料是离子传导的，并且所述第二相基本上在整个所述材料上互连，使得所述材料是电子传导的，其中所述陶瓷电导体包括具有化学式A_1-xSr_xTiO₃的陶瓷，x在约0.1至约0.5之间，并且A表示独立地选自Y、La、Nb、Yb、Gd、Sm和Pr中的一个或多个原子。

105.根据权利要求104的反应器，其中所述A包括La。

106.根据权利要求104的反应器，其中所述A基本上由La组成。

107.根据权利要求104的反应器，其中所述A包括Y。

108.根据权利要求104的反应器，其中所述A基本上由Y组成。

109.根据权利要求104的反应器，其中x在约0.2至约0.4之间。

110.根据权利要求104的反应器，其中所述材料的约5wt％至约95wt％是所述陶瓷电导体。

111.根据权利要求104的反应器，其中所述材料的约20wt％至约80wt％是所述陶瓷电导体。

112.一种反应器，包括：

将室分成第一隔室和第二隔室的混合离子和电传导材料，所述材料包括含有YSZ的第一相和含有YST的第二相，所述第一相基本上是完全与所述材料互连的，使得所述材料是离子传导的，并且所述第二相基本上完全与所述材料互连使得所述材料是电子传导的。

113.一种反应器，包括：

将室分成第一隔室和第二隔室的材料，所述材料包括含有陶瓷离子导体的第一相和含有陶瓷电导体的第二相，所述第一相基本上在整个所述材料上互连，使得所述材料是离子传导的，并且所述第二相基本上在整个所述材料上互连，使得所述材料是电子传导的，其中所述材料具有小于约200欧姆cm的电阻率。

114.根据权利要求113的反应器，其中所述第一相包括YSZ。

115.根据权利要求113的反应器，其中所述第二相包括YST。

116.根据权利要求113的反应器，其中所述电阻率小于约100欧姆cm。

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